Инклюзивное образование нейтральных пионов в нуклон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклон тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

- Ь ../ ' ' Ь 1-95-43

На правах рукописи УДК 539.126.345 ,

АБРААМЯН Хачик Унанович

ИНКЛЮЗИВНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ НЕЙТРАЛЬНЫХ ПИОНОВ В НУКЛОН-ЯДЕРНЫХ И ЯДРО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРИ ИМПУЛЬСЕ 4.5 ГэВ/с НА НУКЛОН

Специальность: 01.04.16 — физика ядра и элементарных

частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований.

Научные руководители: доктор физико-математических наук профессор

кандидат физико-математических наук младший научный сотрудник

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор

*

кандидат физико-математических наук

ХАЧАТУРЯН Марлен Нарибеевич

МЕЛКУМОВ Георгий Левопович

ГЛАГОЛЕВ Виктор Викторович

АНОШИН Александр Иванович

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского Гос. университета, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится " 1995 г.

в -йй- часов на заседании специализированного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, г.Дубна Московской области, Лаборатория высоких энергий ОИЯИ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь //> Л

специализированного совета М^^'/МЛ^ф} М.Ф.ЛИХАЧЕВ

Актуальность проблемы. Релятивистская ядерная физика, основы которой были заложены А.М.Балдиным в 1970г., в последние годы стала одним из важнейших направлений физики высоких энергий. В частности, открытое в начале 70-х годов кумулятивное образование мезонов, закономерности предельной фрагментации ядер и закономерности ядерных реакций с большими передачами импульса составили главное направление исследований на дубнепском синхрофазотроне и нашли интереспую интерпретацию на языке квантовой хромодинамики. Получило значительное развитие понятие кварк-партонных структурных функций ядер и их изучение в процессах с большими передачами импульса, протекающих в условиях, когда выполняется режим предельной фрагментации ядер.

Известно несколько классов ядерных реакций с большими передачами импульса (д > 1 ГэВ/с): глубоконеупругие лептон-ядерные рассеяния, реакции типа /г+А —► с(~ 180°)+х и ядро-ядерные столкновения. Среди перечисленных процессов особое место занимают ядро-ядерные столкновения, изучение которых позволяет достигнуть качественно нового уровня понимания роли и природы коллективных эффектов в ядре. В частности, зависимость сечения указанных процессов от атомных весов сталкивающихся ядер является одним из наиболее сильных критериев при оценке применимости моделей кумулятивного мезонообразо-вания.

Цель работы - экспериментальное исследование процессов

Ар{Р, а, С) + А({С, Си) -> тг° + х, (1)

включающее в себя:

1. Измерение инвариантных сечений реакций (1) при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклон, в области 0° < < 16° и > 2 ГэВ (л.с.к.) с целью определения параметров, характеризующих структурные функции ядер-снарядов Ар;

2. Исследование зависимости сечения образования 7г°-мезонов от атомных весов как ядра-снаряда, тан и ядра-мишени для получения информации о механизме образования мезонов вблизи и за кинематической границей для нуклон-ядерных столкновений;

3. Методические исследования, посвященные энергетической реконструкции собитий в черенковских спектрометрах полного поглощения:

- оценки потерь энергий электронов и 7-квантов, учитывающие влияние конвертора и нелинейность чувствительности в области низких энергий,

- определение импульсов пучков вторичных (7г, /л, е,...) частиц, используемых в калибровке, при помощи порогового газового счетчика.

Новизна работы. Впервые найден метод определения импульса заряженных частиц при помощи порогового газового счетчика, позволяющий исключить систематические ошибки и достигнуть точности ~ 0.15%.

Впервые получены формулы для расчета потерь энергий электронов и 7-квантов в черенковских спектрометрах полного поглощения, учитывающие влияние конвертора и нелинейность чувствительности в области низких энергий.

На статистике свыше 40 тысяч 7г°-мезонов впервые измерены инвариантные сечения реакций (1) при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклон в зависимости от переменных Хр, X и Р±_ в интервале 0.6 < X < 2.0 и 0 < Р± < 900 МэВ/с.

В области Хр > 0.66, для реакции р + С —> 7г° + х впервые найдено факторизованное представление инвариантного сечения как функции от Хр и

Впервые подробно исследован характер поведения параметров т и п в параметризациях Ейа)^ ~ А™ и ЕАа[д,:р ~ А" в зависимости от ХР, X и Р*.

Научная ценность работы. Получен и проанализирован большой экспериментальный материал по ядро-ядерным взаимодействиям с образованием нейтральных пионов при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклон.

Установлены закономерности поведения сечения реакции (1) с изменением атомных весов ядра-снаряда и ядра-мишени при различных значениях переменных Хр, X и а именно:

а) С увеличением атомного веса ядра-снаряда параметр Хо в параметризации инвариантного сечения функцией £с?сг/с/р ~ ехр(—Х/Хо) существенно возрастает: Хо = 0.145 ± 0.002 для а-частиц и достигает значения 0.176 ± 0.007 для ядра углерода.

