Эксперименты на пучках протонов высоких энергий: упругая дифракция, кумулятивные процессы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Р Г Б ОД

1-96-133

На правах рукописи УДК 539.171.112 539.172.12

золин

Леонид Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА ПУЧКАХ ПРОТОНОВ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ: УПРУГАЯ ДИФРАКЦИЯ, КУМУЛЯТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Специальность: 01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Дубна 1996

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследовании.

Официальные оппоненты : -

*

доктор физико-математических наук, Ажгирсй

профессор Леонид Степанович

доктор физико-математических наук, Граменицкий

профессор Игорь Михайлович

доктор физико-математических наук, Крышкин

профессор Виктор Иванович

Ведущее научно.-исследовательское учреждение -Институт физики высоких энергий, г. Серпухов.

Защита диссертации состоится " в /г? час. на :

состоится " Г --' » ** 1996 г.

заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований по адресу : г. Дубна, Московской области, Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, конференц-зал ЛВЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ. Автореферат разослан " <Й 1996 г-

Ученый секретарь

диссертационного совета • иЧуи<Ч-Сь>иЛ' М.Ф. Лихачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации представлен цикл исследований, выполненный на пучках протонов высоких энергий в период с 1970 по 1990гг. Объединяющей методической основой этого цикла было использование метода тонких мишеней па внутреннем пучке ускорителей высоких энергий. Многократная циркуляция пучка через мишень в течение цикла ускорения предоставляет упикальную возможность исследовать энергетическую зависимость реакций с участием протонов в широком диапазоне энергий - от энергии, близкой к энергии ипжекции, до номинальной энергии ускорителей. В ходе экспериментов было развита методика использования мишепей трех типов: пленочных, нитеобразных и струйных, газовых. Целесообразность применения тонких мишеней па внутренних пучках ускорителей для выполнения определенного класса экспериментов с фиксированными мишенями в настоящее время общепризнана и мишени этого типа широко используются практически на всех эксплуатируемых циклических ускорителях высоких энергий.

Описанные эксперименты посвящены исследованию упругого рассеяния протонов на протонах в области малых переданных импульсов (упругая дифракция) при энергиях от 10 до 400 ГэВ и кумулятивному рождению адронов в протон-ядерных взаимодействиях при энергиях от 15 до 65 ГэВ. Представленные в диссертации физические результаты были получены в экспериментах па двух крупнейших ускорителях протонов - ускорителе Института физики высоких энергий (Серпухов) на 70 Гэв и протонном синхротроне Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (ФНАЛ, США) на 400 ГэВ.

Актуальность работы. Изучение упругого рассеяния адронов играет важную роль в построении целостной картины сильных взаимодействий, при этом особое внимание привлекают экспериментальные данные по упругому рассеянию при высоких энергиях. Они являются основой, на которой строятся модели теории, описывающие механизм сильных взаимодействий в широкой области пространственно-временного континуума: модели с обменом реджизованпыми частицами, оптические и квазипотенциальные модели, кварковые модели и др. Эксперименты по упругому рассеянию предоставляют также возможность проверки следствий фундаментальных принципов теории: дисперсионных соотношений, правил сумм, асимптотических соотношений.

В релятивисткой квантовой теории поля фундаментальную роль играют такие принципы, как лоренц-инвариантность, унитарность, аналитичность и кроссинг-симметрия. Приложение этих принципов к бинарным реакциям

а + Ь -»• а' + Ь'

позволяет вывести ряд следствий для поведения амплитуды рассеяния адронов при конечных энергиях и в асимптотике (з —► со), часть из них может быть экспериментально

проверена при доступпых для эксперимента энергиях. Наибольшее внимание при анализе экспериментальных дапных по полным и упругим сечениям привлекают следующие три соотношения:

(i) дисперсионные соотношения , связывающие энергетическое поведение реальной ReAn(s) и мнимой ImAn(s) частей амплитуды рассеяния, для амплитуды рассеяния вперед ReAn(s,t = 0) может быть связана через оптическую теорему с поведением полных сечений <гт(з);

(ii) ограпичепие Фруассара на степень роста амплитуды при s —> оо

0)| < const • s In^s, cry < const ■ ln2s.

(iii) теорема Померанчука , устанавливающая равенство полных сечений взаимодействия частиц и античастиц при s —» оо и имеющая своим условием ограничение на степень роста отношения реальпой части амплитуды к мнимной

цт ДеЛ„(М = 0) 1 ^ q ImAn(a, t = 0) ln(s/s0)

Наиболее детально экспериментальная проверка указанных соотношений выполнена в протоп-протонном и пиоп-протонном рассеяниии. Изучение механизма сильных взаимодействий на основе исследования нуклон-нуклонного рассеяния предоставляет ряд возможностей, недоступных в экспериментах с частицами другого типа. Основное из них - широта энергетического диапазона, верхний предел которого в лабораторных условиях определяется возможностями рр- и рр -коллайдеров. Очень эффективной является методическая возможность использования в экспериментах с фиксированными мишенями многократной циркуляции внутренних пучков протонов (антипротонов) через тонкие мишени. Представленные в диссертации физические результаты по упругой дифракции протонов получепы с использованием данной методики.

Другое направление исследований с использованием пучков протонов высоких энергий, которое активно развивалось последние два десятилетия, - это изучение реакций кумулятивного типа

р + А -* h(9 > 90°) + X

с вылетом быстрых частиц, продуктов фрагментации ядра, в заднюю полусферу. Кинематически эти реакции выделены тем, что кумулятивные частицы не могут быть рождены па свободном покоящемся нуклоне и, следовательно, эти реакции являются специфически ядерными с участием в процессе взаимодсствия нескольких сильно скоррелировап-ных нуклонов ядра. В наиболее общем подходе такие образования в ядрах можно воспринимать как флуктуации плотности ядерной материи - "флуктоны" (по предложению Д.И.Блохиццева). К расшифровке механизма образования подобных сгустков адронной материи в ядрах следует, очевидно, подходить с позиций современной теории сильных

взаимодействий, квантовой хромодинамики. Ядра могут служить тем полигоном, где должна проверяться недостроенная часть этой теории - хромодинамика больших расстояний. Актуальность этого направления исследований общепризнана.

Кумулятивные процессы следует отнести к классу глубоко-неупругий реакций с участием ядер. Сечения реакций этого типа очень малы, поэтому соответствующие эксперименты требуют создания условий с высокой светимосью мишеней. Методика тонких внутренних мишеней позволяет обеспечить высокие светимости (порядка Ь — 1034) при небольшом количестве вещества в мишепи и относительно невысоком потреблении общей интенсивности внутреннего пучка ускорителей 1%).

Цель работы. При выполненнии представленных в диссертации исследований решались следующие задачи. В опытах по упругой дифракции:

- измерение дифференциальных сечений в упругом рр-рассеянии в области переданных импульсов до |2| ~ 0.15(ГэВ/с)2 с целью изучения энергетической зависимости параметра наклона дифракционного конуса при энергиях до 400 ГэВ и получения данных по полным упругим сечениям;

- измерение дифференциальных сечений рр-рассеяния в области кулон- ядерной интерференции (|<| ~ 10-3(ГэВ/с)2) с целью изучения энергетической зависимости реальной части амплтитуды рассеяния при энергиях от 10 до 400 ГэВ;

- сопоставление в рамках дисперсионных соотношений данных по отношению реальной части амплитуды к мнимой с данными по полным сечениям с целью проверки выполнимости дисперсионных соотношений для амплитуды рр-рассеяпия в исследованном диапазоне энергий и прогнозирования поведения полных сечений при более высоких энергиях, недоступных в настоящее время на ускорителях.

В эксперименте по исследованию кумулятивного рождения адронов:

- изучение энергетической и А -зависимостей кумулятивного образования адронов в интервале энергий от 15 до 65 ГэВ с целью проверки скейлингого поведения кумулятивных сечений в области выхода па режим предельной фрагментации ядер и получения новых по А-зависимости сечений для кумулятивных частиц разного типа в широком интервале кумулятивных чисел;

- проведение численных расчетов на основе модели ядерного каскада с целью оценки искажений спектров кумулятивных частиц вторичными взаимодействиями в ядрах;

- измерение поляризации кумулятивных протонов с целью изучения роли спиновых эффектов в кумулятивных процессах.

Помимо научных решались следующие методические задачи:

- разработка электронной методики с использованмем полупроводниковых детекторов для регистрации частиц отдачи в экспериментах на внутреннем пучке циклических ускорителей;

- разработка методов формирования сверхзвуковой газовой струи в вакууме для создания газовых мишеней, работающих на внутреннем пучке ускорителя;

- создание конструкций пленочных и нитяных мишеней, обеспечивающих выполнение длительных экспозиций на внутреннем пучке ускорителя, и отработка схем стабилизации сброса пучка на топкие мишени.

