Экспериментальное исследование адронных свойств взаимодействия фотона с помощью детектора H1 на ускорителе Гера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

ь;и од

2 ^ НОЯ '007 На правах рукописи

РОСТОВЦЕВ Андрей Африканович

ЖСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДРОННЫХ СВОЙСТВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОТОНА С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА Н1 НА УСКОРИТЕЛЕ ГЕРА

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико математических наук.

Москва - 1997

УДК 539.126

Работа выполнена в Государрственном научном центре Российской Федерации -Институте Теоретической и экспериментальной физики.

Официальные оддокенты: доктор физ.-мат. наук, Кайдалов A.B. (ГНЦ- ИТЭФ) доктор физ.-мат. наук, Лиходед А.К. (ГНЦ - ИФВЭ) доктор физ.-мат. наук, Зотов Н.П. (НИЯФ МГУ)

Ведущая организация: Институт Ядерной Физики СОАН РФ

Защита состоится "23" декабря 1997 г. на заседании диссертационного совета Д.034.001.01 в Государственном научпом центре РФ - Институт теоретической и экспериментальной, физики по адресу: 117259, Москва, Б.Черемушкинская 25, конференв зал Института.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ГНЦ - ЙТЭФ.

Автореферат разослан'16" ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук,

(Ю.В.ТЕРЕХОВ)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность п цель работы

В настоящее время одной пз центральных задач физики высоких энергий явля-ся поиск единого практического подхода к описанию сильных взаимодействий эле-нтарных частиц. Несмотря па то, что фундаментальная теория сильных взапмо-йсгвнй - квантовая.хромодиыаммка (КХД) - существует уже более четверти века, актически полезные вычисления можпо провести только для весьма ограниченного асса реакний называемых "жесткими". Примерами таких реакций являются ро-1ение тяжелых кварков или адропных струй с большой поперечной .энергией, реак-я глубоко-неупругого рассеяния лептона п т.д. В жестких реакциях участие боль-IX переданных импульсов определяет малую величину бегущей константы связи , что. в свою очередь, позволяет использовать методы теории возмущений (пКХД). [нако. в большинстве случаев взаимодействие определяется незначительной иере-чей энергии (так называемые "мягкие" процессы) п методы теории возмущений ановятся неприменимы. Такие процессы называются "мягкими". В области мяг-х процессов работают феноменологические модели. Широкий "пролив" в теории жду мягкими и жесткими процессами остается пока непреодолим. В эксперимен-льной практике разделение на мягкие и жесткие реакции в адрон-адронных взам-действиях связано с отсутствием удобной наблюдаемой переменной, непрерывное ченение которой позволило бы контролировать ллавшлй переход из одной катего-и реакций в другую. Таким образом, как с теоретической, так и с эксперимеп-яьной стороны существуют объективные трудности проведения исследований во >й области проявления сильных взаимодействий в столкновениях частип высокой ;ргии в рамках едино!« подхода.

Уникальную-возможность исследования переходной области между мягкими и сткими процессам» предоставляют данные, полученные за последние годы на ер~ шайдере HERA. Столкновения электронов с протонами происходят путем обмена тоном п. таким образом, определяются взаимодействием фотонов с протонами. В ювиях коллайдера IIERA взаимодействующие фотоны имеют непрерывный спектр :ргий и виртуальности. Таким образом, данные, полученные на коллайдере HERA;

позволяют изучать широкий спектр реакций от взаимодействия реальных или квазиреальных фотонов (фоторождение) до глубоко-неупругого взаимодействия фотонов, имеющих высокую степень виртуальности. Взаимодействие виртуального фотона с материей рассматривается как жесткий процесс поглощения фотона точечными объектами внутри материи - партопами. Такое представление является основанием для интерпретации структурных функций, измеренных в реакциях глубоко-неупругого рассеяния, на языке плотности партонов. Что касается фоторождепия, то во многих отношениях этот процесс напоминает адрон-адронные взаимодействия и относится к категории мягких процессов. Уникальная возможность непрерывно изменять виртуальность взаимодействующих фотонов позволяет экспериментально исследовать свойства переходной области между мягкими и жесткими процессами.

Целыо настоящей работы является экспериметальное исследование свойств взаимодействия протона и фотона различной степени виртуальности на ускорителе HERA Таким образом, предметом исследования является переходная область между мягкими ц жесткими процессами.

Новизна работы

Многие измерения, обсуждаемые в настоящей работе, имеют уникальный характер и были сделаны впервые. Это, в первую очередь, связано с существенным увеличением энергии столкновений. Энергия ер столкновений в системе центра масс на ускорителе HERA составляет примерно 300 ГэВ, что более чем на порядок превышает энергии, достигнутые в экспериментах по рассеянию лептонов на фиксированных мишенях.