б) Наблюдается сильная зависимость инвариантного сечения образования 7г°-мезонов от массы ядра-снаряда, причем эта зависимость существенно усиливается с увеличением как кумулятивного числа X, так и поперечного импульса пионов Р±: степепь т в параметризации

Ес1а/<1р ~ А™ составляет т = 1.2 ± 0.1 при X ~ 1 и достигает значения 2.1 ± 0.2 при X = 1.9; при поперечном импульсе пионов Р]_ = 500 МэВ/с, т = 1.6 ± 0.1 и возрастает до значения т = 2.3 ± 0.2 при

= 900 МэВ/с.

в) В области X > 0.6 сечепие слабо зависит от массы ядра-мишени, причем характер этой зависимости слабо меняется с изменением как Хр и X, так и Рх,: в области 0.62 < Хр < 0.98 степень п в ЕАсг/йр ~ Л" составляет 0.39 ± 0.02 (по данным, получеппым на пучке протонов); в области 0.94 < X < 1.88, п = 0.37 ± 0.02. Полученные данные указывают на справедливость в рассматриваемой области модели кварк-партонной рекомбинации, при описании плотности ядра функцией Вудеа-Саксона.

г) Наблюдается сильное различие между параметрами Хо при импульсах 2.9 и 4.5 ГэВ/с на нуклон как для налетающих ядер С12, так и для налетающих а-частиц. При сравнении наших данных (4.6 ГэВ/нуклон) с данными при более высоких энергиях наблюдается существенное расхождение для ядра углерода: таким образом, с увеличением атомного веса фрагментирующего ядра, выход сечения на скей-линговый режим наступает при более высоких энергиях.

д) В области Хр > 0.66 сечение реакции р + С —> тг° +х факторизу-ется по переменным Хр и Р*, что находит интересную интерпретацию на языке кварк-партопной модели.

Результаты, полученные в данной работе, важны для анализа и развития теоретических моделей образования мезонов в релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях.

Практическая ценность работы состоит в разработке метода исследования пучков заряженных частиц при помощи порогового газового счетчика, методов энергетической реконструкций событий и обработки данных, полученных на многоканальных черепковских спектрометрах полного поглощения.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы при планировании и проведении новых экспериментов на ускорителях.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на семинарах Лаборатории высоких энергий ОИЯИ и были представлены на Международных конференциях по проблемам физики высоких энергий в Дубне (1988, 1992); по физике элементарных частиц в Пор-Амберде (1990); по ядро-ядерным взаимодействиям в Таормине (1994),

а также докладывались на рабочем совещапии по перспективам развития релятивистской ядерной физики в Варне (1994) и па рабочих совещаниях сотрудничества СФЕРА.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в работах [1 -т-8], опубликованных в препринтах и сообщениях ОИЯИ и в журналах "Приборы и техника эксперимента", "Ядерная физика" и "Physics Letters В".

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального изучения процессов

Лр(р, a, C) + At(C, Си) -» тг° + х.

Автор принимал участие в разработке проекта эксперимента, в проведении эксперимента, получении и обработке большого экспериментального материала, содержащего ~ 1.3 • Ю6 событий протон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклон.

2. Результаты разработки метода исследования пучков заряженных частиц при помощи порогового газового счетчика.

3. Результаты разработки методов энергетической реконструкции событий и обработки данных, полученных на многоканальном черепковском спектрометре полного поглощения.

Во введении подчеркивается актуальность изучения процессов ядро-ядерных столкновений, формулируется основная цель диссертационной работы и приводится ее краткое содержание.

В первой главе обсуждаются основные результаты и проблемы, связанные с исследованиями процессов ядро-ядерных столкновений при релятивистских энергиях, анализируются имеющиеся теоретические модели образования мезонов в этих процессах, дается обзор экспериментальных данных.

Имеющиеся теоретические модели образования кумулятивных частиц условно можно подразделять на следующие основные группы.

Флуктонные модели, базирующиеся на гипотезе Блохинцева о возможности образования в ядре флуктуаций плотности - многонуклон-ных (многокварковых) конфигураций, взаимодействие с которыми может привести к образованию частиц с X > 1;

Статистические или кластерные модели, предполагающие образование - в результате столкновения взаимодействующих частиц - высокотемпературной области адронпой материи. В силу своей возбужденности, эти вновь образованные объекты (кластеры) слабо взаимодействуют с окружающей ядерпой средой и их поведение может быть описано на основе термодинамических уравнений или с помощью уравнений релятивистской гидродинамики Ландау. По мере "остывания" кластера происходит его адронизация, при которой возможно образование кумулятивных частиц;

И пакопец, можно выделить группу моделей, пытающихся совместиь наиболее привлекательные черты указанных выше групп - так называемые смешанные модели.

В результате экспериментального изучения процессов глубоконе-упругого рассеяния лептонов на дейтроне и ядрах подробно измерена зависимость структурных функций от атомного веса ядра, получившая название ЕМС-эффекта. Вследствие малости сечения лептон-ядерного взаимодействия, прецизионные измерения выполнены в области х < 1 (х - переменная Бъеркена).

В результате изучения большого класса ядерных реакций типа h -f А —► с(~ 180°) + х получены следующие основные результаты.

1. Наблюдаются частицы с энергией, в несколько раз превышающей максимальную величину, допустимую кинематикой нуклоп-нуклонпого соударения (т.н. кумулятивные частицы).

