Экспериментальное исследование эта эта- и эта штрих эта систем в области масс до 2 ГЭВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ПРИНЦИПЫ ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.

1.1. Регистрация частиц в конечном состоянии.

1.2. Особенности динамики.

1.3. Особенности кинематики.

1.4. Поиски глюболов

Глава П. АППАРАТУРА.

2.1. Установка ГАМС-2000 и условия измерений.

2.2. Система контроля ГАМС.

2.2.1. Принцип работы.

2.2.2. Импульсные светодиоды

2.2.3. Световоды.

2.2.4. Нормировка на о{-источник.

2.2.5. Надежность системы.

2.2.6. Использование системы контроля в эксперименте

2.2.7. Заключительные замечания.

Глава Ш. ОБРАБОТКА. ДАННЫХ.

3.1. Основные процедуры.

3.2. Запись ЮТ

3.3. Программа геометрической реконструкции ;.

3.4. Процедура подавления ложных у-квантов.

Глава 1У. РЕАКЦИЯ Л~р уцп

4.1. Идентификация реакции

4.2. Эффективность

4.3. Массовое и угловые распределения.

4.4. Парциальные волны.

4.5. Параметры резонансов.

4.6. Сечения образования и относительные парциальные ширины

Глава У. РЕАКЦИЯ

5.1. Общие замечания

5.2. Идентификация реакции.

5.3. Спектр масс, { -зависимость и угловое распределение

5.4. Распада и £(1590)-^{?

Глава 71. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

6.1. Природа (э (1590)-мезона.

6.2. Распады и -С""^

ЗШКНЕНИЕ.

1. Результаты

2. Благодарности.

Гр ->ГГу1 , (3.1) не представляющие интереса для этой работы, они были сохранены

43/ для использования при поиске мезонов с высоким спином ' '.

В-третьих, события, ценность которых сомнительна, не были отброшены, а были всего лишь помечены специальными битами. В этот разряд попали события с неопределенной траекторией пучковой частицы (неэффективная работа годоскопов), события, близкие по времени к нестабильностям аппаратуры (резкое изменение амплитуд контрольных запусков 1ЕЪ) и некоторые другие. При дальнейшем анализе выяснилось, что значительная часть таких "неполноценных" событий может быть с успехом использована, что увеличивает статистику примерно на 4($.

Ъ£Т содержали результаты реконструкции (число '¡('-квантов, их энергии и точки попадания в ГАМС), но не исходные амплитуды в счетчиках спектрометра. Надо сказать, что такая практика вполне оправдала себя: за все время дальнейшей работы лишь однажды оказалось целесообразным "вспомнить" реальную картину распределения энергии в ГАМС, что и было успешно проделано с использованием номеров событий, сохраненых на 3)ГГ (см. Гл. У, а также рис. II).

Результатом первого этапа обработки явились II лент Ъ$Т. В дальнейшем неоднократно служили исходным материалом для написания лент более специального назначения (отбор узкого класса процессов, результаты С-фита и т.п.), однако эти операции уже не требовали тщательной оптимизации, поскольку при необходимости могли быть быстро повторены без больших затрат ресурса ЭВМ.

Из израсходованного на этапе записи ЫТ процессорного времени ЭВМ 1С1-1906А (примерно 400 часов), более 80$ приходится на программу геометрической реконструкции.

3.3. Программа геометрической реконструкции.

Главное требование к программе реконструкции - низкий энергетический порог регистрации ^-квантов, чтобы уменьшить фон от процессов (2.3) с множественностью у-квантов К > 4. Для распознавания ^-квантов принята следующая схема:

1. Поиск максимумов в ГАМС. Под максимумом понимается, как и обычно, ячейка, энерговыдеяение в которой выше, чем в соседних.

2. Грубое определение координат и энергий у -квантов по четырем ячейкам вблизи максимума.

3. Попытка описать наблюдаемую картину энерговыделения, варьируя энергии у-квантов с использованием среднестатистической формы ливня.

4. При удовлетворительном согласии реконструкция на этом заканчивается. В противном случае операции I и 2 повторяются для разности наблюдаемого и ожидаемого распределений энергии в ГАМС, при этом находятся новые у-кванты, улучшающие согласие в пункте 3.

