Экспериментальное исследование односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании π † - мезонов и протонов на углероде поляризованными протонами с энергией 22 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ



/

московским государственный университет

имени м.в. ломоносова физический факультет

На правах рукописи

Ногач Лариса Васильевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНО СПИНОВ ОЙ АСИММЕТРИИ В ИНКЛЮЗИВНОМ ОБРАЗОВАНИИ 7г±—МЕЗОНОВ И ПРОТОНОВ НА УГЛЕРОДЕ ПОЛЯРИЗОВАННЫМИ ПРОТОНАМИ С ЭНЕРГИЕЙ 22 ГэВ.

Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий

диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук

Васильев а.н.

Москва, 1999

Содержание

Введение............................................................... 6

1 Теоретические и экспериментальные исследования односпи-новой асимметрии в инклюзивном образовании ^—мезонов и протонов в области фрагментации поляризованного про-

тонного пучка разных энергий 8

1.1 Экспериментальные результаты......................8

1.2 Теоретические модели и их сравнение с экспериментальными данными ............................................10

2 Описание экспериментальной установки 16

2.1 Поляризованный протонный пучок.......................16

2.2 Аппаратура для регистрации вторичных частиц..............18

2.3 Геометрическая эффективность установки......................19

3 Анализ экспериментальных данных 21

3.1 Отбор полезных событий............................................21

3.1.1 Реконструкция событий....................................21

3.1.2 Критерии отбора полезных событий ....................23

3.1.3 Оценка фона................................................27

3.2 Вычисление асимметрии..........................................31

3.3 Исследование временной стабильности данных ................32

4 Результаты 34

4.1 Сечения..............................................................34

4.2 Асимметрия ........................................................35

4.3 Ложная асимметрия................................................45

5 Расчеты эффективности 7/V0-разделения и е//*.-режекции в установке STAR для оптимизации электромагнитного кало-

риметра и детектора максимума ливня для поляризационных исследований 49

5.1 Задачи моделирования для установки STAR....................49

5.2 Характеристики электромагнитного калориметра и детектора максимума ливня .....................................50

5.3 7/7Г0-раз деление....................................................55

5.4 e/h - режекция ........................... 59

5.5 Результаты моделирования .................... 59

Заключение..........................................................................63

Библиография....................................................................................65

Список рисунков

1.1 Схема реакции р^р —> 7г+Х в модели Yamamoto ........ 12

1.2 Сравнение асимметрии, полученной в модели Yamamoto, с данными эксперимента Е704 ............................13

1.3 Сравнение предсказаний модели Трошина-Тюрина с данными при 200 ГэВ .......................... 15

2.1 Схема экспериментальной установки.............. 17

2.2 Двумерная гистограмма геометрической эффективности установки в зависимости от хр и рт в виде линий уровня..... 20

3.1 а) Распределение событий по ж-координате точки взаимодействия в мишени;

b) распределение по времени пролета между счетчиками S1 и S3;

c) распределение по времени пролета между S1 и черенков-ским счетчиком;

d) Распределение по амплитуде ADC с черенковского счетчика 24

3.2 АБС-спектр .ЙГ+-мезонов ..................... 26

3.3 Распределение по БХт^ для 7г~-мезонов в различных областях хр............................... 27

3.4 хр — Рт~диаграмма реконструированных 7Г~, тг+ и протонных событий, отобранных по ряду критериев............ 28

3.5 Асимметрия в образовании 7Г+ и 7г~-мезонов для двух хр-бинов: а) 0.55 < хр < 0.6 и Ь) 0.6 < хр < 0.65 как функция времени набора данных...................... 33

4.1 Сечения инклюзивного образования 7Г+, 7г~ и протонов как функция хр при 21.6 ГэВ/с в сравнении с данными при 24 ГэВ 36

4.2 Асимметрия в инклюзивном образовании 7Г~, 7г+ и протонов

как функция хр .......................... 38

4.3 рг-зависимость асимметрии для 7г+ и 7Г при фиксированных

4.4 ж^-зависимость асимметрии для 7Г+ и 7г при фиксированных

4.5 Сравнение 7г+-данных при 21.6 ГэВ/с и 11.75 ГэВ/с при некоторых фиксированных хр ................... . 43

4.6 ж^-зависимости асимметрии при 21.6 ГэВ ¡с и 11.75 ГэВ/с в перекрывающихся областях рт......................44

4.7 Сравнение данных для 7Г+ и 7Г~ при 21.6 ОеУ/с и 200 СеУ/с . 46

5.1 Экспериментальная и вычисленная по методу Монте-Карло форма ливня в ДМЛ, расположенном внутри ЭК после 5Хо . 52

