Исследование процессов одиночного и парного образования адронов с большими поперечными импульсами в РР-соударениях при энергии 70 ГЭВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. УСТАНОВКА. ДЛЯ ИШЕРЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТИЦ С БОЛЬШИМИ ПОПЕРЕЧНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ.

1.1. Структура спектрометра.

1.2. Пучок, мониторирование.

1.3. Идентификация частиц

1.3.1. Черенковские пороговые счетчики

1.3.2. Черенковский спектрометр полного поглощения

1.3.3. Мюонный. идентификатор.

1.3.4. Система измерения времени пролета.

1.4. Измерение временных интервалов.

1.4.1. Измерение временных корреляций.

1.4.2. Многоканальный временной селектор.

1.4.3. Система контроля временных измерений

1.5. Измерение координат траектории частиц.

1.5.1. Однокоординатные дрейфовые камеры.

1.5.2. Двухкоординатные дрейфовые камеры.

1.5.3. Метод измерения пространственного разрешения дрейфовых камер.

1.5.4. Улучшение пространственного разрешения в дрейфовых камерах с большими дрейфовыми расстояниями.

1.5.5. Метод выделения "истинных" координат в дрейфовых камерах.

1.5.6. Метод измерения угла поворота траектории частицы.

1.6. Точность измерения импульса частицы.

I.6.I. Угол вылета частицы из мишени.

1.6.2. Определение эффективной массы.

1.7. Система сбора информации

1.7Л, Организация триггера.

1.7.2. Вычислительные машины^.

1.7.3. Структура системы сбора информации

1.7.4. Программное обеспечение.

1.8. Характеристики спектрометра.

ГЛАВА П. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

2.1. Мониторирование протонного пучка.

2.2. Геометрическая реконструкция событий

2.3. Идентификация частиц.

2.4. Обработка информации о временных корреляциях

2.5. Определение среднего импульса в одном плече спектрометра при исследовании парного образования.

2.6. Определение инвариантных сечений.

ГЛАВА Ш. ОДИНОЧНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ АДРОНОВ.

3.1. Инвариантные сечения.

3.2. Отношение выходов частиц

ГЛАВА ЗУ. ПАРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ АДРОНОВ.

4.1. Корреляции частиц.

4.2. Инвариантные сечения.

4.3. Образование несимметричных пар адронов

Прошедшее десятилетие было свидетелем стремительных перемен в понимании структуры адронов и динамики сильных взаимодействий. Исследования глубоконеупругих лептон-адронных и адрон-адронных взаимодействий внесли огромный, если не решающий, вклад в этот прогресс. Образование частиц с большими поперечными импульсами (Рт) в адрон-адронных взаимодействиях в рамках наивных партонных моделей можно представить в виде диаграммы, показанной на рис. 1а. Налетающие адроны А и В состоят из партонов, имеющих распределение по продольному импульсу cj (х). Партоны а и Ь испытывают упругое рассеяние на большой угол (с сечением ds/dt )t переходят в партоны end, которые превращаются в наблюдаемые адроны С и D .

При исследовании процессов образования частиц с большими Рт возникают следующие воцросы:

1) Что представляют из себя объекты а , 6 , с и ol ?

2) Каков механизм взаимодействия этих объектов?

3) Каким образом партоны си d превращаются в адроны?

В квантовохромодинамической модели партонами являются кварки и глюоны. Взаимодействие кварков происходит за счет обмена глюоном. После упругого рассеяния кварков (рис.1а) они фрагмен-тируют в адроны, имеющие распределение по импульсу D(z ), где Z - доля импульса кварка. Современное состояние КХД - модели таково, что она описывает хорошо явления только в асимптотической области. При умеренных значениях энергий и Рт в этой модели возникают поправки, расчет которых в настоящее время не может быть выполнен достаточно корректно. Для этой области кинематических переменных была сделана некоторая модификация КХД -- модели путем введения внутреннего поперечного импульса, под

А —* В В Я В

6)

Рис. I. а) Дпаграша образования частиц С и В с боль-шиш поперечны?,и импульсами в адрон-адроннш: взаимодействиях.

Образование частиц с большими Рт в модели обмена составляющими в подпроцессах cjM — (б) и —(в). бора структурной функции cj (х) и функции фрагментации кварков и глюонов и т.д. Это позволило получить хорошее согласие расчета с экспериментом и в этой области.

Другой подход в описании процессов образования частиц при умеренных значениях Рт и Vs используется в модели обмена составляющими (M0G), в которой взаимодействуют или непосредственно кварки, или партоны с квантовыми числами мезонов, барионов и т.д. Примеры таких процессов показаны на рис. 16 и 1в.