2. Инвариантные сечения кан функции кинетической энергии Т вторичных частиц характеризуются экспоненциальным спадом

Edajdp и С ■ ехр(-Г/Т0).

Параметры С и То почти не зависят от энергии и вида налетающих частиц.

3. Зависимость инвариантного сечения от атомного номера А ядра мишени проявляется как С ~ Ап, причем параметр п близок к 1.

Имеющиеся в настоящее время данные о кумулятивном рождении мезонов в ядро-ядерных взаимодействиях в основном получены для заряженных частиц и относятся к области до энергии 3 ГэВ/нуклон. В экспериментах, выполненных группой Мёллера и др. (Беркли, США)

получены нетривиальные зависимости сечения от атомных весов ядра------------

снаряда и ядра-мишени, а именно: аномально сильная зависимость от

веса ядра-снаряда в области X > 1 (как А"2'0 для ядер а и С12 при X ~ 2). Значение степени в А-зависимости для ядра-мишени приближается к ~ 0.4 при X ~ 0.6.

Цель наших экспериментов - изучение рождения нейтральных пионов в ядро-ядерных взаимодействиях при энергии 4.6 ГэВ/нуклон. Особенность нашей постановки - это возможность измерения в одном эксперименте 7г°-мезонов в широком интервале поперечных импульсов, что позволяет подробно исследовать зависимость степеней ш и тг в параметризации Ед.о1йр ~ А™ (или А1}) как от Хр и X, так и от поперечного импульса пионов в интервале до 0.9 ГэВ/с.

Вторая глава посвящена методике эксперимента и обработке данных. Приводятся описание и основные характеристики экспериментальной установки - 90-канального черепковского гамма-спектрометра ФОТОН. Аппаратура (рис. 1) включает мониторные сцинтилляцион-ные счетчики (Э,А), годоскоп сцинтилляционных счетчиков (БН), ориентированных по вертикали и горизонтали с общим числом элементов, равным 40.

Рис.1 Схематический чертеж экспериментальной аппаратуры.

События типа nj (где п=1,2,...) регистрируются 90-канальным черепковским 7-спектрометром из свинцового стекла (Сг). Пороговый

газовый счетчик (С]) используется при калибровке элементов спектрометра в пучках вторичных е,...) частиц. Установка работает в линию с ЭВМ НР-2116В.

Основные характеристики спектрометра приведены в таблице.

Таблица

Гамма-спектрометры 90 модулей из свинцового

стекла марки ТФ-1

Размеры модуля

а) сечепие гексагопальпое; радиус

вписапной окружности 9 см

б) длина 35 см = 14 рад. ед.

Пространственное разрешение ~ 4 см

Угловое разрешение при расстоянии

между мишенью и детектором 340 см 0.7°

Энергетическое разрешение (4.3 • Е, ГэВ

Стабильность коэффициента 1 -5-2 %

усиления

Динамический диапазон 50 МэВ -т- б ГэВ

Минимальная энергия, выделяемая 384 МэВ в электронных

заряженной частицей в спектрометре эквивалентах

Особое внимание в данной главе уделено вопросам измерения энергий 7-квантов: методическим исследованиям черепковского 7-спектро-метра в пучке вторичных (ж,р.,е,...) частиц и восстановлению энергии 7-квантов. Описан метод определения среднего импульса и состава пучка заряженных частиц при помощи порогового газового счетчика [1]. Основной принцип метода заключается в следующем.

Эффективность порогового газового счетчика зависит от среднего числа N фотоэлектронов, выбиваемых из фотокатода ф.э.у. При регистрации частицы с массой т и импульсом р величина N равна:

* = ^ - !) - ~ - <?*), (2)

где А - постоянная для дапного счетчика, п - коэффициент преломления газа, которым заполпеп счетчик, ц — п2 —-1, дг=~ (т/р)2.-------------------

В предлагаемом методе мы исходим из вытекающего из формулы (2)

свойства зависимости е(д):

е(?.?0 - ~9t,0)

(3)

Согласно (3) величину <}{ можно определить, используя данные, полученные при регистрации высокоэнергетических электронов, для которых величина практически равна 0 (напрмер, при ре > 500МэВ/с величина = (ше/ре)2 < Ю-6). В таком случае

Такое определение qt позволяет исключить систематические ошибки, обычно возникающие при экстраполяции экспериментальной кривой e{q,qt) приближенными формулами.

Метод опробован на 7г~-мезонном пучке синхрофазотрона ОИЯИ. Использовался счетчик длиной 150 см и внутренним диаметром 15 см. Пучок содержал 6.9±0.4% //"-мезонов и 2.7±0.1% электронов (рис. 2). Метод позволил достигнуть точности определения среднего импульса пучка ~ 0.15% (Р, = Ее = 2.970 ± 0.005 ГэВ). В этой же главе изложен вывод формулы, позволяющей восстанавливать энергию электронов и 7-квантов, зарегистрированных спектрометром полного поглощения [2]. Формула учитывает влияние конвертора и нелинейность чувствительности спектрометра в области низких энергий.

