Исследование омега-эта- систем, образующихся в пи-ро-зарядообменных взаимодействиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

и . .

ф государственный научный центр российской федерации

в

Э ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

РГБ ОД

1 3 ДЕК 7ППП

На правах рукописи 2000-50

Самойленко Владимир Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ и^-СИСТЕМ,

ОБРАЗУЮЩИХСЯ В тг~р- ЗАРЯДОВ О О Б МЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 2000

М-2<

УДК 681.3.06.069

Работа вьшолнена в Институте физики высоких энергш (г.Протвино).

Научный руководитель - кандидат физико-математических наув С.А. Садовский.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.Н. Болотов (ИЯИ РАН), доктор физико-математических наук В.В. Аммосов (ИФВЭ).

Ведущая организация - ИТЭФ (г. Москва).

Защита диссертации состоится "_"_2000 г.

в_часов на заседании диссертационного совета Д 034.02.01

при Институте физики высоких энергий по адресу: 142284, г. Протвино Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_" _ 2000 г.

Ученый секретарь

диссертанионного совета Д 034.02.01 Ю.Г. Рябов

ШЛ.^ОЧ.^Ъ.ОЪ^ОЗ

© Государственный научный центр Российской Федерации Институт физики высоких энергий, 2000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из актуальных задач мезон-егой спектроскопии в настоящее время является поиск новых ме-зонных состояний, в том числе экзотических, свойства которых не укладываются в традиционную дд-систему. Экзотические мезоны этличаются рядом интересных свойств, таких как необычный на-5ор мод распада, малое сечение образования и др. Исследование их :войств имеет важное значение для развития квантовой хромодина-шпси и описания спектра масс мезонов.

Целью работы является:

в выделение системы ип] в зарядовообменной реакции;

• экспериментальное изучение системы шт] при импульсах пучка 7г~-мезонов 38 и 32 ГэВ/с.

Автор защищает: V. Обнаружение нового мезонного состояния Х(1650) в системе шт).

2. Измерение его массы и ширины.

3. Определение ¿-зависимости сечения образования Х(1650).

Научная новизна затронутых в диссертации проблем определяется, прежде всего, важностью проделанной работы для мезонной шектроскопии и поиском экзотических состояний. Впервые была выделена исследуемая система в зарядовообменной реакции и проведен зе анализ по данным трех сеансов измерений.

Практическая ценность работы заключается в том, чтс представленные в диссертации результаты могут быть использованы для развития теоретических моделей спектроскопии экзотических состояний. Эти данные могут быть использованы при анализ« событий на различных экспериментальных установках, а также npi: планировании новых экспериментов.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 2 работы в журналах "Доклады АН СССР" и "Доклады РАН", сделано 3 доклада на научных конференциях [1,2,3], которые опубликованы в трудах этих конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 58 страницах, содержит 27 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена важность проблемы, которой посвящена диссертация, описана структура диссертации.

В первой главе дан краткий обзор современного состояния поисков экзотических мезонов. Рассмотрена система шц в реакции дифракционного образования на установке WA57 и изложен ряд работ Коллаборации ГАМС в области поисков экзотических мезонов.

В принятой в настоящее время классификации экзотических состояний различают открытую и скрытую экзотику. В первом случае квантовые числа не могут быть реализованы в простой кварковой модели, например, Jpc = 1_+ или изоспин I > 1 для мезонов. Во втором случае квантовые числа — обычные, но необычна внутренняя структура адрона, что и побуждает отнести его к разряду экзотических. Внутренняя структура может проявляться в выделенности специфических процессов рождения или каналов распада.

Поиски экзотических адронов ведутся по следующим направлениям:

в Радиационные распады ,7/Ф-частиц. в Экзотические каналы распада. • Образование адронов в центральной области. а Определение квантовых чисел резонансов, которые могут быть экзотическими.

На установке ГАМС большое внимание уделялось поиску экзоти-[еских состояний. Первым открытием было наблюдение кандидата ! скалярный глюбол С(1590) в моде щ.

Другие кандидаты Х(1750) и Х(1910) наблюдались в модах т]т] г щ'. Большим достижением установки ГАМС было выделение системы 47г° (мода 87). Анализ распределения по симметризованному сосинусу распада позволил сделать вывод, что квантовые числа 7РС(Х(1810)) = 2++. Х(1810) не идентифицируется с каким-либо установленным резонансом с теми же квантовыми числами и распадающимися по каналам тгтг или К К. Этот резонанс не наблюдается >, моде 27г+2тг-, т.е. отсутствует распад по симметричному каналу р°р° в данном случае). Эти факты свидетельствуют об экзотической трироде Х(1810) и возможности рассмотрения его как кандидата в тензорные глтоболы.