Цикл экспериментальных работ, выполненных автором и положенных в основу диссертации, прсдставляст собой ковый подход к изучению свойств фотона в переходной области между мягкими и жесткими процессами. Новизна подхода заключается в одновременной обработке и сравнительном анализе данных по фоторождению и глубоко-неупругому рассеянию при одной и той же энергии взаимодействия фотона с протоном. Сравнительный анализ полученных данных доказывает, что многие основные свойства взаимодействия фотонов высокой энергии с материей имеют универсальный характер и не зависят от степени виртуальности фотона.

Научная и практическая ценность

Результаты, представленные в диссертации и выносимые на защиту, были опу-шкованы п неоднократно обсуждались на международных конференциях. Подушные экспериментальные результаты о свойствах взаимодействия реальных и вир-г'альньгх фотонов высокой энергии позволяют проверять различные теоретические >дходы к описанию процессов с участием сильных взаимодействий. В настоящее >емя. этп данные широко используются для дальнейшего развития теории сильных аимодействий - квантовой хромояинамикп. Представленные в диссерт ации данные поведении полных и парциальных сечений взаимодействия фотона, измерение по->ка энергии, плотности заряженных частиц и распределений поперечного импульса ряженных частил свидетельствуют о глубокой аналогии с адрон-адронными вза-юдействиямн и указывают на необходимость универсального подхода к интерпре-чщи всей совокупности данных, включая также процесс глубоко-неу1фугого рассе-:ия.

Личный вклад диссертанта

Диссертант участвовал в разработке конструкции и создании элементов детек-ра, создании пакетов программ математического обеспечения. Являясь координа-г>ом рабочей физической группы в коллаборации Н1, диссертант занимал одно из пущих мест при разработке и осуществлении физлческой программы исследова-й по тематике диссертации, в анализе полученных результатов и подготовке их к бликшшям.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Измерение величины ллогвости потока поперечной энергии в событиях взаимодействия фотона и протона при различных значениях виртуальности фотона

Я2-

'1. Измерение средней множественности рождения заряженных частиц в полусфере фотона в событиях фоторождения и реакции глубоко-неупругого рассеяния электрона.

3. Измерение распределепий поперечного импульса заряженных частиц в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях виртуально-

сти фотонов.

4. Измерение энергетической зависимости сечения фоторождения заряженных ' стиц с большим поперечным импульсом.

5. Измерение сечения рождения струй с большой поперечной энергией в реакп фоторождения и при глубоко-неупругом рассеянии электрона на протоне.

6. Исследование поведения пьедестала струй в событиях фоторождения и изуче! свойств событий, содержащих адровные струи.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований по теме диссертации неоднократно докладывали« обсуждались на семинарах ИТЭФ, на сессии отделения ядерной физики АН СС( на семинарах DESY и других ведущих международных центров по физике высок энергий, на международных конференциях и симпозиумах проходивших в 1992-1Î годах. Результаты исследований были также использованы при подготовке лске на школе физике ИТЭФ в 1994 году. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, десяти глав и заключения. Ее объем - ' страницы, 39 расположенных в тексте рисунков. Список цитируемой литерату состоит из 110 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность и раскрывается содержание темы д сертации, ставится задача экспериментальных исследований, описана структура д сертации.

В первой главе диссертации, дается введение в кинематику реакции рассея! электрона на протоне, определены кинематические переменные, используемые да в диссертации.

Основной реакцией, изучаемой на коллайдере HERA, является процесс рассея1 электрона на протоне

р + е е 4- X .

■от процесс происходит путем обмена, фотоном 1 ц характеризуется двумя незави-мыми непосредственно наблюдаемыми переменными: энергией (E'f) и углом [в'е) ссеянного электрона в лабораторной системе. Хотя переменные имеют про-эй физический смысл, более удобно использовать Лоренц-пнвариантные перемене Q2 и у. Переменная Q2 определяется как квадрат переданного при рассеянии >ктрона 4-ттмпульса Q2 = — (Р, — Р'с)2. Переменная у характеризует степегтт. пе-ругости процесса рассеяния у = 2Рр ■ (Ре - P'c)/S M\/S. -Здесь Рр, Рг я Р[ »зиачают 4-имиульс сталкивающихся протона, электрона и рассеянного электрона »тветственно. Величина Q2 всегда положительна и определяет виртуальность фо-ja. В зависимости от значения Q2 традиционно разделяют

• процесс фоторождения (Q2 0) и

« процесс глубоко-неулругого рассеяния с Q2 > 1 ГэВ2. ( Значение 1 ГэВ2 весьма условно, указано здесь исключительно с. пелью обозначить порядок величины и не может служить определением четкой кинематической границы.)

рсто переменной у часто удобно использовать переменную Ví''-эпергию взаимодей->ия фотона с протоном W = i/j/S — Q'.

Во второй главе диссертации, имеющей характер введения, кратко обсуждаются |ретические подходы к описанию сипьпых взаимодействий фотонов, описывается 'ретпческая и экспериментальная ситуация, сложившаяся ко времени проведения ледований по теме диссертации.