Образование частиц с большими Рт в адрон-адронных взаимодействиях очень редкий и сложный процесс, поэтому требуется хорошо продуманная постановка эксперимента для его надежного выделения на фоне мягких, периферических процессов. С другой стороны, изощренный отбор событий может привести к искусственному изменению соотношений процессов, искажающему общую картину неупругих адрон-адронных взаимодействий, что затруднит или сделает невозможным корректное сравнение с моделями. Кроме того состояние партонных моделей сейчас таково, что неопределенность в абсолютной нормировке расчетов оценивается (в зависимости от оптимизма) от двух до десяти раз. Отсюда понятно, что качественные эффекты (например, отношение выходов частиц), свободные от многих неопределенностей, имеют очевидные преимущества при сравнении с моделями. Так в КХД - модели образование частиц С и D , разлетающихся в противоположные стороны в с.ц.м. (рис. 1а) генетически не связано и, как следствие, должны отсутствовать корреляции между квантовыми числами этих частиц. Противоположная ситуация ожидается в M0G, если частицы образуются в результате субпроцесса, изображенного на рис. 1в.

Начиная с первых работ по исследованию образования частиц с большими Рт, в которых было обнаружено отличие выходов адронов по сравнению с величиной, полученной экстраполяцией сечений из области малых Рт, много усилий было приложено на выявление происхождения этих частиц. И если при больших энергиях в рр - столкновениях наконец-то начала цроявляться долгожданная струйная структура, предсказываемая партонными моделями, то при меньших энергиях картина до сих пор остается противоречивой. Основным экспериментальным материалом для проверки моделей здесь является одиночное образование частиц с большими Рт. Очевидным достоинством этого процесса является возможность сравнительно простыми методами измерять образование частиц с большими Р . Ограничение на величину Рт накладывает только интенсивность падающего пучка. Абсолютная величина сечений образования таких частиц, зависимость сечений от Рт и отношения выходов частиц является хорошими критериями для проверки моделей. Несмотря на все очевидные преимущества этого процесса для экспериментального исследования, целый ряд причин делает его затруднительным для интерпретации при умеренных значениях Рт.

Из-за наличия внутреннего поперечного импульса партона (К^,) одиночные частицы с большими Рт более легко образуются партона-ми, несущими малую долю импульса адрона, но имеющими большую величину К^ в сторону детектора (так называемое "смещение триггера"), как показано на рис. 2а. При этом величина расчетного значения сечения очень чувствительна и к форме распределения по и к абсолютной величине его среднего значения. Кроме того, при малых значениях Рт "смещение триггера" приводит к отбору взаимодействий партонов с малыми переданными импульсами, где партонные модели плохо описывают экспериментальные данные. Влияние уменьшается с ростом Рт и при очень больших Рт им можно пренебречь. При регистрации двух частиц с большими Рт (рис. 26), когда их импульсы равны и противоположны по направлению в с.ц.м. ("симметричные пары"), влияние становится минимальным уже а) С

D (6)

Рис. 2. Влияние К^, при регистрации одиночной частицы с большими Рт (а) и при регистрации симметричных пар (б). при сравнительно малых Рт. При этом импульсы партонов приблизительно равны и противоположны по направлению в с.ц.м. сталкивающихся протонов, а их полная энергия близка к 2РТ, т.к. при триггере на частицу с большим Рт отбираются события, когда регистрируемый адрон уносит основную долю импульса партона. Поскольку "симметричные пары" несут информацию сразу об обоих взаимодействующих партонах, корреляции квантовых чисел частиц отражают механизм образования адронов, что позволяет провести качественное сравнение с предсказаниями моделей.

В настоящее время выполнен ряд работ по исследованию образования частиц в рр - взаимодействиях в широком диапазоне Рт и VS . В ФНАЛе при энергиях 200, 300 и 400 ГэВ и в ЦЕРНе при энергии 24 ГэВ исследовалось образование заряженных пар адронов,разлетающихся в противоположные стороны в с.ц.м. Однако во всех этих экспериментах использовались ядерные мишени, что очень затрудняет сравнение результатов с данными, полученными в рр -взаимодействиях, т.к. даже зависимость сечения образования адронов от А в этих экспериментах получилась противоречивой. Учитывая, что сравнение результатов, полученных в разных экспериментах, осложнено неопределенностью систематических ошибок, различием в угловых и энергетических диапазонах, захватываемых установками, и т.д., вытекает важность изучения совокупности процессов в одном эксперименте при одинаковых условиях. Исследование образования частиц с большими Рт при энергии 70 ГэВ имеет особую привлекательность в связи с тем, что из-за быстрого падения сечений при росте Рт достичь больших значений Хт = 2PT/Vs гораздо проще при меньших энергиях в с.ц.м.