5.2 Энерговыделение в ДМЛ в зависимости от энергии падающего фотона для различных положений ДМЛ внутри ЭК .... 53

5.3 Координатное разрешение для 7-квантов как функция глубины положения ДМЛ в ЭК................................54

5.4 Типичное распределение по ширине ливня < Я. > для кластеров, образованных одиночными фотонами и фотонами от распадов 7г°-мезонов для положения ДМЛ в ЭК после ЬХо . . 57

5.5 Степень подавления 7г°-мезонов при 80% эффективности регистрации 7-квантов для трех положений ДМЛ........ 58

5.6 Степень режекции е/Д как функция энергии падающей частицы для ЗХо и 5Х0 ....................... 60

Список таблиц

3.1 Число реконструированных событий после применения критериев отбора ............... ......... ... 29

3.2 Отношение числа событий в области ЗХт{п < 0.05 см2 к числу событий в области 0.16 < < 0.32 см2................29

3.3 Фон в области < 0.05 см2..................................30

4.1 Асимметрия для тг~ и тг+..........................................37

4.2 Асимметрия для протонов .................... 37

4.3 Асимметрия для 7г+ при 0.45 < хр < 0.55........................39

4.4 Ан(хр,рт) в инклюзивном образовании тг~ .................40

4.5 А^(хр,рт) в инклюзивном образовании 7г+ .......... 40

4.6 Ам(хр,рт) в инклюзивном образовании протонов ....... 45

4.7 Ложная асимметрия для 7г~, тт+ и протонов. БХщ^ > 0.05 см2 47

4.8 Ложная асимметрия для 7Г+ при двух пороговых значениях ЗХт{п.......... ............................................48

Введение

В 1999 году в Брукхевенской национальной лаборатории (BHJI, США) планируется ввод в эксплуатацию релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC), который предназначен для ускорения как тяжелых ионов, так и поляризованных протонов. В ядро-ядерных столкновениях (Аи — Аи) предполагается исследовать возможные проявления кварк-глюонной плазмы (КГП). В ^-взаимодействиях планируется изучать спиновую физику, в частности, получить информацию о глюонной спиновой структурной функции протона и измерить односпиновую асимметрию образования W± и Z0-бозонов.

Важным элементом коллайдера является поляриметр — установка для измерения величины поляризации пучка. Энергия каждого из двух протонных пучков будет находиться в диапазоне от 23 ГэВ (энергия инжекции из AGS) до 250 ГэВ. Следовательно, необходим поляриметр, который бы работал в этой широкой энергетической области.

Установка STAR — один из детекторов коллайдера — включает электромагнитный калориметр (ЭК) и газовый детектор максимума ливня (ДМЛ), предназначенные для идентификации образования прямых фотонов и струй, а также электронов от распадов промежуточных бозонов. Эта часть установки STAR в основном будет использована при проведении поляризационных исследований.

Данная диссертация посвящена двум аспектам поляризационной программы коллайдера: экспериментальному исследованию односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании заряженных пионов с целью использования результатов для поляриметрии на RHIC и исследованию с помощью метода Монте-Карло возможностей разделения прямых 7-квантов и 7г°-мезонов, а также е//г-режекции в установке STAR для оптимизации ЭК и ДМЛ для поляризационной физики.

Данные, полученные в эксперименте Е704 в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (ФНАЛ), показали наличие значительных по величине асимметрий в инклюзивном образовании 7г±-мезонов в области фрагментации поляризованных протонов при 200 ГэВ [1]. Было обнаружено, что поведение асимметрии сходно с характерными особенностями поляризации гиперонов, исследованной ранее в ряде экспериментов [2], что позволило сделать предположение о похожих механизмах возникновения

асимметрии в инклюзивном образовании мезонов и поляризации гиперонов. Кроме того, для гиперонов была обнаружена независимость поляризации от энергии в диапазоне от 12 до 2000 ГэВ. Исходя из предположения, что инклюзивная пионная асимметрия также не зависит от начальной энергии, был предложен поляриметр для RHIC на основе односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании заряженных пионов в области фрагментации поляризованых протонных пучков. Однако, для подтверждения этой гипотезы нужны были измерения при более низких энергиях, чем 200 ГэВ.

В БНЛ был разработан и проведен с участием диссертанта эксперимент Е925 по измерению асимметрии в инклюзивных реакциях

Р]С -> тг+Х, (0.1)

Р]С тГХ, (0.2)

ртС рХ (0.3)

с использованием поляризованного протонного пучка с энергией вблизи нижней границы энергетического интервала RHIC — около 22 ГэВ.