В ранних экспериментах по фоторождению было обнаружено, что по многим шним признакам зтот процесс напоминает адрон-адронные взаимодействия. Близ-аналогия, наблюдаемая между фоторождением и адронными взаимодействиями, [вела к появлению феноменологической модели векторной доминантности. Cocho этой модели налетающий фотон задолго до столкновения переходит с сохра-исм спина, и четности в адронное состояние с массой М (в простейшем случае р° он), после чего процесс взаимодействия сводится к столкновению адронов. Анало-с адронными взаимодействиями позволяет для событий фоторождения применять

В кинематической области, рассматриваемой в данной рабо те íík.'ía;i Z°-o6Mena несущественен.

методы теории Редже, описывающей, в частности, некоторые свойства даффракцио ных реакций. Также как и в адронных взаимодействиях область применения метод пКХД в фоторождеиии весьма ограничена.

Иная ситуация сложилась при изучении взаимодействия виртуального фотона материей. В 1969 году в эксперименте по глубоко-неупругому рассеянию электро па фиксированной мишени было обнаружено, что значение структурной функции пр тона F2 практически не зависит от величины Q2. Это явление получило назван, скейлинг. Скейяинг удалось объяснить в рамках кварк-партонной модели. В дал нейшем более точные измерения обнаружили слабое нарушение скейлинга. Эффе) нарушения скейлинга нашел свое объяснение в рамках пКХД, где кварк, взаимоде ствуюхций с виртуальным фотоном, является продуктом каскадного процесса поел довательного излучения партонов. В главном логарифмическом приближении мож] записать уравнения эволюции партонного каскада, решением которых при заран заданных начальных условиях является плотность партонов в протоне как фун ция кинематических переменных Q2 и х. Такие уравнения называются уравнения! эволюции ДГЛАП (по первым буквам имен авторов Докпшцер-Грибов-Липато] Алтарелли-11аризи). Таким образом, в противоположность фоторожденшо, пКХ стала главным инструментом при описании процесса глубоко-неупругого рассеяни

Несмотря на успех кварк-партонной модели описания процесса глубоко-неупруп рассеяния, анализ данных, полученных на коллайдере HERA и результаты эксп риментов да глубоко-неудругому рассеянию на ядерных фиксированных мишен! свидетельствуют, что взаимодействие виртуальных фотонов с протонами дроявлж также свойства типичные для фоторождеяия: значительный вклад диффракцио] ных реакций и эффект затенения при рассеянии на ядерной мишени. Действителен аргументы, приведенные выше в обоснование модели векторной доминантности случае фоторождения), оказываются также справедливыми при взаимодействии ви; туального фотоыа большой энергии. В системе покоя протона время жизни виртуал ного фотона в качестве флуктуации в партонную систему определяется из принцш неопределенности

_. 1

Т ~ хМр' 1

где Mf - масса протона. В области малых значений Бьеркеновского х (типичные зл

шня для кинематики на коллайдере HERA I0~4 -f-10~3) время жизни т в 100 ~ 1000 13 больше времени сильного взаимодействия. Следовательно, виртуальный фотон эжет долго находиться в адронном состоянии и взаимодействовать сильным обра->м с мишенью. Такая модель позволяет анализировать данные по фоторождению и 1аимодействию виртуальных фотонов на общей основе, но, к сожалению, предска-пельная сила такой модели основана только на опыте наблюдений за адроннымн ^акциями и ряде феномепологических представлений.

В настоящее время не существует полной теоретической картины, описывающей 1аимодействие фотонов с материей при высокой энергии. Два класса реакций - фо-эрождение и процесс глубоко-неупругого рассеяния традиционно рассматриваются »к два различных класса физических явлений. С другой стороны, единственным ормальным параметром, по которому разделяются эти два класса процессов являйся величина виртуальности фотона (Q2). Четкой границы между фоторождением и тубоко-неупругнм процессом не существует и в широком интервале величин Q2, где щовременно проявляются свойства присущие обоим процессам, различные свойства щоц и той же реакции приходится описывать на языке разных моделей. Исследовано этой переходной области и поиску единого подхода к описанию взаимодействий сального и виртуального фотонов посвящены последующие главы диссертации.

В третьей и четвертой главах диссертации, коротко описаны основные параме-эы ускорительно-накопительною комплекса HERA, на котором были выполнены ■е эксперименты, приводятся главные характеристики элементов эксперименталь->й установки HI. использованных при анализе данных.

В пятой главе диссертации обсуждаются результаты измерения полных и парци-1ьных сеченпй взаимодействия фотона с протоном.