Во второй главе описана постановка эксперимента на установке ГАМС-2000 и ее модернизированной версии ГАМС-4-7г. Рассмотрены процедуры настройки нейтрального триггера и работа системы сбора данных.

Все данные были получены на пучке заряженных частиц канала 4В ускорителя У-70 ИФВЭ. Установка ГАМС-2000 была создана для исследований процессов перезарядки птр —» М°п с последующим распадом нейтральной мезон-ной системы М° —> тгу. Небольшая 3%) доля К~-

Рис. 1. Схема установки ГАМС-2000.

мезонов дает возможность изучать каонную перезарядку. Схем; установки показана на рис. 1.

Тип частицы (V, К.р) определяется черенковскими счетчикаш С1 и С4. После жидководородной мишени ЬН2 находятся сцинтил ляционные счетчики регистрирующие летящие вперед за

ряженные частицы. Е1 и Р2 включены в антисовпадения с сигна лом П«=1,5 от пучковых счетчиков. Сцинтилляционные счетчик* А12 регистрируют заряженные частицы, летящие вбок и попада ющие в охранную систему <35, выполненную из свинцового стекла Спектрометр ГАМС-2000 представляет собой матрицу 48x32 (позднее 48x48) счетчиков из свинцового стекла. Поперечное сечение счетчика имеет размер 38x38 мм2, длина каждого счетчика 40 см. С торца каждый счетчик просматривается фотоумножителем ФЭУ-84-3

Программы технического и физического контроля на рабочей станции позволяли оперативно проводить калибровку детекторов, отслеживать их техническое состояние, а по физическим гистограммам оценивать качество получаемых физических данных.

Рассмотрена калибровка ГАМС широким электронным пучком энергией 10 ГэВ. Калибровочные коэффициенты заносились в память процессора для выработки триггера последней ступени - с вычислением первого и второго моментов (Мс, Мд) события. Это позволяет контролировать в режиме реального времени качество калибровки (по ширине электронного пика) и чистоту триггера (по пику упругого рассеяния в ГАМС).

В третьей главе описана процедура геометрической реконструкции событий, предназначенной для восстановления 4-импульсов 7-квантов, зарегистрированных спектрометром ГАМС. Подробно рассмотрены источники фона, обусловленные как детектрирующими свойствами спектрометра (пороговая энергия регистрации 7-квантов и конечное пространственное разрешение), так и условиями, при которых проводился набор статистического материала (интенсивность пучка, качество нейтрального триггера и др.). Показано, что спектры масс 27- и 37-событий, представленные на рис. 2, являются эффективным тестом качества работы программы реконструкции и физических данных.

3000 2500 2000 1500 1000 500 О

0 0.2 0.4 0.6

1

М„, GeV

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 М3т, GeV

Рис. 2. а) Спектр масс 37-событий без отборов, применяемых для выделения ш^-системы (описание отборов см. ниже); Ь) то же с применением отборов.

Описана процедура кинематического фита, задачей которого является уточнение кинематических параметров реакции за счет привлечения дополнительной информации. С математической точки зрения эта задача сводится к условной минимизации функционала X2 = J2iixi ~ ai)2/aii гДе xi ~ измеренные величины, а{ - уточненные в результате фитирования значения измеренных величин (называемые параметрами фита), ег{ - ошибка в измерении величины г,-. Величинами г,- являются компоненты 4-импульса пучка, точка взаимодействия в мишени и восстановленные программой реконструкции энергии и координаты (х, у) 7-квантов. Дополнительные условия определяются исследуемой физической системой и записываются в виде уравнений связи на массу комбинации 7-квантов (обычно это парные массы): (рх + Рг + •••)2 = т2а, m2Jm?0 — 1 = 0, где та и т0 - измеренная и табличная массы частиц, зарегистрированных в конечном состоянии.

Эффективность регистрации процесса была представлена в виде ряда Фурье е(ж) = ^л 6а/а(ж) по полной системе функций Д(г), ор топор мир ованных на гиперкубе Ат. Коэффициенты разложения бд соответственно равны

Практические расчеты показывают, что в сравнительно простых случаях (в пространстве 3-4 измерений) предложенный метод хорошо работает.

В четвертой главе подробно рассматривается процедура выделения системы и>17, которая ранее в зарядовообменных реакциях не наблюдалась. Выделение системы со7] представляет собой сложную задачу - необходимо при сохранении высокой эффективности изучаемой системы полностью подавить фон от других, на порядок более интенсивных, реакций.

57-события были отобраны из r; 5-107 событий, зарегистрированных спектрометром Г AMC. Для подавления фона, связанного с условиями работы спектрометра (сильная загрузка центральной части ГАМС, гало пучка, шумы электроники), на первом этапе обработки были введены специальные требования на 7-кванты события.