Амплитуда сигналов, полученных с помощью спектрометра при регистрации электрона или 7-кванта определяются, в основном, двумя факторами: эффективностью поглощения ливня в радиаторе и эффективностью собирания света на фотокатод ф.э.у. Наблюдаемая на опыте линейность 7-спектрометров в широком диапазоне энергий объясняется тем, что нелинейности вызванные этими двумя факторами взаимно компенсируются: с увеличением энергии увеличивается эффективность собирания света за счет приближения центра тяжести ливня к фотокатоду; при этом сокращается доля ливня, поглощающаяся в радиаторе. Следовательно, в области относительно низких энергий, когда ливень поглощается в радиаторе практически полностью, эффекты нелинейности могут стать существенными. Кроме этого, калибровка спектрометров

Ча-qt- Яае, или qt ~ qa - qae

(4)

где qa и qae ~ значения q, при которых

е{Яа, 4t) = £(qae,0) = а, а < 1

««

цг

.у

/

~Ратм)

Рис.2 Зависимость эффективности порогового газового счетчика от давления азота, содержащего ~ 10% воздуха, при Т ~ 292 К.

чаще всего осуществляется на электронах, что может привести к систематическим ошибкам в измерениях энергий 7-квантов из-за различия между характеристиками ливней от электронов и 7-квантов.

Результаты расчетов коэффициента линейности в зависимости от энергий электронов и 7-квантов для спектрометра из свинцового стекла ТФ-1 длиной 14 рад.ед. представлены на рис. 3.

Наличие конвертора перед спектрометром приводит к ионизационным потерям электронов и к эффективным потерям, обусловленным

тормозным излучением. Последнее дает вклад в амплитуду, не пропорциональный энергии излучения вследствие нарушения линейности спектрометра в низкоэнергетической области: Е^ ~ 100 МэВ, Ее ~ 300 МэВ. (см. рис. 3). На рис. 4 представлены зависимости амплитуды

100

Рис.3 Зависимость коэффициента линейности спектрометра из свинцового стекла ТФ-1 толщиной 14 рад.ед. от энергий электронов и 7 -квантов.

Рис.4 Зависимость амплитуды сигнала А черенковского 7 -спектрометра от толщины t медного (а) и свинцового (б) конверторов. Точки - экспериментальные данные для Ее = 3.26 ГэВ; пунктирная линия - экспериментальные данные для Ее = 1 ГэВ, аппроксимированные формулой АЕ = 1.8f1>s(£;e - 150)°-5 где ДЕ - потери энергии (МэВ), Ее - энергия электрона (МэВ), t - толщина конвертора (рад.ед.). Сплошная линия - расчет для 7 -спектрометра из свинцового стекла ТФ-1 длиной 14 рад.ед (а) и из стекла SF-5 длиной 15 рад.ед. (б)-

100 300

E-JMsB)

сигнала для двух спектрометров, различающихся длиной и прозрачностью радиаторов, от толщины медного (а) и свинцового (б) конверторов. Как видно из рисунков 4 а и б, результаты расчета согласуются с экспериментальными данными.

На рис. 5 представлены спектры эффективных масс для пар у-квантов до (рис. 5а) и после (рис. 56) введения поправок на энергетические потери. Гамма-кванты, образующиеся в реакции 7г~ + С12 —» 7Го(180°) + х при Рж- = 3.81ГэВ/с, регистрировались с помощью 90-канального гамма-спектрометра из свинцового стекла ТФ-1 длиной 14 рад.ед.. Суммарная толщина медных конверторов, расположенных перед спектрометрами, £ ~ 1.2 рад.ед. Из рис. 5 видно, что после введения поправок среднее значение эффективной массы довольно хорошо согласуется с табличным значением массы 7г°-мезона.

Рис.5 Спектры эффективных масс двух 7-квантов от распадов 7г° —► 77: а - без поправок, б - с учетом энергетических потерь.

В заключении второй главы обсуждаются вопросы обработки экспериментальных данных: отбора и идентификации событий тг° —► 77; вопросы подавления фона и вычисления сечений.

Эксперимент проводился на пучке протонов, а-частиц и ядер углерода с импульсом 4.5 ГэВ/с (АР/Р = ±2%) и интенсивностью от 40 до 300 тыс. частиц/цикл.

_Экспериментальная аппаратура (рис. 1) позволяла измерять как

энергии, так и направления вылета 7-квантов, образующихся в результате распада 7г° -мезонов. Толщина углеродной мишени по пучку со-

I I . . . I . . n I . , .......

30 150 250 ili!r(.U.3B)

п I , I

5

50 150 250 JUy, (А1эВ)

ставляла 12.6 г/см2 (0.3 рад.ед.), толщина медной мишени - 5.4 г/см2 (0.4 рад.ед.). События типа wy, где п=2,3,..., генерируемые в мишени, регистрировались черенковским 7-спектрометром, содержащим 90 детекторов из свинцового стекла. Детекторы 7-спектрометра работают независимо и собраны в матрицу 7 х 13 размерами 140 х 215 см2.

Гамма-спектрометр разделен на 14 групп по 6 или 7 модулей в каждой группе. Сигналы в группе линейно суммируются и поступают на входы дискриминаторов. Пороги дискриминаторов устанавливались на уровне 1 ГэВ в экспериментах на пучке протонов и на уровне 1.5 ГэВ в экспериментах на ядрах Не4 и С12. Запуск установки производился при совпадении сигналов пучковых сцинтилляционных счетчиков, гало-счетчиков (в антисовпадении) и двух и более групп 7-спектрометров при условии, что энерговыделение в этих группах превышает установленный порог. Средняя скорость набора около 15 событий в цикле при длине события 132 16-разрядных слова.