Значения полного сечения фоторождения, полученные в экспериментах ZEUS и 1, равны соответственно <т-,р — 143±17 мкб для И' = 180 ГэВ и 165±11 мкб для И" = )0 1'эВ. Это значение превышает измеренное при низких энергиях (около 110 мкб). аблюдаемый рост полного сечения описывается простым степенным законом

<74р эс ГГ5\ (3)

le показатель А характеризует степень роста сечения с энергией. Данные по фо-

торождению хорошо -согласуются со значением Л = 0.08, полученным ранее длл адрон-адроцных взаимодействий. Удивительно, что степень роста сечения оказалась универсальной, как для рр, рр, жр и Кр взаимодействий, так и для реакции фоторождения.

Данные, полученные на ускорителе HERA, свидетельствуют, что универсальная степень роста сечения, присутствующая в адронных взаимодействиях и во взаимодействиях реальных фотонов, не сохраняется в случае виртуальных фотонов. Величина показателя степени А тем больше, чем выше виртуальность взаимодействующего фотона Q2. Зависимость величины А от Q2 показана на рисунке 4(Ь). Зависимость А(Q2) имеет вид плавно возрастающей функции во всем диапазоне Q2 и не имеет особенностей в области йерехода фоторождеиия в режим глубоко-неупругой реакции.

Экспериментальное обнаружение роста степени А во взаимодействии виртуальных фотонов привело к обширной дискуссии о причинах наблюдаемого явления. Учитывая, что в области больших значений Q2 решение уравнений ДГЛАП эволюции качественно описывает поведете A(QJ), стало общепринятым считать, что медленный рост сечения есть признак мягких процессов, в то время как более быстрый рост сечений свидетельствует о переменах в динамике взаимодействия и ассоциируется с жесткими процессами. Однако, простой вид зависимости А(Q2) требует более общего подхода, включающего одновременно область малых и больших Q2.

Последующие главы (5 и 6) посвящены измерению плотности потока поперечной энергии и заряженных частиц в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях виртуальности фотонов. Результаты, представленные в этих главах, были опубликованы в [1,2, 3, 4, 5].

Для сравнения свойств событий с различным значением Q2 в качестве системы отсчета выбрана система центра масс фотона и протона. Направление оси 2* совпадает с направлением протона в этой системе2. На рисунке 1 показана зависимость величины плотности поперечной энергии dEr/dr)" от псевдобыстроты rj' — —ln(tan(J)*l2)), где в* - полярный угол, измеряемый от направления оси г*. Для сравнения, данные с различным значением Q2 приведены для одного и того же зна-"Здось и далее значком * обозначаются переменные, относящиеся к системе центра масс фотона и протона

?ния энергии взаимодействия \JS'1P = W sa 185 ГэВ. С этой целью интервал пере-енной у был дополнительно ограничен 0.3 < у < 0.5. В данных, использованных пя сравнения, события диффракционной диссоциации были исключены.

___ s-

{Q') ~ о GeV» •(Q1)~UGeVJ . k(Q>)~ 38CeV»

■ (q'> ~ 520 GeV'

■o

4- -f

i

j-

t "i

m

dt Ш

ис. 1: Зависимость величины плотности поперечной энергии от псевдобыстроты.

Как- следует из рисунка 1, плотность поперечной энергии существенно возрастает С¡?2 в области фрагментации фотона (г/" т —2), и практически не изменяется в цен-»альной части (7* > —0.5). Следуя аналогии с адрон-адронными взаимодействи-1и, фотон должен рассматриваться как адрон с присущими ему специфическими ойствами. Свойства фотона могут проявляться в ограниченной области обла-и фрагментации фотона. Поперечный размер области, занимаемый виртуальным угоном, тем меньше, чем больше его виртуальность (¡}2- Исходя из принципа не-ределеяности можно заключить, что наделяя фотон свойствами адронного состоял (предположительно состоящего из партонов) необходимо приписать партонам кого состояния тем больший средний поперечный импульс, чем выше значение !. Действительно, в области фрагментации фотона средняя наблюдаемая величина перечпой энергии растет с ф2.

Такое же поведение ожидается в модели, представляющей реакцию глубоко-неупругого ссеяния как каскадный процесс излучения партонов, описываемый уравнениями элюцпи. Качественно, мощность развития партонного каскада тем больше, чем

длинее путь эволюции в шкале Q2. Если эта рабочая гипотеза верна, можно ожидать, что эффект увеличения плотности энергии складывается из двух приблизительно одинаковой важности составляющих: увеличения плотности, рожденных в каскаде партонов, и роста среднего поперечного импульса партонов. Чтобы проверить это утверждение на данных, необходимо измерить рождение заряженных частиц в области фрагментации фотона. Прп этом мы пользуемся гипотезой о локальной дуальности партонов и Здронов, согласно которой свойства конечной адроныой системы воспроизводят (с точностью до некоторого постоянного фактора) свойства невидимой партонной системы, образующейся в результате взаимодействия.

