Экспериментальное исследование системы α π - π ° методом парциально-волнового анализа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение

1 Экспериментальная установка

1.1 Введение

1.2 Область мишени.

1.3 Область магнита.

1.4 Область LGD.

1.5 Триггер

1.6 Система сбора данных.

2 Метод парциально-волнового анализа

2.1 Основы метода ПВА.

2.2 Примеры написания амплитуд.

2.3 Специфические черты ПВА реакции -к~р —> г°р

2.4 Масс-зависимый ПВА

3 Исследование реакции 7г~р —»(л!7г~тт°р

3.1 Введение

3.2 Отбор данных

3.3 Поиск набора статистически значимых парциальных волн.

3.4 Результаты масс-независимого ПВА для каждого Jp

3.5 Контроль выбранной модели ПВА и качества описания установки

3.6 Результаты масс-зависимого ПВА.

Актуальность проблемы

Изучение свойств мезонных резонансов является одной из важнейших проблем адронной спектроскопии.

Существующие экспериментальные данные в основном согласуются с так называемой "наивной" кварковой моделью, которая рассматривает мезоны как состоящие из пары кварк-антикварк. Вместе с тем актуален вопрос о существовании так называемых "экзотических" мезонов.

Квантовая хромодинамика предсказывает существование связанных состояний отличных от "традиционных" мезонов (qq) и барионов (ддд). Например, два или три глюона могут быть связаны через обмен виртуальными глюонами. Такие связанные состояния нескольких глюонов называются глюболами. Возможны также связанные состояния глюона, кварка и антикварка - гибридные мезоны или просто гибриды (gqq), и связанные состояния двух кварков и двух антикварков -(qqqq). Все эти типы состояний называют "экзотическими" мезонами.

Квантовые числа экзотических мезонов могут принимать значения, невозможные для мезонов классических, состоящих из пары кварк-антикварк. Например, Jpc (где J - спин, a PC - соответственно Р и С чётности) для экзотических мезонов могут быть 0 , 2+, 3~+.

Эта особенность может быть использована и используется для поиска экзотических мезонов. Другим способом поиска экзотических состояний является заполнение мезонных октетов всеми известными состояниями. Обнаружение октета с несколькими частицами, занимающими одно и то-же место, будет являться указанием на экзотику. Третьим методом поиска экзотических состояний является изучение ширин распада различных состояний и обнаружение аномалий, указывающих на экзотику. Хорошим примером такого подхода является анализ мод распада состояний, содержащих rj и 7}' мезоны [1, 2]. Поскольку rj является практически SU(3) синглетом, то он связан с глюонами сильнее, чем 77 мезон. На сильную связь rj' с глюонами указывает и большое отличие его массы от массы г/ мезона, хотя кварковый состав у них практически одинаков. Поэтому если какой-либо объект распадается по каналу с 7}' мезоном более интенсивно, чем по каналу с г] мезоном, то это может служить указанием на наличие в его структуре валентного глюона.

Изучение свойств неэкзотических мезонов, а также вопрос о существовании экзотических связанных состояний важны для понимания фундаментальной природы строения вещества.

Эксперимент Е852, в котором были получены данные, используемые в представленном здесь анализе, является одним из экспериментов, в котором проводился поиск и изучение экзотических мезонных состояний. Этот эксперимент проходил в Брукхейвенской Национальной Лаборатории (США) на Многочастичном Спектрометре (Multi-Particle Spectrometer), находящемся на ускорителе AGS.

Цель диссертационной работы

Целью данной работы является экспериментальное исследование реакции

7т~~р илт~л°р. (0.1)

Исследовались два промежуточных состояния данной реакции: т~р -4 Y~p, (0.2)

• w(782)p(770)

У- w(782)p-(770), Ц782) тг+тГтг0, /Г(770) тГтг0 (0.3)

• bi(1235)x у- &;/-(1235)тГ/°, Ь-н. а;(782)тг°/-, а>(782) -> тг+тГтг0

0.4)

Практическая ценность и новизна данной работы

Изучение реакции (0.1) представляет интерес по ряду причин. Квантовая хромодинамика является чрезвычайно сложной и гибкой теорией. Это, с одной стороны, делает ее весьма мощным средством при описании взаимодействий кварков и глюонов, но, с другой стороны, сильно затрудняет численные вычисления наблюдаемых величин. Для того, чтобы облегчить этот процесс, было разработано несколько моделей, которые призваны упростить вычисления и достаточно точно предсказать интересующие нас наблюдаемые величины. Одной из таких моделей является "flux tube" модель [3, 4].