В течение эксперимента через углеродную и медную мишени было пропущено соответственно 1.03 х 109 и 3.2 х 109 протонов, 1.9 х 109 и 0.8 х 109 а - частиц, 0.33 х 109 и 1.14 х 109 ядер углерода. На магнитные ленты было записано, в целом, 1.3 х 106 триггеров.

7г°-мезоны регистрировались по распадам на два гамма-кванта и отбирались из пика в распределении по инвариантной массе (см. рис. 6, 7). В электромагнитном калориметре фотоны распознавались как кластеры (область смешных модулей в 7-спектрометре с сигналом превышающим порог регистрации). Энергия фотона вычислялась по энерговыделению в модулях кластера с учетом потерь, зависящих от места попадания 7-кванта. В предположении, что фотоны генерируются в мишени, направление вылета 7-кванта определяется в зависимости от геометрии кластера с учетом энерговыделения в модулях.

Первичная информация обрабатывалась по программе геометрической и энергетической реконструкции событий. Отбирались события, удовлетворяющие следующим критериям:

для реакции р -j- А для реакций (а, С) + А

Здесь Е7 и соответственно энергия и поперечный импульс 7-кванта, Р\_ - поперечный импульс 77 пары.

Е-у > 500 МэВ к^ > 120 МэВ, Рх > 70 МэВ

'7 _

£7 > 800 МэВ к±1 > 180 МэВ, Р± > 160 МэВ

'7 —

Рис.6 Распределение по эффективной массе пар у -квантов в реакциях р + С (а), а + С (б), С + С (в), С + Си (г). Пунктирными гистограммами представлен фон. На вкладках показаны спектры после вычитания фона. Пунктирная гистограмма на вкладке (в) - результат моделирования распадов 7г° —> 77 методом Монте-Карло в условиях реального эксперимента. 7 -спектрометр был расположен на расстоянии 340 см (аЧ-в) и 520 см (г) от мишени.

Распределния по эффективной массе М77 попарно скомбинирован-

пых 7-кваптов с энергией ЕУ1 +~ЕУ2 > 2 ГэВ представлены на рис.6,7.----------

Как видно из рисунков, в экспериментальных гистограммах в раз-

личных областях значений кумулятивного числа X до X < 2 пик от 7Г°-мезонов и фоновые события хорошо разделяются.

Пунктирными гистограммами на рис. 6,7 представлены распределения по эффективной массе комбинаций из двух 7-квантов, отобранных по случайной выборке из разных собитий. Этот спектр был использован для оценки фона. В распределении пар случайно отобранных 7-квантов по углу разлета между 7-квантами наблюдается избыток пар с малыми углами разлета. Влияние таких пар па распределение по

эффективной массе существенно в интервале М11 интервал масс при обработке исключался.

100 МэВ. Этот

2000

к 1500

С + С -> 7Т

+ х

\о о о

о Е о

к

1000

500 -

900

Рис.7 Распределение по эффективной массе пар 7 -квантов в различных областях значений куммулятивного числа X.

Расчет эффективности регистрации и отбора 7г°-мезонов осуществлялся путем моделирования по методу Монте-Карло. Моделирование реакций (1) производилось на основе данных по множественному рождению 7г°-мезонов, полученных в экспериментах на 2-метровой про-пановой камере ЛВЭ ОИЯИ. Для моделированных событий проверялось попадание 7-квантов в установку, разыгрывалось энерговыделение

в модулях 7-спектрометра и требовалось выполнение условий триггера. Для вычисления энерговыделений в ячейках 7-спектрометра использовался пакет программ ЕМСА811, с помощью которого моделировались электрон-фотонные ливни. События записывались па магнитные ленты для последующей обработки с помощью программ геометрической и энергетической реконструкции событий. Величины инклюзивных сечений образования нейтральных пионов были вычислены для углов Оъо < 16° и энергий Ежо > 2 ГэВ (л.с.к.). Точность абсолютной нормировки величин сечепия составляет ~ 20%.

В третьей главе приведены основные результаты эксперимента.

1. Представлены инвариантные сечения реакций (1) в зависимости от переменных Хр = Р^/Р^ап кумулятивного числа X и Р2 в пределах 0.6 < X < 2 и 0 < Р2 < 0.8 (ГэВ/с)2. Приводятся значения параметров Х0 и В, найденные в результате аппроксимации экспериментальных данных функциями Ейсг\(1р ~ ехр(— Х/Х0) и ¿а/ёР^ ~ ехр(—&Р]_)- Величина Х0 возрастает с ростом атомного веса ядра снаряда и составляет Хо = 0.145±0.002 для а-частиц и достигает значения Х0 = 0.176 ± 0.007 для ядра углерода (данные приведены для Р± ~ 0).

Параметр В в интервале 0.4 < Р]_ < 0.8 (ГэВ/с)2 равен: В = -10.0 ± 0.4 для налетающих а-частиц и В = 9.0 ± 0.3 (ГэВ/с)-2 для ядра углерода.