В этой общей схеме сделан ряд усложнений, позволяющих изменять координаты ^-квантов для лучшего согласия, а также обеспечивающих сходимость процедуры. Параметры настройки программы подбирались эмпирически, методом контроля служили известные интенсивные распады , ы з^ , . и т.д. Способности анализировать события с тремя и более перекрывающимися ливнями отдавалось известное предпочтение перед способностью различать изолированную пару близких у -квантов, так как последняя ситуация не представлялась типичной ни для искомых процессов (2.1), (2.2), ни для фоновых процессов. Типичная для процесса (2.2) конфигурация показана на рис. II (взято реальное событие).

Способность программы различать два близких ^-кванта исследовалась методом Монте-Карло. По существу это была комбинация метода случайных чисел с методом "случайных ливней", в котором ливень от у-кванта с заданными координатами и энергией берется наугад из заранее заготовленного банка /4°/. Суммарная картина энерговыделения получается простым наложением двух ливней (свойство линейности детектора). Результаты этого исследования представлены на рис. 12. Эффективность программы реконструкции быстро падает при расстоянии между ^ -квантами меньше 40 мм. Однако практически единственный источник таких мр-Л"-мезон с энергией более 30 ГэВ, а топология, содержащая такие жесткие пионы не может создать значительный фон для реакций (2.1), (2.2).

3.4. Процедура подавления ложных у -квантов.

7 /

Поскольку установка работала в интенсивном пучке ( >10 / /цикл), центральная часть детектора заметно засорена случайными сигналами. Эти сигналы вызваны адронами как из гало пучка, так и вылетающими из мишени в результате взаимодействий пионов (вероятность взаимодействия в мишени составляет примерно 4%). Несмотря на хорошее временное разрешение установки, которое определяется длительностью ворот амплитудного анализа и равно 50 не, эффект таких случайных сигналов значителен (с учетом того, что программа поиска -ливней максимально чувствительна).

Рис. II. Типичное событие реакции тс"р —т]'т)п — 4-уп , Энерговыделение в каждом элементе ГАМС представлено высотой столбика. Стрелкой показана ось пучка. йуу.мм

Рис. 12. Вычисленная методом Монте-Карло эффективность распознавания двух у~квантов в зависимости от расстояния между ними для энергий:

1-10 ГэВ + 10 ГэВ (сплошная кривая),

2-10 ГэВ + 2 ГэВ (пунктирная кривая).

Программа реконструкции часто интерпретирует их как отдельные '¡["-кванты. Иллюстрацией этого может служить спектр масс трех ^"-квантов (рис. 13а), где отчетливо виден пик, соответствующий Ч -мезону. Число событий в пике составляет ЗС$ по отношению к ^ -мезонам, интерпретированным как 2

Для подавления ложных ^-квантов необходимо ввести переменный энергетический порог, возрастающий к центру детектора. Выбор этого порога производился следующим образом. Отбирались события из ^-сезонного пика на рис. 13а и для них строился спектр масс всех возможных ^-пар (рис. 136). Яркий пик ^ -мезона убеждает в том, что третий ^-квант - действительно ложный. Таким образом, эффективный алгоритм изоляции ложных ^-квантов состоит в следующем: масса 3 ^ соответствует ^ -мезону, масса пары из этой тройки также соответствует ^ -мезону, тогда третий ^ -квант - ложный.

Форма спектра ложных ^-квантов для каждого расстояния до оси пучка и определяет требуемый порог для этого расстояния. Установленный в результате порог изменялся от 2,5 ГэВ в центре до 200 МэВ в 30 и более см от центра. Об эффективности процедуры можно судить по рис. 13в, где пик ^ -мезона отсутствует. Подобным образом процедура влияет и на другие события с ложными •¡Г-квантами, например у^Зу » «о-*^ . Уничтожение ложных ^-квантов цроизводилось после реконструкции, используя ленты

Рис. 13. а) Спектр масс трех |"-квантов непосредственно после реконструкции. Виден отчетливый сигнал распада » сопровождающегося ложным квантом. б) Спектр масс ]р-пар для событий, соответствующих пику ^ -мезона на рис. а) (3 комбинации на одно событие). в) То же, что а), но после подавления ложных ^-квантов. В спектре доминирует ы-мезон в моде распада и) Л*^ -э 3 у, ю

200

200 L а)

Jb ш

LL

600

1000

1400

M2y >МэВ гЛ

Ь)

О)

600

1000 1400

Мзу. МэВ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Предложен новый метод поиска скалярных мезонных резонан-сов, сильно связанных с глюонами (глюболов) и определены оптимальные условия измерений.