Научная новизна работы. Новизна полученных результатов была обеспечена тем,что

• в опытах по упругой дифракции измерения проводились в неосвоенном ранее диапазоне энергий с подвижением в область рекордно малых значений переданных импульсов и обладали статистической точностью, превышающей достигнутую в предшествующих экспериментах. Детальное изучение упругой дифракции в области энергий от 10 до 400 Гэв привело к открытию "Закономерности изменения радиуса сильного взаимодействия протонов при высоких энергиях" (N0. 244 в Государственном реестре открытий СССР);

• исследование образования кумулятивных адронов в протон-ядерных взаимодействиях впервые было проведено в области энергий от 15 до 65 ГэВ с одновременной регистрацией выхода частиц во всем указанном диапазоне энергий, что позволило минимизировать систематические погрешности в исследовании энергетической зависимости кумулятивных процессов. Впервые А-зависимость выхода кумулятивных мезонов при углах выхода близких к 180° была подробно изучена в диапазоне кумулятивной переменной хс от 0.6 до 1.8, что позволило обнаружить сильную корреляцию степени А-зависимости со значением кумулятивного числа

• впервые в области энергий свыше 1 ГэВ спиновые эффекты в кумулятивном рождении протонов были измерены с точностью, позволяющей дать достоверное заключение об их величине и энергетической и импульсной зависимости.

Научная и практическая значимость полученных результатов заключается в том, что они позволили провести экспериментальную проверку правомерности многих теоретических подходов в области физики ядра и элементарных частиц и внесли существенный вклад в экспериментальную базу данных, необходимую для построения законченной теории сильных взаимодействий. Полученные физические результаты и методические разработки, выполненные при развитии метода тонких внутренних мишеней, рекомендуется использовать при планировании новых экспериментов на циклических ускорителях высоких энергий.

Апробация работы и публикации. Работы, вошедшие в диссертацию, докладывались на семинарах в ЛВЭ и ЛТФ ОИЯИ, в ИФВЭ (Серпухов), ИТЭФ (Москва) и

ФНАЛ; на проблемных семинарах и рабочих совещаниях: Дубна,1982г. и Нор-Амберд, 1988г.(Армения); на международных коференциях по физике высоких энергий в Киеве (1970), Чикаго (1972); на Международном семинаре по проблемам физики высоких энергий в Дубне (1986, 1988, 1990гг.); на Международной конференции по спиновой физике высоких энергий в Бонне (1990), па 2-й Международной конференции по реакциям вблизи порога (1992г., Уппсала, Швеция).

Объем диссертации. Диссертация состоит из вступления и двух разделов: раздела 1 ("Упругая дифракция") из 11 глав и раздела 2 ("Кумулятивные процессы") из 7 глав. Работа содержит 315 страниц текста, включая 259 рисунков и списки цитируемой литературы. Список цитируемой литературы раздела 1 содержит 144 наименований и список цитируемой литературы раздела 2-117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вступлении объяснен принцип изложения материала диссертационной работы, в которой представлепо два цикла исследований: по упругой дифракции и кумулятивным процессам. Оба цикла исследований выполнены на внутренних пучках двух протонных ускорителей - ускорителе на 70 ГэВ (У-70) Института физики высоких энергий (г. Серпухов) и ускорителе на 400 ГэВ (У-400) Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (г. Чикаго, США). Методической основой выполненных экспериментов было использование метода тонких внутренних мишеней. Описанию соответствующих методических разработок в диссертации уделено значительное внимание.

Раздел 1 посвящен описанию постановки и изложению результатов двух экспериментов по исследованию протон-протонного упругого рассеяния в области малых переданных импульсов: (1А) эксперименту по рр -рассеянию при энергиях от 9.5 до 70 ГэВ, поставленному на ускорителе У-70 ИФВЭ, и (1Б) эксперименту по рр -рассеянию в области энергий 50-400 ГэВ, выполненному па ускорителе У-400 ФНАЛ.

В главе 1 "Цели и методы изучения упругого рассеяния адронов" кратко изложены теоретические аспекты исследования рассеяния адронов при высоких энергиях и обсуждаются два методических подхода в экспериментах по изучению упругого рассеяния адронов на малые углы при высоких энергиях. Отмечаются особенности метода регистрации частицы отдачи и его преимущества при высоких и сверхвысоких (> ЮОГэВ) энергиях: угол вылета и энергия частицы отдачи при фиксированном переданном 4-х импульсе очень слабо меняются с ростом энергии первичных протонов и область кулон-ядерной интерферепции остается свободной от фона неупругих NN-взaимoдeйcтвий в мишени.

Вшшрсдмля мишеч« -стр^в

Рис.1. Спектры протонов отдачи от пленочной и газовой мишеней. Применение водородной газовой мишени многократно улучшает отношение "эффект/фон".

Глава 2 посвящена описанию мишеней, используемых в спектрометрах частиц отдачи - пленочных и струйных,газовых. Обсуждаются требования, предъявляемые к мишеням этих типов, условия их эксплуатации и ограничения, связанные с их использованием па внутренних пучках ускорителей. При исследовании рр -взаимодействия существенным недостатком используемых водородосодержащих пленочных мишеней является наличие в мишени ядер углерода, который является источником фона, ограничивающего точность измерепий при |1| < 0.01. Несмотря на рекордно малую толщину пленок 1мкм) эффект многократного рассеяния на ядрах углерода является дополнительным фактором, ограничивающим точность измерений в области кулоновской интерференции. Проблема создания чисто водородной бесстепочной мишени, пригодной для использования в вакуумной камере ускорителя, была решена в результате разработки газовой струйной мишени с гелиевым конденсационным насосом специальной конструкции [1,2]. В главе 2 кратко описаны конструкции мишеней, использованных в эксперименте на ускорителе У-70, и их рабочие характекристики. Вид спектров частиц отдачи с использованием мишеней двух типов, пленочной и газовой, показан на рис.1.

В главе 3 описаны детекторы и регистрирующая электроника спектрометра частиц отдачи па ускорителе У-70 ИФВЭ. Обсуждаются характеристики детекторов, особенности их эксплуатации в вакуумной камере ускорителя, описаны способ контроля энергетического разрешения и метод калибровки спектрометрических каналов. С целью одновременного измерения дифференциальных сечений в зависимости от нескольких кинематических переменных была создана многопараметровал спектрометрическая уста-

Рис.2. Блок-схема аппаратуры эксперимента на ускорителе У-70.

новка (МПСУ), обеспечившая возможность регистрации энергетических спектров частиц отдачи в каждом цикле ускорения одновременно в 8-ми угловых точках и 64-х интервалах энергии первичных протонов. Созданная установка, работающая на линии с ЭВМ, была одним из первых отечественных on-line спектрометров, разработанных для целей физики высоких энергий [2,3]. Связь с ЭВМ обеспечивала, помимо накопления рабочей информации, автоматический контроль состояния аппаратуры, проведение калибровочных процедур и выборочную контрольную обработку данных. Общая блок-схема аппаратуры эксперимента на ускорителе ИФВЭ представлена на рйс.2. Важным условием обеспечения оптимальных условий регистрации и защиты пленочных мишеней от быстрого разрушения была стабилизация уровня сброса пучка на мишень. Эта задача была решена путем разработки схемы обратной связи для управления радиальным положением пучка в камере ускорителя.

В главе 4 рассмотрены вопросы обработки экспериментальных данных. Анализ данных по упругому рр-рассеянию проводился на основе интерференционной формулы Бете для бесспиновых амплитуд

^ = [|ЛС|2 + |Лп/|2(1 + а2) + 2Ас ■ A„i(a + <5)] • ехР(Ы) , (1)

где а = Апя/Ап[ - отношение реальной части ядерной амплитуды к мнимой, 6 -характеризует сдвиг фаз кулоновской Ас и и ядерной А„ амплитуд. Согласно Бете 8 = 2п • 1п(ф/9) = здесь /?л -скорость протона в л.с.; к -волновой век-

0.0)5 0.02 -■Цгзв/С)2

Рис.3. Дифференциальное сечение рр -рассеяния при энергии 70 ГэВ.

тор в с.ц.м.; а -радиус области сильного взаимодействия. Кулоновская амплитуда Ас -величина строго вычисляемая, мнимая часть ядерной амплитуды Л„/ связана с полным сечением оптической теоремой

АП1(з^ = 0) = ат/(Шу/я).