Полученные результаты сравниваются с известными экспериментальными данными для реакций р+ А —у х(~ 180°)+ х при импульсе протонов от 6 до 400 ГэВ/с и с данными для реакций Ад + Ат —► 7г(~ 0°) + х при импульсе 2.9 ГэВ/с на нуклон (рис.8). Наблюдается сильное различие между параметрами Хо при импульсах 2.9 и 4.5 ГэВ/с на нуклон как для налетающих ядер С12, так и для налетающих а-частиц.

При сравнении наших данных (4.6 ГэВ/нуклон) с данными при более высоких энергиях наблюдается существенное расхождение для ядра углерода: с увеличением атомного веса фрагментирующего ядра, выход сечения на скейлинговый режим наступает при более высоких энергиях.

2. Из сравнения инвариаптых сечений реакций а + Ат —* тг° + х и С + Ат —► 7Г° + х определены значения степени тп в параметризации Ес1а/(1р ~ А™. Зависимость параметра тп от кумулятивного числа X и поперечного импульса Р±_ 7г°-мезонов представлена на рис. 9. Как

видно из рисунка, в области X ~-1 есть аномально сильная зависимость ---------

сечения образования 7г°-мезонов от массы ядра-снаряда, причем эта

Рис.8 Инвариантные инклюзивные сечения образования 7г°-мезонов в зависимости от кумулятивного числа X: + - данные настоящей работы; штрихпунктирные линии - а + С —► 7г-(0°) + х (а) и С + С —► 7г~(0°) +х (б) при импульсе налетающих ядер 2.9 ГэВ/с на нуклон; о, • -р+а -> 7г±(180°)+х при Рр = 8.9 ГэВ/с; □ -р+С -> л-(180°)+х при Рр = 6ГэВ/с; А, А-р+С ^±(160°)+х при Рр = 400 ГэВ/с. Данные приведены для Рх — 0, для чего в величины сечений введены поправки, учитывающие зависимость Ейа/йр ~ <р[Р*) — 0.1 + 0.9ехр(—2.7Р±), в ГэВ/с.

зависимость усиливается с ростом как X, так и Р±.

Зависимость инвариантного сечения от атомного веса ядра-мишени представлялась формулой Е<1а/<1р ~ Лу, где Ат = С, Си. Как видно из рис. 10, в области X > 0.6 и Р±_ < 0.5 ГэВ/с сечение слабо зависит от массы ядра-мишени, причем характер этой зависимости слабо меняется с изменением как X, так и Среднее значение п в области 0.62 < < 0.98 равно 0.39 ± 0.02 (по данным, полученным на пучке протонов); в области 0.94 < X < 1.88, п = 0.37 ± 0.02.

В случае налетающих протонов получено указание на то, что зависимость п{Хр) имеет различный характер в областях Хр < 0.8 и

2.4

2.0

<1.6

1.2

0.8 0.7

С/а

1.2

(а)

1.7

2.2

2.2

0-1

1.8

1.4

Щ

1.0

С/а I I < •

• 1 I '{т п { 1 { (б)

0.1

0.3

0.5

Рд , (ГэВ / с)2

0.7

0.9

Рис.9 Зависимость степени т в параметризации Ейсг/йр ~ А™ от кумулятивного числа X (а) и квадрата поперечного импульса 7г°-мезонов (б). Представлены данные настоящей работы, полученные на углеродной (<)) и медной (♦) мишенях. СД,М - данные, полученные в Беркли на углеродной мишени, при импульсах налетающих ядер соответственно 1.8 и 2.9 ГэВ/с на нуклон.

Хр > 0.8 (рис. 106).

3. В области Хр > 0.66 найдено факторизованное представление инвариантного сечения реакции р + С —► я-0 + х по Хр и Р2:

Е<Ь/ар=Г(ХР)-Ф{Р1), (5)

где Ф(Р2) = ехр(-Р2/ < Р1 >) при < Р2 >= 0.10 ± 0.01 (ГэВ/с)2.

X

Рис.10 Зависимость степени п в параметризации £(¿<7/¿р ~ А?г от кумулятивного числа X (а), переменной Фейнмана Хр (б) и квадрата поперечного импульса 7г°-мезонов Р]_ (в).

Зависимость Р(Хр) параметризавалась двумя различными функциями. Ниже приводятся результаты аппроксимации экспериментальных данных этими функциями и соответствующие значения х2 (значения параметра "с" приведены в единицах мб • ГэВ~2 -с3).

Г = с(1-ХР)": (6)

N = 2.30 ± 0.05, с =158 ±10, = 19.7/12 ст.св.;

Р = с(а — Хр)м : (7)

А^ = 2.79 ± 0.13, с = 217 ±21, а = 1.032 ± 0.008 X2 = 5.1/11 ст.св..

На рис. 11 представлены интегральные инвариантные сечения реакции р + С —у 7г° + х: величины (Е*/Р^ах)(1(т/¿Хр в зависимости от Хр для двух различных угловых интервалов 0° < 0Ж < 8° и 8° < О* < 16° (рис. 11а) и дифференциальное сечение (1ст/<1Р£ в интервале 0° < < 16° (рис. 116). Кривые, представленные на рисунке - результат интегрирования с помощью функции (5) при описании зависимости Г(Хр) формулой (7). Из рисунков видно, что указанная функция одинаково хорошо описывает как дифференциальное сечение , так и ^-зависимость сечения в разных угловых интервалах.