На рисунке 2 сравнивается зависимость плотности заряж<енных частиц для случая фоторождения и глубоко-неупругого ра-ссеяния (со средним значением < Q2 >« 15 ГэВ), взятых при одинаковом значении < W >« 185 ГэВ. Для полного образца событий (рисунок 2а) плотность заряженных частиц действительно возрастает с Q2, тогда как для класса недиффракционных событий плотность практически не изменяется с величиной Q2. Следовательно, увеличение плотности заряженных частиц в полном образце событий объясняется быстрым вымиранием вклада реакции квазиупругого рождения векторных мезонов и диффракционных каналов с малой массой диссоциирующего фотона. Такой класс событий имеет широкий диффракдионный зазор и почти не вносит вклада в суммарное число частиц в измеряемом интервале быстрот, однако, величина парциального сечения событий этого класса влияет на общую нормировку при вычислении среднего значения плотности.

Наиболее удивительным фактом является постоянство плотности частиц, рожденных в недиффракдионной части событий в области фрагментации фотона (см. рисунок 26). Более того, в работе [4] показано, что ни среднее число заряженных частиц в полусфере фотона, ни дисперсия практически не меняются в широком интервале 10 < Q2 < ЮОСТГэВ2. Результаты этих двух работ взаимодополняют друг друга. С другой стороны, мы ожидаем, что модель реакции глубоко-неупругого рассеяния, основаппая на уравнениях эволюции, предсказывает хотя п логарифмический, по заметный рост числа частиц в фотонной полусфере, что противоречит полученным результатам. На сегодняшний день это противоречие не имеет приемлемого объяснения.

3.5 У*

1с. 2: Зависимость плотности заряженных частиц для случая фоторождения и убоко-неупругого рассеяния (со средним значением < ()2 >« 15 ГэВ), взятых при инаковом значении < IV >« 185 ГэВ для полного образца (а) и для недиффракци-иых событий (б).

Центральная область быстрот несет информацию о природе сильного взаимодей ствия и не зависит от типа сталкивающихся частиц. Как мы видим (рисунок 3) плотность поперечной энергии в центральной области имеет одно и то же значена для фоторождения и в случае глубоко-неупругого взаимодействия.

о

*

с-

тз

£ -в

. Hl,Q2w 8 GeV2

A Hl, Q2 w 14 GeV2

♦ Hl, Q2 « 30 GeV2

Л Hl, photoproductioa

о UAl

° AFS

0 NA22

о

10 too 1000

W [GeV]

Рис. 3: Зависимость центральной плотности поперечной энергии в ур, рр и рр взаи модействии от энергии столкновения W.

Интересно сравнить полученные данные с имеющимися измерениями рр взаимс действий. На рисунке 3 представлена зависимость центральной плотности поперек ной энергии с1Ет/с1г/'\,1-~о в ур, рр я рр взаимодействии как функция энергии столг новения IV. Измерения Н1 включают данные только до = 50 ГэВ, где статистик достаточна для изучения ^-зависимости. Как следует из сравнения, представлс! ного на рисунке 3, центральная область быстрот проявляет универсальные свойстг и практически не зависит от вида сталкивающихся частиц.

Седьмая глава посвящена измерению распределений поперечного импульса зар] женных частиц в событиях фотон -протонного взаимодействия при различных зн; чениях виртуальности фотонов. Результаты, представленные в этой главе, был опубликованы в [5].

С увеличением спектр поперечных импульсов заряженных частиц в облает фрагментации фотона становится более жестким. Ото наблюдение находится в с

о

о

о

о

О

гласии с ужо обсуждавшимся выше ростом выделенной поперечной энергии в области фрагментации фотона с увеличением степени виртуальпости фотона. В нейтральной области —0.5 < г)' < 0.5 спектр поперечных пмпульсов универсален и не зависит от степени виртуальности взаимодействующего фотона.

Сечение фоторождения заряженных частиц с большим поперечным импульсом как функция энергии взаимодействия обнаруживает близкое сходство с поведением полного сечения взаимодействия виртуальных фотонов. Эта аналогия прослеживается в восьмой главе. Результаты, представленные в этой главе, были опубликованы в [6].

В реакции глубоко-неупругого рассеяния неременная определяет степень жесткости процесса. С точки зрения внешнего наблюдателя, изменение величины С}г приводит к внутренним изменениям механизма взаимодействия. К подобному заключению приходят, наблюдая постепенное изменение степени энергетического роста полнот сечения (Л) фотон-протонного взаимодействия с увеличением О1. Аналогичной переменной, определяющей масштаб шкалы постепенного изменения механизма реакции от мягкого к жесткому, служит поперечный импульс частицы в конечном состоянии. Для определенности мы будем рассматривать только случай фоторождения. Интуитивно понятно, что выбирая события фоторождения, в конечном состоянии которых присутствуют частицы с большим поперечным импульсом, рожденные в области фрагментации фотона, мы имитируем условия глубоко-неупругой реакции.