(2)

Ядерный и электромагнитный формфакторы нуклона аппроксимируются экспонентой ГС = ГП = ехр(Ы/2).

Экспериментально измеряемыми в пашем опыте были две Б-зависимые величины: параметр а и параметр наклона дифракционного конуса Ь, характеризующий £ -зависимость амплитуды рассеяния. Измерение параметра Ь было выполнено в интервале переданных импульсов 0.01 < < 0.12 на первом этапе эксперимента с использованием пленочной мищепи [4]. Для получения отношения реальной части амплитуды к мнимой а были использованы измерения, проведенные с водородной струйной мишенью в более узком угловом интервале с приближением к минимально малым значениям ~ 0.001. Зависимость дифференциальных сечений от £ была вычислена для восьми значений энергии первичных протонов от 9.4 до 70 ГэВ. Для каждого энергетического интервала значение сечений было измерено в ~ 70 — 80 угловых точках со статистической ошибкой в каждой точке ~ 3 — 4% (рис.3). Для обработки экспериментальных данных был разработан пакет фортранных программ СОШТ, который обеспечивал скорость обработки ~ 1000 соб./мип. на ЭВМ типа БЭСМ-6.

В главе 5 приведены результаты эксперимента при энергиях 10-70 ГэВ, проводится сопоставление с данными предшествующих экспериментов и обсуждается их соответствие теоретическим предсказаниям, основанным на дисперсионных соотношениях [5,6].

0.5

0.4

=0.3

0.2

□ 1

Р-Р

"Г~П

) 2 4 го го ад юо зоо юоо гооо Р (гзв/с)

Рис.4. Экспериментальные данные по полному сечению упругого рр -рассеяния свыше 2 ГэВ. • - наши результаты, остальные точки - данные предшествующих измерений.

Роеу/с

Рис.5. Экспериментальные данные для отношения реальной части амплитуды к мнимой арр в интервале импульсов протонов от 5 до 70 ГэВ, • - результаты данного эксперимента. Сплошная кривая из [4], штрих-пунктирная - расчет Зодинга (Р.ЯосИпд, РИуз.Ьеи.8,283,1964).

На основе измеренных диференциальных сечений и полученных данных по реальной части амплитуды упругого рассеяния были вычислены полные упругие рр -сечения с точностью, превосходящей результаты большинства предшествующих экспериментов. Соответствующие данные показаны па рис.4. Если полное сечение рр -взаимодействий при серпуховских энергиях меняется незначительно, переходя от режима падения к режиму роста, то полное упругое сечение продолжает монотонно падать, отражая как факт сужения дифракционного конуса так значительное уменьшение по абсолютной величине реальной части амплитуды рассеяния.

Основной результат эксперимента в Серпухове, зависимость параметра а = Апц/Ап1 от энергии, показан на рис.5. В интервале импульсов первичных протонов от 9.4 до 70 ГэВ/с абсолютная величина а монотонно уменьшается от значения 0.35 до 0.09. Сопоставление поведения реальной части амплитуды рр-рассеяния с расчетами по дисперсионным соотношениям и предсказаниями аксиоматики показало, что в области энергий до 70 ГэВ эксперимент и теория дают согласованную картину для нуклон-нуклонного рассеяния. Было снято противоречие, которое дискутировалось в связи с аномальным поведением данных группы ЦЕРН (см. точки "Ве11еШш е1 а1." па рис.5).

Главы 6-10 посвящены описанию исследования упругой дифракции протонов при энергиях до 400 ГэВ, продолженному ускорителе ФНАЛ в рамках эксперимента Е-36 [7,8]. Схематическое изображение ускорительного комплекса представлено на рис.6. Постановка эксперимента Е-36 была основана на методических и технических разработках, выполненных при проведении предшествующего эксперимента на У-70. Однако весь комплекс аппаратуры был существенно модернизирован и, в частности, изготовлена струйная мишень новой конструции (рис.7). В диссертации подробно изложены методические аспекты выполнения эксперимента Е-36, чтобы отразить тот дополнительный методический опыт постановки экспериментов по упругой дифракции, который был приобретен в ФНАЛ.

В главе 6 дано описание техники эксперимента Е-36, включая описание конструкций и характеристик роторной и газовой мишеней, детекторной сборки, калибровочных процедур. Обсуждаются фоновые условия на ускорителе У-400 и способы учета и вычитания фона. Отношение эффект/фон при работе с водородной газовой мишенью иллюстрируется спектрами на рис.8. Кратко описана электронная логика съема данных и организация приема на ЭВМ РБР-П. Обсуждаются источники систематических ошибок: мертвое время аппаратуры; эффективность детекторов; искажения спектров, связанные со вкладом пеупругого канала; геометрические погрешности; влияние рассеянных магнитных полей; неточность энергетической калибровки детекторных каналов.

Глава 7 посвящена анализу данных по дифракционному пику и определению па-

Рис.6. Ускорительный комплекс ФНАЛ (1972г.). На прямолинейном проме}кутке СО располагалась мишень и оборудование эксперимента Е-36 (Internal Target Area).

раметра наклона дифракционного конуса. При накоплении данных по дифракционному пику использовалась пленочная роторная мишень. Протоны отдачи регистрировались вне области кулоновской интерференции при значениях передач |<| от 0.01 до 0.18 (ГэВ/с)2 (рис.9) , где эффект многократного рассеяния и углеродный фон не ухудшали значительно условия выделения упругого пика. В этом интервале t наиболее существенными видами коррекции были поправки на ядерные взаимодействия в кремниевых детекторах ( до 10%) и неупругие рр-взаимодействия в мишени. В интервале энергий от 50 до 400 ГэВ угловой сектор для протонов отдачи, свободный от пиков дифракционного возбуждена протона, сужается по мере увеличения энергии. Поэтому вычитание вклада неупругих пиков от реакции рр —► N'(A)p в указанном интервале t становиться необходимой в области энергий свыше 150 ГэВ, где величина поправок превышает 1%.

Измеренная энергетическая зависимость параметра наклона b(s) показана на рис.10, совместно с данными других экспериментов. Область данных, полученных в ФНАЛ, аппроксимируется линейной зависимостью

b(s) = &„ + la'In з = (8.23 ± 0.27) + 2(0.278 ± 0.024)/п з(ГэВ/с)"2 . (3) Подобное линейное поведение предсказывается Редже моделью с одиночным полюсом.

BEAM

Рис. 7. Газовая струйная мишень эксперимента Е-36 в ФИАЛ: 4 -сопло и система коллиматоров; 5,6 -верхний и нижний коденсационные крионасосы; И -камера ускорителя; 12 -вакуумный затвор (мишень выведена из камеры ускорителя в шлюз над затвором).

№ M-U

I /\-1-0.001 l-t-0.0024 Л-(.0 0032

Cl^lUC

0.5 1 1.5 2 1 0.5 1 2 3 1 3 5

1.5 2 1 0.5 1 2 3 1 3 RECOIL PROTON ENERGY

Рис.8. Е -спектры частиц отдачи от водородной газовой мишени, рабочие и фоновые спектры наложены друг на друга. Указаны значения 4-х импульса I, соответствующие центру упругих пиков.

—--»-' I-1-1-1-1_I_I_

0 0 0 02 0 04 0.06 0.08 010 0.12 0.14 0 16 0.1) 0 20

|t| (GeV/c)'

Рис.9. Дифференциальное сечение при энергии 132 ГэВ из данных по параметру наклона дифракционного конуса.

14 13

12

7 п §

41

2 10 о

9 8 7

100 1000 10 000 s (GeV)'

Рис.10. Параметр наклона дифракционного пика b(s) для |/| < 0.18(ГэВ/с)2 при энергиях свыше s=10 ГэВ2. +,• -данные экспериментов в Серпухове [5] и ФИАЛ [7J. Сплошная кривая - Редже фит с включением только Померона, штриховая кривая - с дополнительным включением f и и> траекторий.

005 .010 015 020 .025 .030 .035

III <СМ/С>'--

500

400

300

£8 400

III (С«у/с) — 3 2 4 « 8 10»

!', /8Е$Т Г1Т ГОЯ <Гт«40тЪ V / р **0040 у х'/<1.1-1.6

Р" 0.025

.005 .010 .013 ого .023 .030 .033 III (БвУ/с)' —

(а) <Ь)

Рис.11. Дифференциальные сечения упругого рр -рассеяния при энергиях 50 и 400 ГэВ. Сплошные кривые результат наилучшего фита, штриховые - результаты фита с фиксированными р = 0.0 и р = —0.025.

Полее подробно наблюдаемое поведение Ь(в) обсуждается в рамках трех групп моделей: моделей, основанных на теории полюсов Редже; моделей, специально развитых для описания параметра 6, и общих моделей упругого рассеяния.