Эта модель рассматривает "классический" мезон как кварк и антикварк, соединенные между собою "трубкой", состоящей из виртуальных глюонов. У гибридного мезона эта "трубка" испытывает колебательное возмущение. Такое представление позволяет упростить вычисления, сведя их к некоему подобию вычислений для гармонического осциллятора. Распад гибридного мезона совершается через разрыв возбужденной глюонной "трубки". Модель предсказывает, что предпочтительными модами распада гибридного мезона будут распады на две qq пары, из которых одна имеет L = 1 (L здесь - орбитальный момент в qq паре), а другая - L = 0. Примерами подобных мод распада являются моды распада &i(1235)7r и /i(1285)7r. Flux tube модель предсказывает сильную связь гибридных мезонов с этими модами распада.

Впоследствии было разработано расширение модели [5], которое позволяло гибридным мезонам распадаться на две qq пары с L = 0. Примерами таких мод распада являются р(770)7Г, 777т, rf7Г. Но надо заметить, что связь гибридных мезонов с этими модами распада гораздо меньше, чем с модами распада, содержащими qq пары cL = 1hL = 0.

Как можно видеть из (0.4), исследуемая реакция является весьма преспективной с точки зрения поиска экзотических объектов. Необходимо отметить, что статистически значимые парциальные волны с квантовыми числами Jpc = 1~+ были обнаружены в системах: T)iT~ (Е179 группой КЕК [6], ВЕС ИФВЭ [11], Е852 в БНЛ [7, 8]), 7/7Г0 (группой ГАМС ИФВЭ [45]),

7/(958)71- (ВЕС ИФВЭ [11]),

Д(1285)тг- (ВЕС ИФВЭ [15, 14], Е818 [12], Е852 в БНЛ [16]), р{770)тг- (ВЕС ИФВЭ [15], Е852 в БНЛ [10]).

В работах экспериментов Е818 [12] и Е852 [7, 8, 10] был сделан вывод об указаниях на резонансную природу экзотических волн в системах /i(1285)7r, 7/7Г- и 7г+тг~7г~~. Однако, все эти результаты (опирающиеся на полученный из анализа рост фазы в экзотической волне) достигнуты в рамках достаточно ограниченных моделей ПВА с использованием ранга спиновой матрицы плотности, равного единице. Таким образом, к настоящему времени не существует ни одного твердо установленного факта наблюдения экзотических мезонов, и дальнейшее исследование волн с экзотическими квантовыми числами является весьма актуальным.

Кроме исследования экзотических объектов реакция (0.1) представляет определенный интерес и с точки зрения исследования свойств "классических" мезонов. В ней ожидается образование состояний с квантовыми числами Jp = О-, 2+,2, 3+,4+. Исследование парциальных волн с вышеуказанными квантовыми числами может дать информацию о таких состояниях, как 7г2(2100),аз(1900), й4(2040), свойства которых в настоящее время слабо изучены, а также уточнить и расширить информацию об уже хорошо известных состояниях, таких как а2(1320),тг(1800).

Новизна данной работы состоит в том, что:

• впервые изучена реакция (0.1) на протонной мишени;

• впервые для данной реакции проведен масс-зависимый анализ с одновременным включением в фит нескольких волн с различными

Jp;

Структура диссертации и защищаемые положения

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе содержится описание установки MPS, использовавшейся в эксперименте Е852. Во второй главе описан метод парциально-волнового анализа, который применялся при исследовании системы илх~ж{). В этой главе также описан метод масс-зависимого анализа. Третья глава посвящена исследованию системы а>7г7г°. Проведен масс-независимый ПВА, а также масс-зависимый анализ этой системы. Показано, что в канале сир доминируют волны с Jp = 0", 2+, 2~, 4+, и определены параметры имеющихся резонансов. В канале (1235)7Г исследованы волны с Jp = Г и 3+. Установлено наличие значимой волны 1 и получены указания на ее возможную резонансную природу, что говорит о возможном наличии в этой волне экзотического резонанса - 7Ti(1600). Получено указание и на резонансную природу волны 3+. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

Заключение

Используя данные, полученные в эксперименте Б852, впервые исследована реакция тг~р —>■ и;7г~7г0р на протонной мишени. Проведен парциально-волновой и масс-зависимый анализы системы о>7г"7г°. При этом впервые для данной реакции проведен масс-зависимый анализ с одновременным включением в фит нескольких волн с различными Jp, а также впервые для данной реакции был проведен глобальный масс-зависимый анализ по методу максимального правдоподобия одновременно для всех событий из широкого массового интервала.