Л

О - 0'* 8<8"

\ \ \

N \ 4 \

\

0.6 07 06 00

X,

.04 .<2 .го 2 8 .36

Р' (СеУ/с)г

Рис.11 Интегральные инвариантные сечения и ¿сг/(£Р£

реакции р + С —» 7Г° + х. Кривые - результаты расчетов с помощью формул (5) и (7).

Четвертая глава посвящена обсуждению полученных результатов, их интерпретации и сравнению с предсказаниями моделей кумулятивного мезонообразования.

1. Приводится результат вычислений степепи п в рамках модели кварк-партопной рекомбинации. При описании плотности ядра функцией Вуд'гСаксона, расчеты дают п ~ 0.4, что находится в хорошем согласии с разультатами эксперимента. Согласно модели партонной ре-

комбинации налетающее ядро фрагментирует, когда один из составляющих кварков взаимодействует в мишени. Кварк-спектатор, избежавший взаимодействия и сохранивший таким образом свою первоначальную долю импульса рекомбинирует с медленным (X ~ 0) морским кварком и образует пион с большим Х(Х > 0.4) и малым Р±. В модели не уточняется, до каких значений поперечного импульса может быть справедлив такой подход. Как следует из наших данных, вплоть до Р± ~ 0.6 ГэВ/с для налетающих протонов и до Р± ~ 0.9 ГэВ/с для налетающих ядер степень п в параметризации Eda/dp ~ А?,Ат = С, Си практически не зависит от Р±. Это является указанием на то, что механизм образования пионов с X > 0.6 одинаков для различных поперечных импульсов в указанных интервалах.

2. Зависимость F(Xp) (см. (5)) в кварк-партонных моделях предсказывается в виде

F{Xf) ~ (1 - XFf

Согласно правилам кваркового счета N = 3. Как видно из формулы (6), экспериментальное значение N = 2.30±0.05. Это существенно меньше, чем предсказания модели. Значение х2 на одну степень свободы при таком описании экспериментальных данных составляет 19.7/12, т.е. существенно больше 1. В модели вводится феноменологический множитель для промежуточной области энергий (./Уэфф = 8 • N), значение которого в нашем случае 6 = 0.77.

Как видно из (7), при свободном параметре а вместо 1, значение N близко к 3. Величина а при этом составляет а = 1.032 ± 0.008 при значении х2 — 5.1/11 ст.св. При фиксированном параметре N — 3, значение а равпо:

а = 1.044 ± 0.003 при х2 = 6-6/12 ст.св. (8)

Таким образом, при импульсе Рр = 4.5 ГэВ/с величина N также оказывается равной 3, но с учетом некоторого эффективного смещения кинематической границы: {РтахУФФ ~ Cai' 1-04-

Приведенные выше закономерности допускают следующую интерпретацию.

Поперечные компоненты импульсов кварков в нуклоне не малы и, согласно (5), могут быть описаны функцией Ф(Р2) = ехр(—Р2/ < Р2 >) при < Рх 0.3 ГэВ/с. Такое "ферми-движение" кварков, в частности кварка-спектатора, рекомбинирующего в конечный пион, приводит

к эффективному смещению кинематической границы:

(р;и,)эфф = < Рх >)2 + (PL,- < pl >)2]1/2 ^

~ 1.10 = р*тах- 1-039 (9)

Из сравнения полученного соотношения с формулами (7) и (8) видно, что паблюдаемое смещение кинематической границы (отличие величины а от 1) может быть объяснено поперечной компонентой движепия кварков, или движением кварков в системе покоя протона. "Температура" нуклона, таким образом,

Ря и 0.3 ГэВ/с " (10)

3. Наблюдаемый рост степени то в параметризации Edojdp ~ Л™, Ар — а, С, с ростом поперечного импульса пионов (рис. 8) может быть объяснено перераспределением импульсов кварков, принадлежащих различным нуклонам, вследствие флуктуативной корреляции между нуклонами и обобшествления их валентных кварков.

В заключении сформулированы основные резултагы и выводы диссертационной работы:

По методике -

1. Предложен метод определения среднего импульса и состава пучка релятивистских заряженных частиц при помощи порогового газового счетчика. Метод опробован на 7г~-мезонном пучке синхрофазотрона ОИЯИ. При среднем импульсе 7г~-мезонов 2.970 ± 0.005 ГэВ/с пучок содержал 2.7 rfc0.1% электронов, 7± 0.3% мюонов, вклад других частиц < 1%.

2. Получены формулы для расчета энергетических потерь электронов и 7-квантов в черенковских спектрометрах полного поглощения, учитывающие влияние конвертора и нелинейность чувствительности в области низких энергий.

По физике -

1. На статистике ~ 40 тысяч 7г°-мезонов измерены инвариантные сечения реакций

Ар(р, а, С) + Л((С, Си) ^ тг° + х

при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклон в зависимости от переменных Хр, X и Р± в интервале 0.6 < X < 2.0 и 0 < Р± < 900 МэВ/с.

2. Подробно исследован характер изменения инвариантного сечения и показателей степени т и тг в параметризациях Eda/dp ~ Л™ и Eda/dp ~ Л" в зависимости от AV, X и Pf. Установлены следующие закономерности.