Глава 8 посвящена анализу данных по реальной части амплитуды упругого рр -рассеяния при энергиях 50-400 ГэВ. Алгоритм обработки данных по реальной части в основе своей опирался на программные разработки, выполненные при проведении эксперимента с газовой мишепыо в Серпухове. Существенные дополнения были сделаны в связи со спецификой эксперимента в ФНАЛ. Одно из них связано с усилением вклада фоновой компоненты, обусловленной возбуждением изобарных состояний в неупругом канале рр-взаимодействий. Были апробированы дополнительные методики вычитания фона с тем, чтобы довести точность определения отношения р реальной части амплитуды к мнимой до 1%.

Измерения диффрепциальных сечений с водородной струйной мишенью выполнялись в относительной шкале из-за сложности определения интегральной светимости области взаимодействия протонного пучка с нестационарным во времени газовым потоком. Для привязки сечений к абсолютной шкале использовалась оптическая теорема (2). При фитировании дифференциальных сечепий интерференционной формулой Бете (1)

Рис.12. Отношение реальной части амплитуды к мнимой p(s,t = 0) в упругом рр -рассеянии в зависимости от энергии протонов. • и Л отмечают наши данные при энергиях от 9.4 до 400 ГэВ.

коэффициент абсолютной нормировки и отношение р использовались в качестве свободных параметров. Параметр наклона Ь аппроксимировался найденным нами соотношением (3). На рис.11 результаты наилучших фитов для двух энергий 50 и 400 ГэВ показаны сплошными линиями.

На рис.12 показаны результаты наших измерений р в Серпухове и ФНАЛ совместно с данными других экспериментов, выполненных в области энергий до 500 ГэВ. Полученные результаты сопоставлены с расчетами по дисперсионным соотношениям. Кривые, приведенные на рис.12, представляют результаты дисперсионных расчетов при различных предположениях о поведении полных сечений: l-crj(pp) и ат(рр) растут с энергией как In2(s/122) до Д*, ; 2-aj(рр) становится постоянным (44.2 мбн) при Е >2000 ГэВ ; З-стт(рр) постоянно (38 мбн) при Е >120 ГэВ (во всех случаях допускалось, что ат(рр) и cj(pp) сближаются со скоростью Е~о ео2). Сопоставление с дисперсионными кривыми позволяет заключить, что по крайней мере до Е=2000 ГэВ, прекращение роста полных рр-сечений исключено. Успешная проверка дисперсионных соотношений на основе полученных данных показывает их выполнимость в изученной области энергий и подтверждает обоснованность основных аксиом квантовой теории поля.

В главе 9 приводятся данные по полным упругим сечениям <тполученные на основе измеренных дифференциальных сечений упругого рр -рассеяния. Отмечается, что в интервале энергий от 100 до 300 ГэВ отношение сг^/сг^1 приблизительно постоянно и равно 0.18, что значительно ниже величины 0.5, соответствующей случаю рассеяния на протоне, как абсолютно черном диске. Полученное отношение av£¡о™ близко

к пределу Ван Гофа (0.185), который соответствует гауссобразныму абсорбционному профилю протона.

Глава 10 посвящена теоретической интерпретации данных по упругой дифракции в рамках асиоматических ограничений квантовой теории поля для амплитуд бинарных реакций, обсуждению обобщенных моделей упругого рассеяния и структуры протона в рамках этих моделей. Рассмотрено развитие модельных подходов к описанию амплитуды NN-рассеяния в эпоху рр -коллайдеров и обсуждаются в свете этих моделей последние данные по упругой дифракции, полученные на коллайдерах ЦЕРН и ФНАЛ.

В главе 11 перечислены основные результаты исследования упругой дифракции протонов при энергиях от 10 до 400 ГэВ, полученные в работах, на основе которых написана диссертация.

Раздел 1 завершается списком литературы, цитируемой в главах 1-10 этого раздела.

Раздел 2 посвящен исследованию образования кумулятивных адронов в протон-ядерных взаимодействиях при энергиях от 15 до 65 ГэВ. В главе 1 кратко обсуждаются теоретические аспекты исследования кумулятивного эффекта в ядрах. В свете развития теории ядра кумулятивные процессы интересны тем, что содержат информацию о структуре ядер при малых междупуклонпых расстояниях, а с позиций теории сильных взаимодействий, квантовой хромодинамики, они несут полезную информацию для разработки хромодинамики больших расстояний.

Кумулятивные реакции относятся к классу глубоко-неупругих реакций на ядрах и имеют малые сечения в диапазоне от 1 мбн до 10_5-10-6 мбп. Получение статистически хорошо обеспеченных данных в этой области требует проведения длительных сеансов на пучках высоких энергий и выполнение подобных исследований на выведенных пучках является очень дорогостоящим мероприятием. В этом плане постановка эксперимента на внутреннем цучке ускорителя с использованием метода тонких мишеней является очень рациональным решением, позволяя обеспечить продолжительные экспозиции с потреблением незначительной доли интенсивности ускоренного пучка и проводить измерение сечений одновременно в широком интервале энергий. Согласно кварковым моделям кумулятивных реакций их механизм интересно изучать при энергиях, когда кварковые степени свободы должны безусловно проявлять себя в ядрах, т.е. при импульсах (на конституент частицы-снаряда) выше порога конфаймента кварков (> 0.5ГэВ/с). Этот порог для протонных пучков соответствует 3-4 ГэВ/с. Таким образом энергии свыше 15 ГэВ, при которых выполнены паши исследования, заведомо обеспечивали выполнение этого критерия.

В главах 2 и 3 изложены методические вопросы, связанные с проведением экспе-

Рис.13. Спектрометр кумулятивных адронов в кольцевом зале ускорителя У-70. М1-6, Б1-4, С1-2 -мониторные(М), триггерные(8) и черенковские(С) счетчики; ДК1-5 -дрейфовые камеры; Т - мишень на прямолинейном участке камеры между блоками 45 и 46 магнита ускорителя.

:"?°рт; СИСТЕМА

СЛ1»Р[ КОНТРОЛЯ

i оетекторых

1 клндма

Рис.14. Блок-схема электроники спектрометра СКЛ.

Рис.15. Времяпролетный спектр для частиц с импульсом 550 МэВ/с.

римепта на ускорителе У-70 ИФВЭ. Измерения были выпонены па магнитном спектрометре кумулятивных адронов (СКА) [12,13], в котором в качестве трековых детекторов использовались дрейфовые камеры (рис.13). Для идентификации частиц использовалась техника времени пролета и амплитудный анализ сигналов черенковских счетчиков [11].

В главе 2 подробно описана контрукция спектрометра: детекторы, логическая и регистрирующая электроника (рис.14), системы контроля детекторных каналов и управления режимом сброса пучка на мишень, система сбора данных па ЭВМ. Обработка записанной информации проводилась в три этапа (Гл.З). На первом этапе выполнялась наиболее времяемкая часть анализа - геометрическая реконструкция событий. После трековой реконструкции даппые о событиях переносились па вторичные ST-лепты, алгоритм последующей обработки которых включал следующий набор заданий:

- сортировка событий по интервалам энергии первичных протонов Е;

- накопление мониторных сумм по отдельным Е-интервалам с учетом доли браковки событий по отдельным критериям;

- получепие 3-мерных ЕРМ-массивов (энергия, импульс и масса частицы) для полезных событий, удовлетворяющих критериям отбора;

- вычисление инвариантных дифференциальных сечений.

Основой анализа данных был времяпролетный и импульсный анализ. В качестве примера на рис.15 показан времяпролетпый спектр для положительно заряженных частиц с импульсом (500±25)МэВ/с. На рис.16 показана корреляционная матрица "импульс-время пролета" для положительных частиц, полученная при интеграле поля в анализирующем магните В ■ I = 0.37л • м. Полученные инвариантные сечения и интегральные

\Щ ни

III»

кн

н:

'Ч

.1 II 1!

21 11 «I

< • г I

<• $ '

• » » 1

1 * •

* * 9Ш>

• Л»|»>"

I «<1/111 м /•И1 (И * И«'«; Г) <

рс;

Рис. 16. Корреляционная матрица "импульс-время пролета".

К

Т

ЕРМ-распределения заносились на БЭТ-ленты суммирования данных отдельных серий измерений с различными ядрами мишени. Окончательные результаты по инвариантным сечениям рождения адроиов данного типа на различных ядрах получались путем объединения данных отдельных рапов с учетом их статистических весов. В программе ОБТ-обработки были заложены процедуры фитирования сечепий для представления их в параметризованной форме по избранным кинематическим переменным.