Измеренная зависимость степени роста сечения фоторождения частиц с большими поперечными импульсами от величины квадрата поперечного импульса представлена на рисунке 4(а). Кривые на рисунке 4(а) представляют результат вычислений с помощью программы генерации событий по модели РУТНГА. В этой модели конечные состояния с большими поперечными энергиями рождаются в результате нартон-партонного рассеяния, свойства которого определяются матричным элементом пер-турбативной КХД. Для сравнения па рисунке 4(6) показана зависимость величины степени роста полного сечения взаимодействия виртуального фотона с протоном как функция <22. Качественно, как сечение фоторождения с большими р(, так и сечение глубоко-неупругого рассеяния увеличивают степень роста с увеличением шкалы, определяющей степень жесткости процесса. Этот эффект' не связан с ограничением

фазового пространства в присутствии частицы с большим р(.

Рис. 4: Зависимость степени роста сечения фоторождения частиц с большими поперечными импульсами от величины квадрата поперечного импульса (а) и степень роста сечения глубоко-неупругого рассеяния от ф2 (Ь).

Модель РУТН1А Находится в хорошем согласии с данными по фоторождению. Внимательное изучение причин такого согласия показало, что главная часть эффекта объясняется правильным учетом грапиц интегрирования матричного элемента партон-партонного рассеяния по имеющемуся фазовому объему. Эффекты варьирования формы параметризации партонных плотностей в протоне и фотоне, моделирования многократных взаимодействий, а также деталей развития партонных ливней приводят к незначительным изменепиям. Следовательно, широко распространенное мнение, связывающее быстрый рост сечения рождение частиц или струй, обладающих большими поперечными энергиями, с ростом глюонной плотности, в условиях ускорителя НЕКА оказывается неверным.

В случае взаимодействия виртуальцых фотонов, дертурбативная КХДдает также качественно правильный результат, описывающий поведение данных. На рисунке 4( Ь показаны результаты вычислений с использованием двух различных параметризаций. Обе параметризации основаны на. решении уравнений ДГЛАП эволюции, но используют разную форму зависимости при пачачьном значении шкалы (}{,. Так

при Ql = 4 ГэВ партоннал плотность параметризации MRS-DO не зависит от х в области малых зпачений х (А = 0). Напротив, параметризация GRV предлагает сингулярное поведение партонпой плотности (А > 0). Это различие отражается при больших Q2 на рисунке 46. Однако, пезависимо от формы начальной параметризации вычисления дают правильный рост величины А, что из общих соображений объясняется сингулярным характером поведения самих уравнений эволюции. С другой стороны, оказывается также возможным описать данные с Q2 > 2.5 ГэВ используя только диаграмму первого ненулевого порядка а„. Качество такого описания не уступает полученному при решении уравнений эволюции с подгонкой начальных условий. Следует отметить, что формально диаграмма первого порядка а, эквивалентна верхнему блоку в лестнице эволюции.

При энергии, достигнутой па коллайдере HERA, было впервые зарегистрировано рождение адронных струй с большой поперечной энергией во взаимодействии фотона с протоном. Измерению сечения рождения струй, изучению свойств таких событий и сравнению свойств реакции образования струй в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях виртуальности фотонов посвящена девятая глава. Результаты, представленные в этой главе, были опубликованы в [7, 8].

Для вычисления сечения рождения струй в первом ненулевом порядке теории возмущения удобно выделить два следующих вклада.

• Прямое рождение двух струй в процессе слияния гамма кванта с партопом, принадлежащим протону. В случае прямого рождения две образованные струи уносят полный импульс налетающего фотона.

• Центральное рождение струй. Как обсуждалось выше, физический фотон может с определенной вероятностью находиться в качестве адронной флюктуации. При образовании струй, такое состояние описывается функцией распределения плотности партонов внутри начального фотона. Один из партонов фотона может вступить в реакцию с партоном протона. Сечение рождения струй, в этом случае, представляется сверткой распределений партопов внутри протона и фотона с сечением рождения струй при двухпартонном столкновении. Топология

такого события обычно характеризуется струями, рожденными в центральной области быстрот в системе покоя фотона и протона, а также присутствием адронов, уносящих часть продольного импульса фотона (так называемый фотонный остаток).

Дифференциальные спектры инклюзивного рождения струй da^jdEj и daev/di]", измеренные в системе покоя фотона и протона, показаны на рисунках 5 и 6. Здесь Е? и rf - поперечная энергия и псевдобыстрота струи. Положительные значения rf соответствуют направлению протона. Данные на рисунках 5 и б приведены для различных интервалов Q2 и сравниваются с предсказаниями модели HERWIG. Как следует из рисунков, прямой механизм рождения струй дает вклад, возрастающий с увеличением Q2, но не достаточен для полного описания данных. Однако, сумма вкладов прямого и центрального механизмов рождения адронных струй предлагает хорошее описание данных во всем, доступном для измерения диапазоне величин Qг, Еу и тf. В инклюзивном распределении адронных струй по быстротам центральный механизм рождения дает наибольший вклад в области вокруг rf = 0.