а) С увеличением атомного веса ядра-снаряда параметр Хо в параметризации инвариантного сечения функцией Eda/dp ~ ехр(—Х/Х0) существенно возрастает: Х0 = 0.145 ± 0.002 для а-частиц и достигает значения 0.176 ± 0.007 для ядра углерода.

б) Для налетающих ядер (а;, С12) наблюдается сильное различие между параметрами Хо при импудьсах 2.9 и 4.5 ГэВ/с на нуклон. При сравнении наших данных (4.6 ГэВ/нуклон) с данными при более высоких энергиях наблюдается существенное расхождение для ядра углерода: таким образом, с увеличением атомного веса ядра, выход сечения его фрагментации на скейлинговый режим наступает при более высоких энергиях.

в) Наблюдается сильная зависимость инвариантного сечения образования 7г°-мезонов от массы ядра-снаряда, причем эта зависимость существенно усиливается с увеличением как кумулятивного числа X, так и поперечного импульса пионов Pj_: степень ш в параметризации Eda/dp ~ Л" составляет га = 1.2 ± 0.1 при X ~ 1 и достигает значения 2.1 ± 0.2 при X = 1.9; при значении поперечного импульса пионов Р± = 500 МэВ/с, т = 1.6 ± 0.1 и достигает дот = 2.3 ± 0.2 при Р± = 900 МэВ/с.

г) В области X > 0.6 сечение слабо зависит от массы ядра-мишени, причем характер этой зависимости слабо меняется с изменением как Хр и X, так и Pj_: в области 0.62 < Хр < 0.98 степень п в Eda/dp ~ Л" составляет 0.39 ± 0.02 (по данным, полученным на пучке протонов); в области 0.94 < X < 1.88, п — 0.37 ± 0.02. Полученные данные указывают на справедливость в рассматриваемой области модели кварк-партонной рекомбинации, при описании плотности ядра функцией Вудса Саксона.

д) В области Хр > 0.66 сечение реакции р + С —> 7Г° -f х фактори-зуется по переменным Хр и Р2:

Eda/dp = с-(а- Xpf ■ Ф (Р2), где а — 1.032 ± 0.008, N = 2.79 ± 0.13,

Ф(Р2) ~ ехр(—Р2/0.1), Рх, ГэВ/с.

Найденные закономерности могут быть объяснены поперечным движением кварков в нуклоне, описываемом функцией Ф(Р2). В ядрах имеет место существенное перераспределение импульсов кварков, принадлежащих различным нуклонам, вследствие флуктуативной корреляции между нуклонами и обобществления их валентных кварков.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах;

1. Х.У.Абраамян, М.Н.Хачатурян, Л.Г.Худавердлн. Определение среднего импульса и состава пучка заряженных частиц с помощью порогового газового счетчика. ПТЭ, № б, 1988, стр.24; Препринт ОИЯИ, Р13 - 86 - 593, Дубна, 1986.

2. Х.У.Абраамян, Р.Г.Аствацатуров, М.Н.Хачатурян, А.Г.Худавердян. Восстановление энергии электронов и гамма-квантов в спектрометре полного поглощения. ПТЭ, № 1, 1989, стр.57; Препринт ОИЯИ, Р1 - 87 - 853, Дубна, 1987.

3. Х.У.Абраамян и др. Инклюзивное образование 7г°-мезонов в рС-взаимодействиях при 4.5 ГэВ/с. Труды IX международного семинара по проблемам физики высоких энергий, Дубна, 1988, т.1, стр. 308; Препринт ОИЯИ, Р1 - 88 - 334, Дубна, 1988.

4. Х.У.Абраамян и др. Инклюзивное образование 7г°-мезонов в аС-взаимодействиях при 4.5 ГэВ/с на нуклон. ЯФ, т.51, вып.1, 1990, стр. 150; Препринт ОИЯИ, Р1 - 89 - 240, Дубна, 1989.

5. Х.У.Абраамян и др. Инклюзивное образование 7Г°-мезонов в реакции 12С+12С —> 7г° + х при импульсе 4.5 ГэВ/с па нуклоп. ЯФ, т.53, вып.2, 1991, стр. 472; Краткие сообщения ОИЯИ № 7[46] - 90, Дубна, 1990.

6. Kh.U.Abraamyan et al. Inclusive neutral pion production at forward angles at 4.5 GeV/c per nucleón in a + С —► 7г° + x and a + Си —> тг° + x reactions. Phys. Lett. В 323, 1994, p. 1; JINR preprint El - 92 -307, Dubna, 1992.

7. Х.У.Абраамян и др. Инклюзивное образование 7г°-мезопов в рС-и pCu-взаимодействиях при импульсе 4.5 ГэВ/с. Препринт ОИЯИ, Р1 - 94 - 289, Дубна, 1994.

8. Х.У.Абраамян и др. Исследование образования нейтральных частиц в релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях на 90-канальном гамма-спектрометре ЛВЭ. Результаты и перспективы. Краткие сообщения ~ОИЯИ"ЛГ°"5[68] - 94, Дубна,"1994.

Рукопись поступила в издательский отдел 3 февраля 1995 года.

23