Для контроля алгоритма обработки данных и правильности учета различных поправок была создана программа воспроизведения наблюдаемых физических распределений путем Мопте Карло розыгрыша событий прохождения частиц через спектрометр [10]. Это страховало процесс обработки от программных ошибок и обеспечивало количественную оценку обоснованнпости величины коррекций па фоновые вклады, на многократное расселение, па временное и координатное разрешение детекторов и т.д.

Экспериментальные результаты по сечениям образования кумулятивных пионов и каонов при энергиях 15-65 ГэВ [15,17,20-24], представлены в главе 4. Первые эксперименты по изучению кумулятивных реакций выявили наиболее характерную особенность кумулятивных спектров: они хорошо аппроксимируются экспоненциальной зависимостью от кинетической энергии частиц, ехр(—Т/Т0), при этом температура спектров, Г„, определяющая их наклон, слабо зависит от энергии и типа частиц-снарядов и атомного номера, А, фрагментирующего ядра. Подобный "ядерный" скейлипг носит приближенный характер при энергиях до 10 ГэВ, однако уже при энергиях свыше 3-5 ГэВ наблюдается приближение к асимтотическому поведению со стабильными характеристиками фрагментации ядер. В энергетической шкале это соответствует наступлению режима

I <f

A

10

t

! t

. -p<c-Я*|ИИ.Е'«ОГ>«

ч\\ Ч\ к tssfciaai

Е»р(-ТЛ5)

\ \\1

4 4

no 200 XO WO 500 too 700 %.м«в

Рис.17. Сравнение инвариантных сечений в реакциях: р + А! —* 7г_(168°) + X при Е=8.9 ГэВ (А -Дубна), р + С -> тгрт(159°) + X при Е=37 ГэВ (•, о - наши данные) и р + С —► 7г+(160°) + X при Е=400 ГэВ (П -ФНАЛ). Соответствующие наклоны экспонент равны Т0 = 45,48 и 65 МэВ.

предельной фрагментации ядер согласно гипотезе Чу и Янга (Phys.ReV. 188(1969) 2159). Скейлинговое поведение сечений наиболее наглядно проявляется при их представлении в соответствующей масштабной переменной. В качестве масштабной переменной при представлении кумулятивных спектров широко используется инвариантная безразмерная переменная хс, численно равная минимальной массе мишени в единицах массы нуклона, необходимой для рождения частицы с данным импульсом. По определению, кумулятивной области соответствует хс > 1. При рождении пионов с импульсом q„ в пучке частиц с энергией Е0

Еж + m„ + mN Хс = а/(1---) '

где а = (Е„ — q%)/E0 - переменная светового фронта. В соответствии с (4) при Е0 Е„ + тпн хс ~ а, в области энергий нашего эксперимента (Е > 15 ГэВ) хс превышает а не более, чем на 10%. В числе основных задач при выполнении эксперимента на серпуховском ускорителе были:

• подробное исследование Е-зависимости сечений образования кумулятивных фраг-

0.15

0.10

о <л-] »*•)

»м

к*

Е_ 6 ({ _ [ С, ех Р1-Х/Х,). ^

10

50

100

500

Ео.ГзВ

Рис.18. Зависимость параметра наклона экспонент в кумулятивной х2 (хс > 1,д„ > <7о = 450МэВ/с) и докумулягивной 11 (хс < 1) частях спектра (точки при 9 ГэВ -данные группы ДИСК, Дубна).

'.г

*

ментов при энергии свыше 10 ГэВ с целью выяснения степени приближения к скейлипговому поведению;

• получение точпых данных по А-зависимости сечений, включая область хс > 1.3, где они практически отсутствовали.

Спектры 7г± -мезонов были изучены при импульсах от 250 до 1000 МэВ/с в 7-ми интервалах энергии первичных протонов от 15 до 65 ГэВ на 6-ти типах ядер Ве, С, А1, Тг, Мо, [V [17]. Суммарная ошибка статистического характера при вычислении сечений ~ 3%. Неточность абсолютной нормировки сечений, связанная с ошибкой калибровки мониторов и ошибкой импульсного анализа, оценена в 15%. Важно отметить, что, благодаря методике одновременного набора данных во всем диапазоне энергий, обе эти ошибки не искажают измеренной энергетической зависимости сечений. Е-зависимость сечепий наиболее тщательпо была изучена на углеродной мишени [21]. Установлено изменение температуры (наклона) спектров вблизи кинематической границы хс ~ 1 от Т(хс < 1) = Тх = 63 МэВ до Т(хс > 1) = Т2 = 48 МэВ. Из этой закономерности выпадают данные, полученные в ФНАЛ при 400 ГэВ (рис.17). Единственное объяснение этому, исключающее аномальное изменение режима фрагментации ядер при Е > 65ГэВ, - это наличие импульсно зависимой систематической ошибки в дапных при 400 ГэВ. Согласно кварковым моделям кумулятивного эффекта, предполагающим спектаторный механизм рождения кумулятивных мезонов, зависимость инвариантного сечения от масштабной переменной хс при 0 ~ 180° {(}Т = 0) должна отражать кварк-партонную структурную функцию ядра С1(х, (¡т = 0) ~ ехр( — х/х0) , при этом зависимость параметра наклона х0 от энергии при выходе на режим "асимптотической свободы" должна отсутствовать. На рис.18 показано данные по х0 для реакций

s

!

Qj-ЗООМэв/С ^

t • < • • .............-■—I»'"-

(00 f

« | I ■ I • I ..............юшнштнц.

, , , , „нтмшнШНШИШЫ!* '-

. „,„..........

t t I "

. „„мтшшшпттпЪ

I t • J • »:

МО

ф ф 4 4 ♦ ♦ I тиштшшшиИШШ/

10 20 (0 too 200 (00

Е..ГЛ

Рис.19. E -зависимость сечений для «+(•) и 7г~(о) при различных импульсах пионов в реакции р + С —» -ж + X. Штриховые полосы -экстраполяция сечений зависимостью a(q,E) = C(q) ■ (1 + B(q)log Е) в область энергий ФНАЛ.

р + С(Ве, Al) —> тг + Х при энергиях от 8.9 до 400 ГэВ. В кумулятивной области (а: > 1) параметр х0 уменьшается от 0.12 до 0.105 при увеличении энергии от 8.9 до 57 ГэВ. Значение х0 при 400 ГэВ несовместимо с данными при более низких энергиях, эта аномалия затрудняет оценку асимптотического значения Хо.

Абсолютная величина сечений в реакции р + А —+ тг + Х логарифмически растет в диапазоне энергий от 15 до 60 ГэВ (рис.19), возрастая на 15-20%. E-зависимость может быть параметризована в виде

= +B{q)logE).

(5)

Зпачения В{ц) увеличиваются вдвое в интервале импульсов пионов от 300 до 800 МэВ [21]. Отмеченные особенности Е-зависимости кумулятивных спектров характерны для всего набора ядер от Ве до

А-зависимость кумулятивных спектров носит усиленный характер, для А > 20 она приближенно имеет объемный вид с ~ А1. Получение точных данных в широком диапазоне значений А и кумулятивных чисел в нашем эксперименте, позволило провести более подробный анализ А-зависимости [15,24]. Была выявлена существенная корреляция между степенью А-зависимости и значением кумулятивного числа хс. На рис.20

X 0.72 0.93 1.14 1.36 1.58 1.80 2.01 <¿ 0.70 0.90 110 1.30 1.51 1.71 1.92 4,325 425 525 625 725 825 925 [М э В/с)

Рис.20. Отношения нормированных на нуклон сечений для ■к+(Яд) и t~(R¿) -мезонов при Е0 = 45ГэВ и различных значениях кумулятивных чисел от х=0.72 до х=2.01.

32 5

525

725 9 2 5 qr,M»B/c

Рис.21. Поведение параметра т(хс) при различном ограничении интервала А снизу. Пунктиром показаны значения х2 при трех значениях Лт1П.

s fr

-Г2

1

325 525 725 925 Ч,МаВ/с

Рис.22. Эффективная длина формирования 1} и толщина г, пассивного поверхностного слоя ядер для кумулятивных пионов различного импульса.