Показано,что в канале ш(782)р(770) доминирующими являются волны с JPM* = 2+1+, (Г0+, 2~~0+, 4+1+

В волне JPMV = 2+1+ обнаружено присутствие а2(1320) мезона, что говорит о наличии моды распада а2(1320) —> илг~7г°. Отфитированные параметры <22(1320) мезона оказались следующими:

М = 1307 ± 2 ± 4 МэВ, Г = 110 ± 3 ± 8 МэВ, фит %2;

М = 1313 ± 1 МэВ, Г = 119 ± 3 МэВ, глобальный фит.

В волне JpMr} = 0~0+ обнаружен значимый сигнал от 7г(1800) мезона. Масс-зависимый анализ дает некоторые указания на возможность присутствия в этой волне еще одного объекта в области 1.3 - 1.5 ГэВ. В результате фитирования получены следующие параметры 7г(1800) мезона:

М = 1781 ± 12 ± 23 МэВ, Г = 204 ± 26 ± 64 МэВ, фит

М = 1774 ± 8 МэВ, Г = 188 ± 12 МэВ, глобальный фит.

Результаты как масс-независимого, так и масс-зависимого ПВА дают основание рассматривать волну JpМ1 = 2~0+, как суперпозицию двух резонансных состояний - хорошо известного 7Г2(1670) мезона и еще одного объекта в области 1.9 ГэВ, который также демонстрирует резонансное поведение.

В волне JPMT] = 4+1+ обнаружен сигнал от бц(2040) мезона, распадающегося по каналу а4(2040) —> и/(782)/>(770). Отфитированные параметры а4(2040) мезона оказались следующими:

М = 1933 ± 5 ± 23 МэВ, Г = 226 ± 11 ± 30 МэВ, фит %2;

М = 1950 ± 6 МэВ, Г = 227 ± И МэВ, глобальный фит.

В канале &i(1235)-7r доминирующими являются волны с JPMV = 1+0+, Г1+, 3+0+

В этом канале статистически значима волна с квантовыми числами JpMr} = 1~1+. Как масс-независимый, так и масс-зависимый анализ дают указания на наличие в этой волне экзотического резонанса в области 1.6 ГэВ (7Ti(1600)) с параметрами:

М = 1583 ± 6 ±17 МэВ, Г = 235 ± 15 ± 37 МэВ, фит Х2;

М = 1574 ± 13 МэВ, Г = 266 ± 21 МэВ, глобальный фит.

Глобальный логарифмический фит также дает указание на наличие и статистическую значимость объекта в области 1.9 - 2.0 ГэВ в волнах с JPM* = 1"1+.

В волне JPM7? = 3+0+ впервые для этой системы наблюден сигнал от распада аз(1900) —» 6i(1235)/7r. Параметры аз(1900) мезона, полученные в результате фитирования, равны:

М = 1895 ± 7 ± 17 МэВ, Г = 240 ± 13 ± 59 МэВ, фит х2;

М = 1872 ± 11 МэВ, Г = 269 ± 19 МэВ, глобальный фит.

Благодарности

Диссертация основана на научных трудах, выполненных совместно с коллективом, принимающем участие в сотрудничестве Е852, и автор считает своим приятным долгом выразить благодарность всем коллегам по сотрудничеству, принимавшим участие в разработке, изготовлении и настройке детектора, обеспечении его работы, сборе и обработке данных эксперимента Е852. Особую благодарность хотелось бы выразить профессору С.У. Чангу, сотрудничество с которым позволило существенно развить технику анализа, а также поблагодарить А. Островидова, К. Ольшанского, И. Качаева, В. Липаева, Г. Виллюц-кого и Р. Хайкенберга за многочисленные и полезные обсуждения вопросов, относящихся к этой работе, а также за организацию необходимых условий для успешной обработки данных эксперимента Е852.

Я глубоко признателен моим научным руководителям: член - корреспонденту РАН Сергею Петровичу Денисову и кандидату физико-математических наук Дмитрию Игоревичу Рябчикову за постановку задачи и научное руководство.

Я также благодарен кандидату физико-математических наук С. А. Садовскому за ценные замечания в процессе написания этой работы и кандидату физико-математических наук Д.А. Стояновой за помощь, оказанную при оформлении текста диссертации.

Я благодарен Дирекции ИФВЭ за поддержку участия нашего института в сотрудничестве Е852. Хочу также выразить свою благодарность коллективу Отдела математики и вычислительной техники за обеспечение эффективной работы ЭВМ.

1. С.С. Герштейн, А.К. Лиходед, Ю.Д. Прокошкин , ЯФ т.39 (1984) 251;

2. С.С. Герштейн, Препринт ИФВЭ 87-42, Серпухов, 1987.