Для непосредственного сравнения вероятности образования адронных струй при различных значениях виртуальности фотона необходимо поделить полученные инклюзивные спектры на величину потока фотонов и нормировать на полное неупругое сечение взаимодействия фотона и протона при данной величине Q2. Из сравнения следует, что вероятность рождения адронных струй весьма медленно изменяется с увеличением виртуальности фотона. В области быстрот близкой к центральной это изменение наименее значительное. Однако, в области фрагментации фотона вклад прямого механизма растет с увеличениум Q2, что приводит к видимому росту вероятности образования струй в области быстрот rf кз —2. Представленный сравнительный анализ позволяет сделать следующие качественные заключения.

• Вероятность рождения адронных струй в событиях протон-фотонного взаимодействия растет медленно с увеличением Q2. Это обстоятельство указывает на необходимость использования единого подхода к описанию рождения струй, как в случае взаимодействия реальных фотонов, так и в случае реакции глубоко-неулрух-ош рассеяния электронов

Q2=0 GeV1

— Ht'KWIO DG ^ - - HERWIG Dirccc • H[ data

И

T3

О

■о 10

10 1 10 10

-3

10

2.6<Q2<4GeV1

нР

-------

36 < Q < 49 GeV'

V

10 20 E* (GeV)

не. 5: Дифференциальное сечение рождения струй der^/dE?1 как функция попе-ечной энергии струи в системе покоя протона и фотона для различных значений >2. Показанные на рисунке ошибки включают статистическую погрешность и не-зррелированную часть систематической ошибки. Коррелированная часть система-ической ошибки связана с неточпостью знания калориметрической шкалы энергии, апные сравниваются с предсказаниями модели HERWIG. Сплошная линия описы-1ет суммарный вклад прямого и центрального рождения струй. Пунктирная линия гвечает только за процесс прямого рождения струй.

^ 10',-г--

£> f Q = 0 GeV'

С ! • Hl dsn

\ - HERWIG DG

HERWIG Direct

V 102

"О ■8 10

1 I I I I I I <_ I I I 10

0.65 < Q < 1.2GcV"!

1.2 < Q"< 2.fi GeV" I

-La I . I ijt

bpfr

-2 -1

10 1 I ' I I I

I ... I I

-2 -1

Л

Рис. 6: Дифференциальное сечение рождения струй datr,ldr}'ei как функция псевдс быстроты струи в системе покоя протона и фотона для различных значений Q2. Пс казанные на рисунке ошибки включают статистическую погрешность и некоррелг рованную часть систематической ошибки. Коррелированная часть систематически ошибки связана с неточностью знания калориметрической шкалы энергии. Данны сравниваются с предсказаниями модели HERWIG. Сплошная линия описывает cyi* марный вклад прямого и центрального рождения струй. Пунктирная линия отвечае только за процесс прямого рождения струй.

• Относительный вклад механизма прямого рождения струн увеличивается с ростом (¡)2.

• Механизм центрального рождения струй необходим для описания данных взаимодействия фотонов с высокой степенью виртуальности.

События, содержащие струи с большим поперечным импульсом, характеризу-гся также множеством частиц, приблизительно равномерно заполняющих имею-геся пространство быстрот. Эти частицы, в частности, определяют поток энергии области, прилежащей к струям - так называемый пьедестал.

С точки зрения современных представлений, природа пьедестала адронных струй сно связана с механизмом многократных взаимодействий. Наблюдение струй в со-[тиях фоторождения открывает уникальную возможность исследования эффекта едестала. Как обсуждалось выше, в первом приближении, можно выделить два да диаграмм, отвечающих за рождение струй при взаимодействии фотона с проком: центральное и прямое рождение струй. При центральном рождении только сть энергии фотона уходит на образование струй. Оставшаяся энергия может :ть использована на вторичные взаимодействия. При прямом рождении струй фл-н взаимоттейгтпует как гамма, тсвянт г паптпттпм из ппототта тт гтогтногтыо переплет зю эпергию на образование струй. В этом случае вторичные взаимодействия от-гствуют. Таким образом, измеряя уровень пьедестала при прямом и центральном ждении струй, можно проверить гипотезу о связи эффекта пьедестала с вероятно-эЮ вторичных взаимодействий. Данные, полученные ранее на протонных коллай->ах. позволяли только косвенные проверки этой гипотезы.