показано отношение Яд = aA/ow нормированных на нуклон инвариантных сечений о А — § щ к сечению на вольфраме. Результаты фитирования степенной зависимосью "in» ~ показаны на рис.21. Степенное описание удовлетворительно по критерию

X2 только в области средних и тяжелых ядер (Л > Amin ~ 27). Характерно однако, что при любых Лт1П т растет линейно с хс. Наблюдаемая А-зависимость была количественно воспроизведена при использовании модифицированной мультикварковой модели [15] допускающей, что (а) из-за зависимости вероятности образования мультикварковых кластеров от плотности ядерного вещества диффузный поверхностный слой ядра слабо участвует в формировании кумулятивных частиц, при этом толщина пассивного слоя г, возрастает с увеличением порядка кумулятивпости; (б) в формировании спектров кумулятивных адронов существенную роль играют вторичные взаимодействия в ядрах, вклад которых скоррелирован с длиной формирования адронов /;. На рис.22 показана зависимость от импульса пионов г, и I/, используемых в качестве свободных параметров модели.

Изучение образования кумулятивных каонов и антибарионов представляет особый интерес из-за связи механизма их образования с особенностями каркового моря в ядрах. Наиболее очевидна эта связь в случае "морских" кумулятивных частиц, К~ и р~, не содержащих в своем составе валентных кварков ядра. Сечения образования кумулятивных /^-мезонов под углом 159° и энергиях протонов Ер=15-65 ГэВ были измерены нами при импульсах до 800 МэВ/с на ядрах Be,C,Al,Ti,Mo и W (рис.23).

Наклоны спектров Edtj/cPq = С ехр(—Т/Т0) для К+ и К~ примерно одинаковы, как и в случае пионов температуры Т0 ~ 45МэВ несколько возрастают (~ 5%) в интервале А от 9 до 184. Однако А-зависимость выходов К+ и К~ -мезонов существенно различна: отношение нормированных сечений для вольфрама и бериллия

а)

Ъ)

•Д^ТИа) AI 1»|

\ Г <шI

10

Р*А— К (159*1* X

10

10"'

V с 1«) V— 8е{»|

too ¡00 (00 Ш №0 q^.Mev/c

400 500 600 700 BOO

ч ,m«v/c

Рис.23. Инвариантные сечения образования А'* -мезонов в реакции р + А —> А'(159°) + X при Ev =40 ГэВ.

R\(K+) = ^ ~ 10 для А'+ и Лд(Л'~) ~ 2 для К~. Соответственно, при степенной аппроксимации А -зависимости, <т ~ Ат, показатель m=l.G для А'+ и 1.15 для А'-. С позиций кварковой модели фрагментации флуктонов подобие наклонов пиоппых и каонных спектров может быть интерпретировано как указание на то, что распределение странных "морских" кварков во флуктонах сравнимо по жесткости с распределением и- и d-кварков в ядре. Сильное различие А -зависимостей А'+ и А'" -мезонов в значительной степени может быть объяснено, как показано в гл.5, различной степенью искажений спектров (из-за значительной разницы К+N и I\~N сечений) вторичными взаимодействиями в ядре.

В рамках кварковых флуктонных моделей кумулятивного эффекта отношепие выходов кумулятивных адронов различного типа может быть связано с кварковым составом флуктонов, а импульсная зависимость этих отношений - с импульсным распределением структурных кварков в них. Чтобы выявить соответствующие эффекты, измерение отпошений должно выполняться с точностью ~ 2 — 3%, поскольку, например, соотношение и- и d-кварков в изотоп-несимметричных ядрах отличается от 1 не более, чем на 15%. Наши измерения отношения выходов ж* -мезонов в сонокупности с дан-пыми других экспериментов (при Е < 10 ГэВ) показывали [9], что при энергии Е ~4-5 ГэВ это отношение выходит на уровень ~ 1, демонстрируя тем самым выход на режим предельной фрагментации ядер (рис.24). Зависимость отношения /{( — /+) от импуль-

1.2 1.0 0.8 0.6 0 А 02

12 5 10 20 50 100 Тр.ГэВ

Рис.24. Изменение отношения выходов к ж+ в реакции р + Л —> тг(0 > 90°) + X при возрастании энергии протонов от 1 до 70 ГэВ (точки при Тр <5 ГэВ - данные Шредера, Беркли).

-1-1 ; ТГ/ТГ 1 ■■ —1 1--1-

: *

р+А—5г±(159-)80Ч ■

у ■ • >200МзВ/с III 1

12 1

ае 1.2 1 0.8 12 ♦ 1 Т 0.8 а 1.2 1 0.8

0£ и 1. 0.8

г

1 * •

Г . X

1 . 1 . 1 . . . 1 . 1 . .

200

W

Мо

Т1

Ве

400

600 800 Чя.МеУ/с

Рис.25. Импульсная зависимость отношения Л(—/+) выходов 7г и тг+-мезонов в реакции р + А —* 7г(159°) + X для различных ядер.

А

С

Рис.26. Коэффициенты искажения мезонных спектров для ядер С(»), А1(о), Мо(Д), 1У(Д) для двух значений длин формирования адронов // = 0 л // = 5q.

сов пионов, измеренная нами для шести ядер от Be до W, показана на рис.25. Во всех случаях отклонение R от 1 не превышает 20%. Существенная импульсная зависимость может быть отмечена только у ядра вольфрама. Количественная корреляция между отношением d- и u-кварков и отношенем R наблюдается только у легких ядер. Для Be и С эти отношения соответственно равны: (d/u)nc = 1-08, R-Ве = 1.12 и (d/u)c = 1-00, Rc = 0.95. "Стирание" подобной корреляции у более тяжелых ядер может быть связано с возрастающей ролью вторичных взаимодействий в ядрах.

В главе 5 обсуждается проблема искажения спектров кумулятивных мезонов вторичными взаимодействиями в ядрах. Для оценки величины искажений был проведен розыгрыш событий рождения и прохождения кумулятивных мезонов в ядрах с использованием общеизвестной техники расчета ядерного каскада [25]. При рассмотрении взаимодействий мезонов с нуклонами ядра учитывались упругий и неупругий каналы, а также взаимодействия с перезарядкой. Из-за отсутствия точных теоретических оценок длины формирования мезонов l¡ мы провели расчет для двух значений l¡ = 0 и /у5?[Фм] (q-импульс мезона в ГэВ/с), исходя из того что, оценки //, полученные на основе экспериментальных данных, лежат в этом интервале. Для количественной оценки величины искажений вычислялось отношение D = NJNo, где N, = ЛГ,(р,в) -"регистрируемый" поток мезонов и No -исходный поток мезонов, генерируемый при тех же р и 9. Полученные величины коэффициента искажений для 4-х ядер показаны на рис.26. Корректировка спектров на взаимодействия в конечном состоянии (ВКС) усиливает степень A-зависимости и сближает ее вид для мезонов различного типа (рис.27).

Рис.27. А-зависимости выхода мезонов экспериментально наблюдаемые (сплошные кривые) и скорректированные на ВКС (штриховые кривые) для двух значений переменной хс = 1(о) и хс = 1.9(в).

В главе 6 описан эксперимент по измерению поляризации кумулятивных протонов. Сведения о поляризации, полученные в предшествующих экспериментах, носили противоречивый характер. Эксперимент был поставлен с целью:

- провести измерение поляризации с низким уровнем статистических и систематических погрешностей;

- исследовать энергетическую зависимость эффекта в области свыше 10 ГэВ, где полностью отсутствовали данные по поляризации в кумулятивных процессах;

- исследовать зависимость поляризации от импульса протонов, включая область свыше 800 МэВ/с, практически неисследованную;

- сопоставить величину эффекта при малых (в ~ 160°) и больших (в ~ 90°) поперечных импульсах;

- получить оценку А-зависимости поляризации.

Эксперимент был выполнен по схеме опыта по двойному рассеянию: кумулятивные протоны от первой мишени направлялись па мишень-анализатор и измерялась лево-правая асимметрия рассеяния. Измерения были проведены при двух углах выхода кумулятивных протонов 158 и 95° [18,20]. Для выполнения измерений установка СКА была модифицирована в поляриметр (рис.28)[14]. Основные результаты измерения поляризации представлены на рис.29 [26].

Для оценки влияния процесса перерассеяния на поляризацию протонов, вылетающих в заднюю полусферу, мы провели Монте Карло моделирование прохождения протонов в ядерной среде с контролем спинового состаяния в актах перерассеяния [19]. Результаты расчета показаны на рис.29.

В главе 7 просуммированы основные физические результаты исследования кумулятивного образования адронов при энергиях от 15 до 65 ГэВ.

Рис.28. Схема поляриметра (ось поляриметра выставлена под углом 950 к направлению первичных протонов). Т - первичная мишень, "С" - углеродная мишень-анализатор; Sl-4, А1-3 - триггерные и антисовпадательпые счетчики; DCI-7 - дрейфовые камеры; 111-5 - годоскопические счетчики; AM - анализирующий магнит; М1,М2 - мониторы.