2. Развита методика контроля спектрометров типа ГАМС на базе импульсных светодиодов и гибких световодов.

3. На большой статистике изучено образование ^-пар в реакции (I), что позволило впервые провести их парциально-волновой анализ.

4. Впервые наблюдена реакция (2) совместного образования и у'чиезонов.

5. Впервые зарегистрирован редкий распад |(1270)— и измерена его относительная парциальная ширина.

6. Обнаружен не наблюдавшийся ранее скалярный 6(1590)-мезон, измерены его масса, ширина и квантовые числа.

7. Дана верхняя граничная оценка для парциальной ширины распада 6(1590)—> по отношению к распаду 6(1590)-*^,

8. Обнаружен распад 641590)-мезона на ^ и измерена его парциальная ширина по отношению к парциальной ширине распада на чч .

9. Проведен физический анализ полученных результатов. Относительная парциальная ширина распада |(1270) ^ и относительная фаза рождения и ^'-мезонов находятся в соответствии с цредсказаниями кварковой модели.

10. Проведено сравнение характеристик G (1590)-мезона с предсказаниями различных теоретических моделей. Показано, что описание необычных мод его распада встречает трудности в традиционных двух- и четырехкварковых схемах мезонов и успешно описывается гипотезой мезона с валентными глюонами - глюбола.

2. Благодарности.

Эксперименты по образованию ^ - и fy -систем проводились большим коллективом исследователей, и автор считает своим приятным долгом выразить горячую благодарность коллегам: кандидатам физ.-мат. наук Донскову C.B., Инякину A.B., Какауридзе Д.Б., Качалову В.А., Ледневу A.A., Михайлову Ю.В., Роднову Ю.В., а также Синьговскому A.B., |Старцеву A.B.], Сугоняеву В.П., Хаусто-ву Г.В. и Шагину П.М.

Мне особенно приятно поблагодарить научного руководителя член-корреспондента АН СССР профессора Прокошкина Ю.Д. за постоянное внимание и руководство работой. Его огромный опыт исследователя и светлая интуиция не раз помогали разобраться в возникавших противоречивых ситуациях и направить усилия автора по верному пути.

Большой прогресс в интерпретации полученных результатов достигнут благодаря тесному и плодотворному контакту с доктором физ.-мат. наук, профессором Герштейном С.С. и доктором физ.-мат. наук Лиходедом А.К., которым я искренне признателен.

Автор выражает благодарность Мельнику Ю.М. и Якутину А.Е. за обеспечение бесперебойной работы жидководородной мишени, а также доктору физ.-мат. наук Ходыреву Ю.С. и Маишееву В.А. - за работу по настройке магнитооптического канала.

Автор весьма признателен Садовскому С.А. за помощь и оптические замечания при обработке данных, Грудцину С.Н. за помощь в программном обеспечении, а также за многократные обсуждения. Автор благодарен также Бессонову O.A., Черняеву Е.В. и Павлову Ю.Г. за ценные консультации.

Пользуюсь случаем поблагодарить член-корреспондента АН СССР профессора Владимирского В.В. за полезные обсуждения, доктора физ.-мат. наук профессора Лаидсберга Л.Г., доктора физ.-мат. наук Зайцева A.M. и Образцова В.Ф. за доброжелательную критику.

Диссертант глубоко признателен: коллективам ускорительных подразделений и отдела пучков под руководством член-корреспоццента АН СССР профессора Наумова A.A. и докторов физ.-мат. наук, профессоров Адо Ю.М. и Котова В.И. за обеспечение эффективной работы ускорительного комплекса и канала частиц; коллективу вычислительного центра ИФВЭ под руководством Жильченкова В.Д. за обеспечение эффективной работы ЭВМ.

Автор благодарен доктору физ.-мат. наук, профессору Соловьеву Л.Д. за интерес к работе, полезное обсуждение и поддержку, а также доктору физ.-мат. наук Тюрину Н.Е. за постоянное внимание и поддержку работы.

Работу над оформлением диссертации значительно облегчила помощь Нелипович Г.И., и мой приятный долг - искренне поблагодарить ее.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

I. Результаты.

1. Апель В.Д. и др. Наблюдение реакции тс~р—7.Tin при импульсе 40 ГэВ/с.- ЯФ, 1978, 28, с.108.