Измеренная плотность поперечной энергии вне конуса струй в области псевдо-строт события |?7*| < 1 представлена на рисунке 7 как функция переменной >еделяющей долю энергии фотона, использованную при образовании двух струй, к следует из рисунка, уровень энергии пьедестала минимален в случае прямого кдения струи и увеличивается к х1,'1' = 0. Такое поведение доказывает, что эф-;т пьедестала непосредственно зависит от энергии фотонного остатка, неисполь-анной в процессе образования струй. Сравнение с моделями на рисунке 7 также детельствует в пользу этой гипотезы. Модель с выключенным мноткратным

1.4

> 1.2

о

t 1

<

0.Я

0.6

0.4

0.2

0

H1

data

PHOJET PYTHIA mio PYTHIA - min. bias

0.2

0.4

0.«

0.8

*f

Рис. 7: Измеренная плотность поперечной энергии вне конуса струй в области псевдобыстрот события (r/*| < 1 как функция переменной xif'3.

взаимодействием не воспроизводит поведение пьедестала. Интересно отметить, чтс плотность поперечной энергии в событиях прямого рождения струй совпадает сс средней плотностью поперечной энергии в полном образце событий фоторождения где большинство событий не содержат струй. Поведение пьедестала указывает н; близкое сходство в механизме образования струй в адрон-адронных взаимодействия; и при взаимодействии реального фотона с протоном. Прямое сравнение с рожде нием струй при глубоко-неупругом рассеянии электрона на протоне указывает н< единую природу механизма образования струй в адронных взаимодействиях и взаимодействиях фотонов с высокой степенью виртуальности.

Сравнение свойств реакции фоторождения и взаимодействия виртуальных фото нов убедительно доказывает, что виртуальный фотон проявляет адронпые свойств; подобно реальном}' фотону в реакции фоторождегшя. В кинематической облает! ускорителя HERA интуитивная картина, в которой виртуальный фотон обладает внутренней структурой, является удобной рабочей моделью.

В заключении сделан краткий обзор результатов, полученных в настоящей ра боте. Благодарности и список литературы завершают диссертацию.

Зсновные результаты диссертации

1иссерталтом были получены следующие результаты.

> Измерепа величина плотности потока поперечной энергии в событиях взаимодействия фотона и протона при различных значениях виртуальности фотона.

| Впервые были выделены события фоторождения с диффракционной диссоциацией фотона в адронную систему большой массы. Произведен сравнительный анализ таких событий с событиями диффракционной диссоциации виртуального фотона.

> Измерена множественность рождения заряженных частиц в полусфере фотона в событиях фоторождения и реакции глубоко-неупругого рассеяния электрона.

> Произведено измерение распределений поперечного импульса заряженных частиц в событиях фотон-протонного взаимодействия при различных значениях впртуалыюсти фотонов.

> Впервые была измерена энергетическая зависимость сечения фоторождения заряженных частиц с большим поперечным импульсом. Рост парциального се-чепия фоторождения заряженных частиц с большим поперечным импульсом как функция энергии взаимодействия сравнивается с имеющимися данными по поведению полного сечения виртуальных фотонов на протоне.

» Впервые были измерены дифференциальные сечения рождения адронных струй с большой поперечной энергией в реакции фоторождения.

> При изучении свойств событий фоторождения, содержащих адронные струи,, была впервые измерена зависимость энергии пьедестала струи от доли энергии фотона, использованной при образовании струй.

> Произведено измерение рождения адронных струй в процессе глубоко-неупругого рассеяния электрона на протоне. Полученные данные сравпиваются с измерениями фоторождения струй при одной и той же энергии взаимодействия.

Представленные в диссертации данные по фоторождению и реакции глубоко-неупруго рассеяния электрона на протоне свидетельствуют об удивительной, глубокой аналогии с адрон-адронными взаимодействиями и указывают на необходимость универсального подхода к интерпретации всей совокупности данных, включая также процесс глубоко-неупругого рассеяния.

Публикации по теме диссертации

[1] HI Collaboration. S.Aid.....A.Rostovtsev et al. Phys.Lett. B358 (1995) 412.

Щ HI Collaboration. T.Ahmed.....A.Rostovtsev et al. Nucl.Phys. B435 (1995) 3.

[3] HI Collaboration. C.Adloff, ..., A.Rostovtsev et al. Preprint DESY-97-095.

[4] HI Collaboration. C.Adloff, ..., A.Rostovtsev et al. Z.Phys. C72 (1996) 593.

[5] HI Collaboration. C.Adloff.....A.Rostovtsev et al. Nucl.Phys. B485 (1997) 3.

[6J HI Collaboration. S.Aid.....A.Rostovtsev et al. Phys.Lett. B392 (1997) 234.

[7] HI Collaboration. C.Adloff, ..., A.Rostovtsev et al. Z.Phys. C70 (1996) 17.

[8] HI Collaboration. C.Adloff.....A.Rostovtsev et al. Preprint DESY-97-179.

Подписано к печати 10.11.97 Формат 60x90 I/I6 Офсегн.печ.

7сл.-печ.л.1,5. Тираж 100 экз. Заказ 445.

Отпечатано в ЙТЭФ, II7259, Москва, Б.Черемушкинская, 25