Рис.29. Импульсная зависимость поляризации Р (усредненной по указанным Е-интервалам) кумулятивных протонов рс в реакциях р +12 С —» рс(95°, 158°) + Л', р +9 Ве -> рс(158°) + X, р +96 Mo -> рс(158°) + X. Кривые - результаты расчета по модели ядерного каскада в предположении, что поляризация кумулятивного протона в точке рождения равна нулю.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В опытах по упругой дифракции:

• На основании измерения дифференциальных сечений упругого рр -рассеяния в области кулон-ядерной интерференции (0.0003 < |i| < 0.01) изучена энергетическая зависимость отношения вещественной части ядерной амплитуды к мнимой а = ReAn/ImAn в интервале энергий от 10 до 70 ГэВ.

• Разработана электропная методика исследования упругого рассеяния протонов па внутреннем пучке ускорителя с использованием полупроводниковых детекторов и газовой струйной мишени. Созданная аппаратура, работающая на линии с ЭВМ (первый on-line спектрометр на ускорителях высоких энергий в СССР), обеспечила возможность измерения дифференциальных сечений в области малых углов рассеяния с рекордной точностью, благодаря чему значения а(Е) были измерены с точностью сравнимой с теоретической неопределенностью в вычислении а(6а ~ 0.01).

• Разработана методика использования топких пленочных, нитяных и струйных газовых мишеней на внутренних пучках циклических ускорителей со стабилизацией режима наведения на мишень с помощью активной обратной связи для управления радиальным положением пучка.

• Создан комплекс мишеней и регистрирующей аппаратуры, который полностью обеспечил выполнение эксперимента на внутренней мишени ускорителя У-400 ФНАЛ (США).

• В эксперименте Е-36 ФНАЛ измерены дифференциальные сечения упругого рр -рассеяния в области 0.0003 < |i| < 0.16, определено поведение параметра наклона Ь(Е) дифракционного конуса и реальной части амплитуды рассеяния а(Е) в области энергий от 50 до 400 ГэВ.

• На основании экспериментальных данных, полученных в опытах на У-70 и У-400, установлено, что в области энергий от 9 до 400 Гэв дифракционный конус в рр -рассеянии сжимается, при этом параметр наклона Ь растет с энергией от 8.7 до 11.9 (ГэВ/с)-2. В рамках оптико-геометрических представлений это указывает па рост радиуса области сильного взаимодействия протонов. Логарифмический рост b(s) при s > ЗОГэВ2 соответствует пределам допустимым при выполнении базисных аксиом квантовой теории поля.

• Получены зпачения сечения полного упругого протон-протонного рассеяния <rct(E) в области энергий от 9 до 312 Гэв. Показано, что отношение упругого сечения к полному <jciI<jt монотонно уменьшается от 0.25 до 0.184 с увеличением энергии

до 100 ГэВ и в интервале от 100 до 300 остается постоянным на уровне близком к пределу Ван Гоффа (0.185), установленному для гауссообразного абсорбционного профиля протона.

• Установлено, что отношение реальной части амплитуды к мнимой арр(Е) для рр -рассеяния вперед в области энергий от 9.4 до 400 ГэВ изменятся от -0.35 до +0.04, меняя зпак при Е=270 ГэВ. Показано, что поведение атр(Е) и полного сечения сг^р остается согласованном в рамках дисперсионных соотношений во всем изученном диапазоне энергий, подтверждая справедливость основных постулатов квантовой теории поля для амплитуд бинарных реакций (унитарность, микропричинность, аналитичность, кроссинг-симметрия).

• На основании установленного поведения app(E,t — 0) и дисперсионных соотношений для реальпой и мнимой частей амплитуды рассеяния сделано предсказание о дальнейшем росте полного сечения аРР(Е) до энергий Е~2000 ГэВ, которое ко-свепно подтверждается данными с рр -коллайдеров и может быть в ближайшее десятилетие непосредственно подтверждено данными со строящихся рр-коллайдеров RHIC и LHC.

2) В эксперименте по исследованию кумулятивного образования адронов в протон-ядерных взаимодействиях при энергиях от 15 до 65 ГэВ:

• Создай компактный магнитный спектрометр с трековыми детекторами (дрейфовые камеры) для измерения импульсных распределений адронов, рожденных на внутренней мишепи ускорителя У-70 (ИФВЭ,Серпухов), в рА-взаимодействпях.

• С высокой статистической точностью (3-4%) выполнено измерение дифференциальных ипвариантпых сечений сг,„„ = Eda/cPq образования пионов, каопов и протонов па ядрах Ве, С, Al, Ti, Мо и W под углом 159° в интервале импульсов адронов от 250 до 1000 МэВ/с (1300 -для протонов) в области энергий первичных протопов от 15 до 68 ГэВ. При этом в шкале кумулятивной переменной хс был перекрыт диапазон от 0.6 до 2.0 для пионов и от 0.9 до 1.8 для каопов.

• Выполненное в широком диапазоне энергий измерение отношения выхода кумулятивных пионов различного знака показало (с учетом данных, полученных при более низких энергиях) , что начиная с энергий 4-5 ГэВ, /т:+ -отношение выходит па постоянный уровень ~ 1 , демонстрируя выход на режим предельной фрагментации ядер именно при этом энергетическом пороге Еи.

в Установлено, что отношение R(^~/x+) выхода пиопов разного знака слабо зависит от кумулятивного числа хс для всех ядер. В рамках флуктопных кварковых моделей это может быть интерпретировано как указание па идентичность импульсных распределений и- и d-кварков во флуктопах при х > 1.

• Установлено, что абсолютные значения инвариантных сечений ст,„„(7г) в диапазоне энергий от 15 до 65 Гэв увеличиваются в зависимости от кумулятивного числа хс и атомного номера ядра па 20-40%, что говорит о приближенном характере "ядерного" скейлинга, характерного для спектров кумулятивных адронов.

• Тщательно изучена А-зависимость кумулятивных сечений. Впервые, на основе данных в широком диапазоне хс, достоверно показано, что А -поведение носит явно выраженную зависимость от хс, а именно с ростом хс она усиливается. Для А>20 степенная аппроксимация А-зависимости в форме а ~ Ат характеризуется хс -зависимым параметром т(хс) = 2/3 + хс/3.

• На основе модели ядерного каскада выполнены расчеты по оценке величины искажений спектров кумулятивных адронов их взаимодействиями в конечном состоянии (ВКС). Оцененный эффект искажений (при углах выхода близких к 180°) очень значителен в абсолютном выходе и А-зависимости для кумулятивных пионов и каонов. Учет ВКС коррекции существенно меняет характер А-зависимости, усиливая ее отличие от объемной и сближая А-зависимость для адронов разного кваркового состава. Установлепнное подобие А- и хс- зависимостей инвариантных сечепий для кумулятивных адронов разного типа (тг*, К±) позволяет сделать вывод об универсальности механизма их рождения и , в рамках флуктоппых кварковых моделей, о равной жесткости,х- распределений u,dn s кварков во флуктонах.

• Создан поляриметр с трековыми детекторами и проведено исследование спиновых эффектов в кумулятивном рождении протонов и дейтронов с импульсами до 1000 ГэВ/с при углах выхода 158 и 95° на ядрах Be, С и Мо.

• Установлено, что поляризация кумулятивных протонов Pv(E0,q,6) имеет сильно выраженную угловую зависимость, но незначительна по величине (Рг(0 = 95°) — 10%) и имеет слабую зависимость от кумулятивного числа (импульса протонов q) и энергии первичных протонов Е0. Поляризация кумулятивных дейтропов в пределах ошибок измерения отсутствует (Pd < 3%).

• Создана программа моделирования прохождения протонов в ядерной среде с отслеживанием его спинового состояния. Выполненные расчеты показали, что наблюдаемая поляризация кумулятивных протонов может быть в основном объяснена поляризацией, приобретаемой в актах перерассеяния па нуклонах ядра, т.е. поляризация протонов в первичном акте кумулятивного рождения близка к нулю.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Г.И.Забиякин, Л.С.Золин, В.А.Никитин, В.Н.Соловьев, В.Г.Тишин, Т.Шетет, В.Д.Шибаев. Многопараметровая спектрометрическая установка с непосредственным выводом информации в цифровую вычислительную машину. Сообщение ОИЯИ 13-3397, Дубна,1967.

2. Л.С. Золин, В.А. Никитин, Ю.Л. Пилипенко. Формирование и улавливание газовой водородной струи в вакууме. Сообщение ОИЯИ, Р13-3425, Дубна, 1967; Criogenics, June 1968, p.143.