Корреляции отборов 7-квантов позволяют изучить внутреннюю взаимосвязь различных обрезаний и компенсировать ослабление одних отборов усилением других для получения максимального эффекта.

Затем для уточнения значения энергии фотонов был выполнен 1С-фит. С технической точки зрения, удобно сразу подавить комбинаторный фон от интенсивно образующейся а;7г°-системы, поэтому события с двумя парными массами в окрестности 7г°-мезона (80 < т77 < 150 МэВ) выбрасывались из дальнейшей обработки. Этим же отбором подавляется система Зтг° с потерянным 7-квантом. Как видно из табл.1, уровень подавления экспериментальных 5у-событий достигает 0.5-10"3 при достаточно высокой (~ 0.25) эффективности регистрации ^-системы, определенной методом Монте-Карло.

(1)

Таблица 1. Влияние применяемых отборов на подавление событий

Отбор МС, Б ирг г МС, Сиг Ехр, Бирг1 Ехр, СиЬ

1.{х,у)1 > (х,у)еепиг 0.90 0.90 0.58 0.58

2.Е7 > Ещп) 0.79 0.88 0.45 0.73

З.Д77 > И1Н 0.77 0.99 0.34 0.76

4-Ху < хк 0.55 0.69 0.21 0.48

5.ЛГ = 57 0.47 0.85 0.21 ■ 10~3 0.13

б.Ещг € (Ет{п, Етах) 0.40 0.87 0.18 ■ ■ Ю-1 0.81

7.по^(7г°7г°7) 0.31 0.77 0.13 • 10~2 0.75-10"

8.77тг°7 0.28 0.92 0.94 • 10~3 0.71

9.Е^5 > Е{д 0.28 и 1.0 0.94- 10~3 и 1.0

Ю-Хзс < х\к 0.28 и 1.0 0.91 • 10~3 0.98

11.т7ГТ € ти 0.25 0.89 0.51 • 10~3 0.69

Примечание: Первые две колонки - данные Монте-Карло при моделировании процесса -к~р —» М°п —* шцщ две последние колонки получены по данным апрельского сеанса 1984 г. Суммарный фактор подавления (первая и третья колонки) определяется как ЗирГ{ = П*=1 где Си1{ - фактор

подавления отбора г (вторая и четвертая колонки).

События, прошедшие 2С фит (фиксированы массы нейтрона отдачи и тт°-мезона), содержат систему 1Г°3"{. Итоги проведенной работы показаны на рис., где четко выделяется пик, соответствующий выделению системы ил].

Уровень "подложки" под г/- и ш-мезонами показывает качество отобранных событий. //-мезон (после 2С-фита) выделяется уверенно во всем интервале масс ^-системы, фон составляет примерно 15%. В зави-

Рис. 3. Выделение ^-системы, т77 - т,7 после 2С-фита (фиксированы массы нейтрона и 7Г°-мезона).

симости от тпш подложка под о;-мезоном ведет себя по-разному (рис. 4). В околопороговой области рассмотрение поведения фоне осложняется малостью статистики.

>

<и о

о

о

60 -

40

20

О

■ ь ( 1

■Ч 1 , 1 , 1л 1 1 1

).2 0.4 0.6 0.8 1 -1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

М_, GeV

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

GeV

Рис. 4. Спектр масс тг°у после ЗС-фита в разных массовых интервалах системы 7Г°777: а) тп-„,-,,1 — 1.5 ГэВ; Ь) т„-ч71.5 — 2.0 ГэВ; с) пц^ 2 — 2.5 ГэВ; а) т^ > 2.5 ГэВ.

Следующий этап обработки заключался в определении уровня подавления физического фона для событий системы шт], который можно разделить на события от систем, распадающихся на те же

57, и на события с большей множественностью, но потерянным 7-квантом. Примером первой фоновой системы является уже упоминавшаяся о;7г°, с распадом по каналу 67. Ко второму классу относятся главным образом системы и 7/7г°х°, которые при потере одного фотона переходят в класс событий с пятью 7-квантами. На рис. 5 показано подавление системы 7]тг°к°.

>

аз о см о

о

>75

50 -

25 -

>

а>

о

о о

40

20

М5т, СеУ

М„, СеУ

Рис. 5. а) Пунктирная линия - спектр масс 57-событий после реконструкции смоделированных событий процесса т_р —» т]тг°ж°п] сплошная линия - спектр масс шг], ЗС-фит, полученный из тех же смоделированных событий, б) Спектр масс подсистемы 7Г°7, 2С-фит (фиксированы массы нейтрона и 7г°-мезона).

Кратко обсуждается возможность выделения системы шт)', предложен способ подавления комбинаторного фона для этой системы.