2. Edwards С. et al. Evidence for an T|T| Resonance in J/ф Radiative Decays. Phys. Rev. Lett., 1982, 48, p.458.

3. Prokoshkin Yu.D. CERN/SPSC/72-52/l70, p.12; АКОПДЖаНОВ Г.А. и др. Препринт ИФВЭ 76-110, Серпухов, 1976;- Nucí, instr. Meth., 1977, 140, p.441; Давццов B.A. и др.-Препринт ИФВЭ 76-155, Серпухов, 1976;- Nucí. Instr. Meth., 1977, 145,p.267.

4. ИФВЭ 83-84, Серпухов, 1983. ЯФ, 1983, 38, с.934; - movo Cimento, 1983, 78А, p.313.

5. Gorlich L. et al. A partial-V/ave analysis of the Reaction

6. Т1Гр—К^КТ) mesuared on a polarized tarset at 18 GeV/c.-Nucl. Phys., 1980, B174, p.16.

7. Meshkov S. Glueballs. Rep. 7th Intern. Conf. on Experimental Meson Spectroscopy, BNL. Univ. Calif., LA, PRE-26748, 1983 (здесь же ссылки на оригинальные работы).

8. Edwards C. et al. Identification of a Pseudoscalar State at 1440 MeV in J/ty Radiative Decays. Phys. Rev. Lett, 1982, 49, p.259.

9. Weinstein J., Isgur N. Phys. Rev. Lett., 1982, 48, p.659.

10. Cohen I., Isgur N. Phys. Rev. Lett., 1982, 48, p.1047.

11. Ono S. Phys. Rev., 1984, D29, p.110.

12. Bloom E.D. SLAC-PUB-2976, Stanford, 1982.

13. Gottfried K. Proc. Intern. Conf. on High Energy Physics, Brighton, England (1983), p.743.

14. Scharre D.L* SLAC-PUB-2880, 1982; Meshkov S. - CALT-68-923, 1982.

15. Hitlin D. Proc. Intern. Symp. on Lepton and Photon Interactions, Cornell, 1983, p.746 (здесь же ссылки на оригинальные работы).

16. Битюков С.И. и др. Препринт ШВЭ 83-203, Серпухов, 1983.

17. Etkin А. et al. Reaction "ПГрч-ффп and Evidence for Glueballs. Phys. Rev. Lett., 1982, 49, p.1620.

18. Lipkin H.J. Phys. Lett., 1983, 124B, p.509.

19. Lindenbaum S.J. Proc. of Intern. Europhysics Conf. on High Energy Physics, Brighton, England, 1983, p.351.

20. Witten E. Nucl. Phys., 1979, B156, p.269.

21. Veneciano G. Nucl. Phys., 1979, B156, p.213.

22. Di Vecchia P. Phys. Lett., 1979, 85B, p.357.

23. Vainstein A.I. et al. Nucl. Phys., 1981, B191, p.301.

24. Герштейн C.C., Лиходед A.K., Прокошкин Ю.Д. g(1590)-мезон и возможные характерные признаки глюбола. ЯФ, 1984, 39, с.250.

25. Donoghue J.P. UMHEP-157, Univ. of Massachusetts, USA, 1981.

26. Salomone A. et al. Properties of scalar gluonium Phys. Rev., 1981, D23, p.1143.

27. Schechter J. 0(1640) in an effective-Lagrangian framework.-Phys. Rev., 1983, D27, p.1109.

28. Schankar R. Nucl. Phys., 1974, B63, p.168; Chew D.M. and Chew G.F. - Phys. Lett., 1976, 65B, p.367; Pumplin J. and. Henyey F.S. - Nucl. Phys., 1976, B117, p.377; Desai B.R. et al, - Nucl. Phys., 1978, B142, p.258.

29. Low E.E. Phys. Rev., 1975, D12, p.163; Nussinov S. - Phys. Rev, Lett., 1975, 34, p.1286; Nussinov S. - Phys. Rev., 1976, D14, p.246; Donnachie A. and Landshoff P.V. - Phys. Lett.,1983, 123B, p.345.

30. Palanо A. et al. Preprint CERN-EP/83-107, 1983.

31. Akesson et al. Phys. Lett., 1983, 133B, p.268.

32. Герштейн C.C., Логунов A.A. Препринт ШВЭ 84-37, Серпухов,1984.

33. Аллаби Д.В. и др. ЯШ, 1970, 12, с.538; - Phys. Lett., 1969, 308, p.500; Горин Ю.П. и др. - ЯФ, 1971, 14, с.998; -Phys. Lett., 1971, ЗбВ, р.415.