3. G.V. Borisov, S.S. Gershtein, A.M. Zaitsev, Preprint IHEP 92-14, Protvino, 1992

4. N. Isgur, J. Paton. Flux-tube model for hadrons in QCD. Physical Review D, 31(11): 2910-2929, June 1985

5. R. Kokoski, N. Isgur. Meson decays by flux-tube breaking. Physical Review D, 35(3): 907-933, February 1987

6. F.E. Close, P.R. Page. The production and decay of hybrid mesons by flux-tube breaking. Nuclear Physics, B443:233-254, 1995

7. H. Aoyagi et al., Phys. Lett. B314 (1993) 246.

8. J. Thompson et al., Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 163.

9. C.U. Chung et al., Phys. Rev. D60 (1999), p.92001

10. J.J. Manak et al., Phys. Rev. D62 (2000), p.012003

11. G.S. Adams et al., Phys. Rev. Lett. 81 (1998), p.5760

12. G. Beladidze et al., Phys. Lett. B313 (1993) 245.

13. J.H. Lee et al., Phys. Lett. B323 (1994) 227.

14. D.Ryabchikov et al., "Study of exotic mesons on the VES setup" Proc. of HADRON 95, Manchester, UK, Aug. 1995

15. A. Zaitsev et al., "Search for exotic mesons in multiparticle final states" Proc. XXVIII Int. Conf. on High Energy Physics, Warsaw, 1996

16. D. Amelin. "Status of 0~+ in and тг+7г-7г~ channels" Proc. of Vllth Int. Conf. on Hadron Spectroscopy, 1997, Upton, New York, edited by S. Chung and H. Willutzki (American Institute of Physics Conference Proceedings No.432), p.770

17. Т. Adams et al. Design and performanceof a cesium iodide detector. NIM, A368( 1996), pp.617-627

18. S. Eisman et al. The MPS II drift chamber system. NIM, 217(1983), pp. 140-148

19. R.R. Crittenden et al. A 3000 element Lead Glass Electromagnetic Calorimeter. NIM, A387 (1997), pp. 377-394.

20. A. Abele et al., EPJ, C8, p.67.

21. C. Daum et al., Phys. Lett., 89B, p.281.

22. J.A. Dankowych et al., Phys. Rew. Lett., 46, p.580.

23. A. Ando et al., Phys. Lett., B291, p.496.

24. D. Barberis et al., Phys. Lett., B422, p.399.

25. M. Acciarri et al., Phys. Lett., B413, p.147.

26. V.K. Grygorev et al., PAN, 62, p.470.

27. H. Albrecht et al., ZPHY, C74, p.469.

28. A. Bertin et al, Phys. Lett., B414, p.220.

29. A. Abele et al., Phys. Lett., B380, p.453.

30. M. Zielinski et al., Phys. Rew., D30, p.1855.

31. G. Bellini et al., Phys. Rew. Lett., 48, p.1697.

32. R.A. Aaron, R.S. Longacre, Phys. Rew., D24, p. 1207

33. M. Bonesini et al., Phys. Lett., 103B, p.75.

34. M.G. Bowler et al., Nucl. Phys., B97, p.227.

35. D. Amelin et al., Phys. Lett., B356 (1995) 595.

36. Daum et al., Nucl. Phys., B182 (1981) 269.

37. Cleland et al., Nucl. Phys., B208 (1982) 228.

38. Baldi et al., Phys. Lett., 74B (1978) 413.

39. Corden et al., Nucl. Phys., B136 (1978) 77.

40. D.V. Amelin et al., PAN, 62, p.445.

41. S.V. Donskov et al., PAN, 59, 982.

42. J.D. Hansen, Nucl. Phys. B81 (1974) 403.

43. I.J.R. Aitchison Nucl. Phys. A189, 417(1972)

44. S. Chung and T. Trueman, Phys. Rev. Dll (1975) 633.

45. C. Zemach, Phys. Rev. B140 (1965) 97.

46. Particle Data Group, Phys. Rev. D54 (1996) 1.

47. C. Daum et al., Nucl. Phys. B187 (1981) 1.

48. Д.В. Амелин и др., ЯФ, т.62(1999), стр. 487-495

49. К.М. Watson. Phys. Rev., 1952, Vol.88, p.1163

50. A.B. Migdal. Soviet Physics JETP, 1955, Vol.1, N.l, p.2

51. Д.В. Амелин и др., ЯФ, т.59, стр.1021

52. Berdnikov et al., Phys. Lett., B337, p.219

53. F. James. Determining the ststistical significance of experimental results. In C. Verkerk, editor, Proceedings of the 1980 CERN School of Computing, Geneva, Switzerland, September 1980, CERN, pp. 182219