Представленные в диссертации результаты основаны на обработке трех сеансов, проведенных на установке ГАМС. Во всех сеансах наблюдается пик с массой около 1650 МэВ и шириной, близкой

>

<u о

CN1

О О

2

Рис. 6.

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

М„,, GeV

Спектр масс шг] после ЗС-фита, \t\ > 0.10 (ГэВ/с)2, сеанс 1993 г.

к аппаратному разрешению спектрометра для каждого сеанса (см. рис.6). В области масс 1600 МэВ разрешение спектрометра составляет примерно о — 40 МэВ после ЗС-фита.Структура в области масс 2200 МэВ не обсуждается из-за малого количества событий.

Спектр масс о^-системы в области 1500-1800 МэВ фитировался суммой полинома, описывающего континуум, и гауссом - для определения ширины и массы резонанса. Масса наблюдаемого в настоящем эксперименте Х(1650)-мезона получена равной

М = 1652 ± 7 МэВ.

(2)

Точность массовой шкалы спектрометра была проверена по распадам 77 —> Зх° и Г]' —> т]тт°тг°, которые имеют близкую множественность 7-квантов. Массы т), т}' равны табличным с точностью не хуже 1%.

Ширина пика совпадает с аппаратурным разрешением спектрометра ГАМС, верхняя граничная оценка ширины Х(1650)-мезона составляет

Г < 70 МэВ. (3)

Зависимость сечения образования Х(1650) от переданного импульса f показана на рис. . Зависимость описывается экспонентой

0ы

с наклоном

Ъ = 3±1 (ГэВ/с)-2. (4)

Экстраполяция сечения образования при t —> 0 дает величину сечения образования Х(1650)-мезона

а{ж"р -> Х(1650)га) • BR(X( 1650) шт}) - 10 ± 3 нб. (5)

0.3 0.4

2

Рис. 7.

Это достаточно малая величина, и в этом отношении Х(1650) ведет себя подобно двум другим открытым на установке ГАМС мезонам - Х(1750) и Х(1910), которые были рассмотрены выше. зависимость сечения образования Х(1650) достаточно пологая, что говорит в пользу преимущественного образования исследуемого мезона в области больших передач импульса.

Статистическая обеспеченность Х(1650), 100 ± 15 событий по трем сеансам, явно недостаточна для проведения полноценного парциально-волнового анализа этого мезонного состояния. Но проведенный анализ угловых распределений исключает возможность нулевого спина, т.е. явной экзотики.

Учитывая наблюдаемые каналы распадов Х(1650)-, Х(1750)- и Х(1910)-мезонов, можно сделать вывод о схожести указанных состояний. Сами же реакции зарядовообменного тг#-рассеяния при больших передачах импульса представляются весьма перспективными для поиска новых экзотических состояний.

В заключении кратко сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан и реализован способ выделения редкой системы ит) в зарядовообменной реакции.

2. Обработаны данные трех сеансов измерений, проведенных на ускорителе ИФВЭ в период 1984-1993 гг. В ходе обработки из примерно 5 • 107 событий отобрано около 3 тысяч событий о;г;-системы.

0.1 0.2

(СеУ/с)

¿-зависимость сечения образования для Х(1650), сеанс 1993 г.

3. Обнаружен новый мезонный резонанс Х(1650) в системе шт]. Измерены масса и ширина

М = 1650 ± 7 МэВ, Г < 70 МэВ. (6)

4. Измерена ¿-зависимость сечения рождения Х(1650)

^~еЬ4,Ь = 3±1 (ГэВ/сГ2. (7)

Полное сечение образования Х(1650) с последующим распадом по каналу шт) получено экстраполяцией этой зависимости к < = 0 и равно 10 ± 3 нб.

5. Установлено, что спин Х(1650) не равен нулю, и, как следствие, квантовые числа этого состояния не являются экзотическими в явном виде.

Список литературы

[1] Прокошкин Ю.Д., Самойленко В.Д. // ДАН. 1991. Т. 318. С. 1367-1370; Препринт ИФВЭ 91-37, Протвино, 1997.

[2] Прокошкин Ю.Д., Самойленко В.Д. // ДАН. 1996. Т. 348. С. 439-441.

[3] Prokoshkin Yu.D., Samoylenko V.D. Proc. Sixth Intern. Conf. on Hadion Spectroscopy HADRON'95, Manchester (1995) 439-441; Prokoshkin Yu.D., Samoylenko Y.D. Proc. Intern. Europhysics Conf. on High Energy Physics, Brussels (1995) 77-78; Physics-Doclady, 348, V.2 (1996) 481-484.

[4] Самойленко В.Д. — Препринт ИФВЭ 86-182, Серпухов, 1986.

Рукопись поступила 13 ноября 2000 г.