34. Matthiae G. Proc. of Intern. Europhysics Conf. on High Energy Physics, Brighton, England, 1983, p.714.,здесь же ссылки на оригинальные работы).

35. Трошин С.М., Тюрин Н.Е. Механизм взаимодействия адронных составляющих и рост полных сечений. Препринт ШВЭ 84-79, Серпухов, 1984.

36. Прокошкин Ю.Д. О росте сечений взаимодействия адронов. -Препринт ИФВЭ 84-97, Серпухов, 1984.

37. Прокошкин Ю.Д. Эксклюзивное образование и распад глюболов. -Препринт ШВЭ 84-98, Серпухов, 1984.

38. Бинон Ф. и др. 7f р рассеяние с перезарядкой в области малыхt| при импульсе 40 ВэВ/с. ЯФ, 1980, 33, с.1244.

39. Бинон Ф. и др. Обнаружение распада у\—if у у . ЯФ, 1982, 36, с.670; - Nuovo Cimento, 1982, 71А, p.497.

40. Апель В.Д. и др. Реакция иГр-—тс°п при импульсах от 15 ДО 40 ГэВ/с. ЯФ, 1979, 30, с.373; Uucl. Phys., 1979, В154, р.189.

41. Апель В.Д. и др. Реакция "пГр—п^п в области импульсов от 15 до 40 ГэВ/с. ЯФ, 1979, 29, с.1519.

42. Бинон Ф. и др. Наблюдение нейтрального г (2510)-мезона со спином J=6. ЯФ, 1983, 38, с.1199.

43. Бушнин Ю.Б. и др. Комбинированный спектрометр для исследования редких электромагнитных распадов мезонов (установка "Лептон-Г"). Препринт ИФВЭ 80-57, Серпухов, 1980.

44. Binon P. et al. Photomultiplier Gain Tuning System, Nucl. Instr. Meth., 1983, 214, p.269.

45. Бинон Ф. и др. Образование х~частиц в тГр соударениях при импульсе 38 ГэВ/с. Препринт ИФВЭ 83-155, Серпухов, 1983; - ЯФ, 1984, 39, с.640.

46. Apel W.D. et al Nucl. Phys., 1982, B201, p.197.

47. Apel W.D. et al. Analysis of the Reaction ТГр—7L°T|n at 40 GeV/c beam momentum. Nucl. Phys., 1981, B193, p.269.

48. Petersen J.L. CERN 77-04, 1977. ( зцвсь же ссылки на оригинальные работы).50» Bromberg С. et al. A Study of the Reaction Tlfp—^Tl*Tin at100 and 175 GeV/c. Nucl. Phys., 1984, B232, p.189.—

49. Cohen B. et al. Amplitude analysis of the К К system produced in the reactions Tt"P — K*K~n and 7t*n — K+K n at 6 GeV/c. - Phys. Rev., 1980, D22, p.2595.

50. Etkin A. et al. Amplitude analysis of the KSKS system produced in the reaction TC~p —^-KsKsn GeV/c. -Phys. Rev., 1982, D25, p.1786.

51. Pawlicki A.J. et al. Hi h-statistics study of the reactions7l"p—-K+K~n and TtVi — K*K~p at 6 GeV/c. Phys. Rev., 1977, D1.5, p. 3196.

52. Rozanska M. et al. A partial-wave analysis of the pp system produced at low four-momentum transfer in the reaction

53. TlTp—ppn at 18 GeV. Nucl. Phys., 1980, B162, p.505.

54. Ochs W. and Wagner P. Phys. Lett., 1973, MS, p.271.

55. Samios M. et al. Hadrons and SU(3). Rev. Mod. Phys., 1974, 46, p.49.

56. Болотов B.H. и др.- ЯФ, 1974 , 20, о. 1214; Phys. Lett., 1974, 52В, p.489.

57. Rev. Part. Prop., Phys. Lett., 1982, 111B, p.11.

58. Lipkin H.J. Phys. Lett., 109B, 1982, p.326 Glueballs versus quarkonium - flavor symmetry signatures.

59. Close P. Proc. of Intern. Europhysics Conf. on High Energy Physics, Brighton, England, 1983, p.361.

60. Morgan D., Pennington M.R. RL-83-126, Ruth. Appl. Lab., Chilton, England, 1983.

61. Lipkin H.J. Nucl. Phys. B7, 1968, p.321.