3. В.А.Бартенев, А.А.Белушкина, Н.К.Жидков, Л.С. Золин, Б.А. Морозов, В.А. Никитин, П.В. Номоконов, Ю.К. Пилипенко, В.А. Свиридов, М.Г. Шафра-нова. Методика исследования взаимодействия протонов на протонах и ядрах на внутреннем пучке ускорителя с использованием газовой струйной мишени. Труды Международной конференции по аппаратуре в физике высоких энергий, Дубна, 1970; т.1, в.1, стр.16, Дубна, 1971; Препринт ОИЯИ 13-5235, Дубна, 1970.

4. В.А. Бартенев, Г.Г. Безногих, А. Буяк, Н.К. Жидков, В. Заячки, Л.С. Золин, Л.Ф. Кириллова, Б.А. Морозов, В.А. Никитин, П.В. Номоконов, Ю.К. Пилипенко, А. Сапдач, В.А. Свиридов, Чыонг Бьен, М.Г. Шафранова. Исследование упругого протон-протонного рассеяния в области интерференции куло-новского и ядерного взаимодействий в интервале энергий 8-70 ГэВ. Препринт ОИЯИ Р1-6246, Дубна, 1970г; ЯФ 16 (1972) 96.

5. G.G. Beznogich, A.Buyak, K.I. Iovchev, L.F. Kirillova, P.K. Markov, B.A. Morozov, V.A. Nikitin, P.V. Nomokonov, Yu.K. Pilipenko, A. Sandach, M.G. Shafranova, V.A. Sviridov, Truong Bien, V.I. Zayachki, N.K. Zhidkov, L.S. Zolin. Small Angle Proton-Proton Elastic Scattering from 9 to 70 GeV/c. Phys.Lett. 39B (1972) 411.

6. G.G.Bcznogich, A.Buyak, V.A.Nikitin, M.G.Shafranova, V.A.Sviridov, Truong Bien, L.V.Vikhlyantseva, V.I.Zayachki and L.S.Zolin. Total Elastic p-p,p-d,p-n Cross Sections in the Energy Range of 1-70 GeV. Phys.Lett. 43B (1973) 85.

7. V. Bartenev, A.Kuznetsov, B.Morozov, V.Nikitin, Y.Pilipenko, V.Popov, L.S. Zolin, R.A.Carrigan, Jr., E.Malamud, R.Yamada, R.L.Cool,

K.Goulianos, I-Hung Chiang, A.C.Melissinos, D.Gross, and S.L.OIsen. Measurement of the Slope of the Diffraction Peak for Elastic p-p Scattering from 8 to 400 GeV/c. Phys. Rev. Lett. 31 (1973) 1088.

8. V. Bartenev, R.A.Carrigan, I-IIung Chiang, R.L.Cool, K.Goulianos, D.Gross, A.Kuznetsov, E.Malamud, A.C.Melissinos, B.Morozov, V.Nikitin, S.L.OIsen,

Y.Pilipenko, V.Popov, R.Yamada, and L.S. Zolin. Real Part of the Proton-Proton

Forward-Scattering Amplitude from 50 to 400 GeV. Phys. Rev. Lett. 31 (1973) 1367.

9. И.М. Беляев, О.П.Гаврищук, JI.С. Золин, А.Г.Карев, В.В.Лобанов, А.Ю.Суханов. Отношение выходов кумулятивных пионов разного знака в протон-ядерном взаимодействии при энергии протонов от 17.5 до 63 ГэВ. Краткие сообщения ОИЯИ 84-85, с.29, Дубна,1985.

10. И.М. Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С. Золин, В.Ф.Переседов,

С.В.Фролов. Моделирование геометрической эффективности спектрометра кумулятивных адронов (установка СКА). Оценка роли геометрических факторов и фоновых процессов Сообщение ОИЯИ Р1-429, Дубна,1987.

11. И.М. Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С.Золин, В.Ф.Переседов.

Черепковский счетчик с водяным радиатором с преобразователем спектра. Сообщение ОИЯИ 13-87-104, Дубна,1987.

12. И.М.Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С. Золин, В.Ф.Переседов, П.А.Рукояткин, А.Н.Хренов. Спектрометр кумулятивных адронов (компоновка, детекторы, электроника). Сообщение ОИЯИ Р1-88-341, Дубна,1988;

13. И.М. Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С. Золин, В.Ф.Переседов,

A.Ю.Суханов. Спектрометр кумулятивных адронов (сбор данных, анализ событий). Сообщение ОИЯИ Р1-88-342, Дубна,1988.

14. В.П.Баландин, И.М. Беляев, В.В.Винев, Н.В.Власов, О.П.Гаврищук, Л.С.Золин, Е.В.Казаренко, Н.А.Кузьмин, В.Ф.Переседов,

Ю.П.Петухов, С.В.Фролов. Поляриметр с трековым детектором. Сообщение ОИЯИ Р1-88-408, Дубна,1988;

15. И.М.Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С.Золин, В.Ф.Переседов.

А -зависимость сечений образования кумулятивных пионов в протон-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях. Краткие сообщения ОИЯИ 7[33]-88 с.38, Дубна,1988.

16. И.М. Беляев, Н.В.Власов, О.П.Гаврищук, Л.С. Золин,

B.Ф.Переседов, А.Б.Шалыгин. Поляризация кумулятивных протонов в реакции при энергии первичных протонов от 17 до 68 ГэВ. Краткие сообщения ОИЯИ 2[28]-88 с.5, Дубна,1988.

17. И.М.Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С.Золин, В.В.Лобанов, Н.С.Мороз, В.Ф.Переседов. Сечения образования 7Г+ и 7Г~ мезонов под углом 159° в протон-ядерных взаимодействиях при энергии первичных протонов от 15 до 65 ГэВ. Сообщение ОИЯИ Р1-89-112, Дубна,1989.

18. И.М. Беляев, Н.В.Власов, О.П.Гаврищук, Л.С. Золип,

В.Ф.Переседов. Спиновые эффекты в кумулятивном образовании протонов и лей-тронов в протон-ядерных взаимодействиях при энергиях 16-64 ГэВ. Сообщение ОИЯИ Р1-89-463, Дубна,1989.

19. О.П. Гаврищук, Л.С.Золин, И.Г. Косарев. Оценка "Монте-Карло" вклада вторичных процессов в поляризацию кумулятивных протонов. Сообщение ОИЯИ Р1-91-528, Дубна,1989.

20. И.М. Беляев, Н.В.Власов, О.П.Гаврищук, Л.С. Золин,

В.Ф.Переседов, С.В.Фролов. Измерение асимметрии рассеяния кумулятивных протонов и дейтронов, вылетающих под углом 95° л.с. в рС- взаимодействиях при энергии первичных протонов от 17 до 62 гэВ. Поляризация кумулятивных протонов. Краткие сообщения ОИЯИ 1 [34]-89 с.5, Дубна,1989.

21. И.М. Беляев, О.П.Гаврищук, П.И.Зарубин, Л.С. Золин,

В.Ф.Переседов, П.А.Рукояткин, Л.Ю.Суханов, С.В.Фролов.

Энергетическая зависимость выхода пионов в реакции р + С —> 7г±(159°) + Л' при энергии протонов от 15 до 61 ГэВ. ЯФ 49 (1989) 473.

22. O.P.Gavrishchuk, N.S.Moroz, V.F.Peresedov, and L.S.Zolin. Charged Pion Backward Production in 15-65 GeV Proton-Nucleus Collisions. Nucl. Phys. A253 (1991) 589.

23. O.P. Gavrishchuk, V.F. Peresedov, L.S. Zolin.

K^ Backward Production in pA Interactions at 15-65 GeV. JINR Rapid Communications No.4[55]-92, p.4, Dubna,1992.

24. И.М. Беляев, О.П.Гаврищук, Л.С. Золин, В.Ф.Переседов.

Образование кумулятивных пионов и каонов в протон-ядерных взаимодействиях при энергиях от 15 до 65 ГэВ. ЯФ 56 (1993) 135.

25. Л.С.Золин, В.Ф.Переседов. Искажения спектров кумулятивных мезонов вторичными взаимодействиями в ядрах. Краткие сообщения ОИЯИ 3 [54]-92, стр.59, Дубна, 1992. V.F.Peresedov , L.S.Zolin, -Physica Scripta,v.48, p.210,1993.

26. O.P.Gavrishchuk, V.F.Peresedov, N.V.Vlasov, L.S.Zolin and I.M.Beliaev. Polarization of Backwardly produced Protons in Proton-Nucleus

Collisions at 17-64 GeV. Phys. Lett. B255 (1991) 321.

Рукопись поступила в издательский отдел 15 апреля 1996 года.