В данной работе анализируются данные, полученные в эксперименте Е925 в ноябрьском сеансе 1997 г. Используются следующие основные величины: анализирующая способность An, сырая асимметрия Araw и поляризация пучка Рв, которые связаны соотношением

An = Araw/PB. (0.4)

Кинематические переменные регистрируемой частицы: поперечный импульс Рт и переменная Фейнмана хр = Pl*¡Ртах*-, где Ртах* « -\/s/2, a yfs — энергия в системе центра масс (* означает переменные в системе центра масс).

Экспериментальное исследование асимметрии в реакциях (0.1-0.3) — это основная часть данной работы, и она отражена в названии диссертации.

Глюонную спиновую структурную функцию протона предполагается получить в эксперименте STAR из образования прямых фотонов, так как основной фейнмановской диаграммой этого процесса является комптонов-ское рассеяние глюона на кварке с переходом глюона в фотон. Основным фоновым процессом будет образование 7г°-мезонов с неразделяющимися у-квантами от распада.

Исследование возможности 7/7г°-разделения и отделения электронов от адронов в ЭК и ДМЛ установки STAR является второй частью настоящей диссертации. И, хотя эта работа не отражена в названии диссертации, она также напрямую связана с поляризационной программой RHIC и важна для ее выполнения.

Целью данной диссертационной работы являлось экспериментальное исследование односпиновой асимметрии в реакциях (0.1-0.3) при энергии поляризованного пучка 22 ГэВ, а также моделирование 7/7Г0-разделения и е//i-режекции с помощью ЭК/ДМЛ установки STAR для определения оптимальной конструкции этих детекторов.

Научная новизна проведенного исследования состоит в том, что впервые была измерена асимметрия в инклюзивном образовании 7г±-мезонов и протонов на углеродной мишени в области фрагментации поляризованного протонного пучка с энергией 22 ГэВ, а моделирование было выполнено для детектора STAR коллайдера RHIC, первые эксперименты на котором планируется провести в 2000 году.

Практическая ценность настоящей работы заключается в том, что данные, полученные в эксперименте Е925, будут использованы для разработки поляриметра для коллайдера RHIC. Кроме того, получены интересные физические результаты, сопоставление которых с теоретическими моделями должно улучшить понимание природы спина и его роли в сильных взаимодействиях. Моделирование же позволило определить наиболее эффективную для выполнения поставленных задач структуру ЭК и ДМЛ установки STAR.

Полученные результаты докладывались на научных семинарах ИФВЭ, Аргоннской национальной лаборатории (США), БНЛ, на 7-ом международном семинаре по спиновой физике при высоких энергиях SPIN97 (Дубна, 1997 г.), на 13-ом международном симпозиуме по спиновой физике при высоких энергиях SPIN98 (Протвино, 1998 г.). Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в работах [21, 24, 25, 29, 30]. Личный вклад автора состоит в участии в одном из сеансов эксперимента Е925, разработке критериев отбора полезных событий и метода оценки фона, получении всех физических результатов по сечениям и асимметриям, представленных в диссертации, а также проведении расчетов j/тг0-разделения и е//г-режекции для установки STAR с использованием программы GEANT.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе представлен обзор экспериментов по измерению од-носпиновой асимметрии в инклюзивном образовании ^-мезонов в области фрагментации поляризованного протонного пучка. Рассмотрен ряд теоретических моделей, и проведено сравнение их предсказаний с экспериментальными данными.

Вторая глава содержит описание экспериментальной установки. Приведены параметры поляризованного пучка и детекторов, рассчитана геометрическая эффективность установки.

Третья глава посвящена анализу экспериментальных данных. Разработаны критерии отбора полезных событий, метод оценки фона от случайных совпадений в годоскопах. Исследована стабильность экспериментальных данных во времени.

В четвертой главе представлены полученные результаты по асимметриям и сечениям. Приведены асимметрия в инклюзивном образовании 7Г+, 7Г_ и протонов в зависимости от хр (интеграл по рт) и двумерные (хр,рт)~ зависимости. Оценена ложная асимметрия. Полученные данные сопоставлены с результатами предыдущих экспериментов.

В пятой главе описаны ЭК и ДМЛ установки STAR. Приведены результаты моделирования по методу Монте-Карло отделения одиночных 7-квантов от 7г°-мезонов и электронов от заряженных пионов. Исследованы зависимость степени подавления 7Г° и степени режекции e/h от энергии и положения ДМЛ. Определена оптимальная глубина положения ДМЛ внутри ЭК.

Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе, сформулированы в заключении.

Глава 1

Теоретические и экспериментальные исследования односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании тг^—мезонов и протонов в области фрагментации поляризованного протонного пучка разных энергий

Изучение механизма возникновения в рр- или р-ядерных взаимодействиях различных спиновых эффектов, например, значительных по величине асимметрий в инклюзивном образовании мезонов, может дать важную информацию о зависящей от спина динамике взаимодействия кварков, механизме адронизации и конфайнменте кварков, и, в конечном итоге, приблизить к пониманию природы сильных взаимодействий.

1.1 Экспериментальные результаты

Значительным методическим достижением в изучении спиновых эффектов в инклюзивном образовании адронов при высоких энергиях стало получение поляризованного протонного пучка. Хотя такие эксперименты проводились ранее с использованием поляризованной протонной мишени, но фон, обусловленный примесями в ней неполяризованных нуклонов, как правило, на порядок превышающих число поляризованных протонов, затруднял инклюзивные измерения.

Первые эксперименты с использованием поляризованного протонного пучка высоких энергий {Е > 5 ГэВ) были проведены на ускорителе ZGS в Аргонне в 1975-78 гг. Измерялась односпиновая асимметрия в инклюзивном образовании ^-мезонов на жидководородной мишени, облучаемой поляризованным протонным пучком, при двух значениях импульса пучка — 6 и 11.8 ГэВ/с [3], и на водороде и дейтерии при 11.75 ГэВ/с [4] в кинематической области 0.1 < хр < 0.9. Авторы представили асимметрию для разных значений xF в виде функции от и (переменная Мандельштама — квадрат переданного четырехимпульса от налетающего протона к пиону). Были получены следующие результаты:

1) асимметрия в инклюзивном образовании пионов близка к нулю в области малых хр: затем растет с увеличением хр и достигает 30 — 40% при xF > 0.75 и-щй1 [ГэВ/с)2 (рт « 1 ГэВ/с) для тг+ и 10 - 15% (с противоположным знаком) при хр > 0.75 и —и « 0.4 (ГэВ/с)2 для 7г~;

2) асимметрия для 7Г+ и 7Г~ не зависит от энергии;

3) асимметрии, представленные в виде функции от и, имеют структурные особенности, которые не зависят от хр.

На ZGS также была измерена асимметрия в инклюзивном образовании протонов на водородной и дейтериевой мишенях при импульсе пучка 11.75 ГэВ/с в области -0.25 < xF < 0.75 и 0.2 < -t < 2.0 (ГэВ/с)2

[4]. Данные показали слабую зависимость асимметрии от энергии, ее небольшую величину и линейный рост с увеличением Хр до ~ 5% (эффект примерно 9сг).

Еще один эксперимент по измерению асимметрии в инклюзивном образовании 7г±-мезонов и протонов проводился на AGS в БНЛ в 1988-89 гг.

[5]. Поляризованный протонный пучок с импульсом 13.3 или 18.5 ГэВ/с взаимодействовал с бериллиевой мишенью. Кинематическая область эксперимента — 0 < хр < 0.6, рт < 2 ГэВ/с. Была обнаружена независимость асимметрии от энергии. Асимметрия для 7Г~ и протонов сравнима с нулем во всем диапазоне хр, а для 7Г+ — растет и при хр « 0.6 достигает ~ (5 - 10)%.

В эксперименте Е704 (ФНАЛ) была измерена односпиновая асимметрия в инклюзивном образовании 7г±-мезонов на водороде при импульсе налетающих протонов 200 ГэВ/с в кинематической области 0.2 < хр < 0.9, 0.2 < рт < 2.0 ГэВ/с [1]. Оказалось, что поведение асимметрии с ростом хр сходно с данными при низких энергиях. Но при этом была обнаружена

зеркальная симметрия асимметрий для тг+ и 7г~, которые достигали значений ~ 40% при хр pu 0.8.

Таким образом, полученные ранее экспериментальные данные по асимметриям в инклюзивном образовании 7г±-мезонов, можно разделить на две части:

• Данные при низких энергиях (6 — 18.5 ГэВ): не обнаружено энергетической зависимости асимметрии; величина асимметрии для 7г+ составляет 20 — 40% при хр > 0.6 и рт ~ 1 ГэВ/с, в то время как для 7Г~ асимметрия сравнима по величине с нулем в области хр ~ 0.4 — 0.6, а при хр >