Настоящая диссертация посвящена систематическому исследованию процессов одиночного и парного образования заряженных адронов с большими Рт в реакциях р + р-*- h - X , р + р -*■ h,+ h2 +Х, где - может быть П^, р или р, вылетающие под углом 90° в с.ц.м. сталкивающихся протонов, а угол ср между направлениями вылета адронов ' h1 и h^ равен 180°. Измерения выполнены в диапазоне 0,45 $ Рт ^ 4,2 ГэВ/с для одиночных частиц и в диапазоне 0,9 s м < 4 ГэВ/с для парного образования адронов (где М = 2РТ) при энергии налетающих протонов 70 ГэВ в 1976-1982 г.г. на двухплечевом фокусирующем спектрометре в ИФВЭ.

В связи с тем, что выполнению первых физических исследований предшествовала большая методическая работа по разработке и созданию установки для регистрации частиц, в диссертации заметное место отведено также общим вопросам и системам регистрации частиц, временного отбора и анализа событий.

Научная новизна состоит в том, что впервые цри энергии 70 ГэВ в рр - взаимодействиях измерены сечения одиночного образования заряженных адронов в диапазоне 0,45 ^ Рт ^ 4,2 ГэВ/с и сечения парного образования адронов, разлетающихся под углом 180° в с.ц.м. в диапазоне 0,9 ^ (PTj + Р^) з= 4 ГэВ/с.

Практическая ценность работы заключается в создании фокусирующего двухплечевого спектрометра и комплекса регистрирующей аппаратуры, позволяющих идентифицировать заряженные частицы в диапазоне импульсов 3-30 ГэВ и измерять сечения вплоть до пбн. Предложенные аналоговые методы аналжза^^нформщии^йогут быть использованы в других экспериментах. Результаты по одиночному и парному образованию частиц с большими Рт, полученные на одной установке, позволили продвинуться в понимании динамики взаимодействия адронов на малых расстояниях.

Результаты диссертации докладывались на научных семинарах

ИФВЗ, на сессиях Отделения ядерной физики АН СССР, на Международном совещании по пропорциональным и дрейфовым камерам (Дубна, 1977) и опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и статей в советских и иностранных журналах/1^15/55. Многоканальный временной селектор^ и устройство для выделения "истинных" координат^/ зарегистрированы в качестве изобретений.

Диссертация состоит из четырех глав и заключения.

В первой главе описывается фокусирующий двухплечевой спектрометр для исследования образования адронов с большими Рт, аппаратура и методы отбора частиц.

Вторая глава посвящена обработке и анализу данных.

В третьей главе, посвященной одиночному образованию адронов, приводятся инвариантные сечения инклюзивного образования адронов в зависимости от Рт и отношения выходов частиц. Данные сравниваются с моделями жестких взаимодействий.

Парное образование адронов в рр - столкновениях рассматривается в четвертой главе. Анализ корреляций и инвариантных сечений проводится в рамках квантовохромодинамической модели и модели обмена составляющими.

В заключении формулируются основные выводы диссертации. к Материалы работ/5'8,12/ и частично работ/2,3,4,7/ были использованы в диссертациях В.Ю.Глебова и Б.Ю.Балдина.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Спроектирован и создан фокусирующий двухплечевой спектрометр и комплекс регистрирующей аппаратуры, позволяющее идентифицировать заряженные частицы (е , ju , П, К, р) в диапазоне импульсов 3-30 ГэВ/с и измерять сечения вплоть до пикобарн. Установка работает в линию с двумя ЭВМ, выполняющих сложный технический контроль аппаратуры и полную обработку информации до получения конечного физического результата.

2. Предложен и реализован ряд аналоговых методов (многоканальный временной селектор, измерение пространственного разрешения координатных детекторов, выделение "истинных" координат, измерение угла поворота траектории частицы) анализа информации простыми средствами за предельно короткие времена.

3. Предложена, спроектирована и изготовлена двухкоординат-ная дрейфовая камера, в которой одна координата определяется по времени дрейфа, а другая - по номеру сработавшей проволоки. Камера не имеет лево-правой неоднозначности, позволяет регистрировать одновременно большое количество координат траекторий частиц, проста в изготовлении и обслуживании.

4. Впервые при энергии 70 ГэВ в рр - взаимодействиях измерены сечения образования заряженных адронов (П^, к£, р и р), вылетающих под углом 90° в с.ц.м. в диапазоне 0,45 ^ Рт^ 4,2 ГэВ/с. Показано, что а) сечения образования мезонов при энергии Vb = II,5 ГэВ не описываются масштабно инвариантным выражением ЕоРб/с^р = Ci С* АРТ 0-Хт) , справедливым для Рт < 8 ГэВ/с и

19,4 ^ Vs ^ 63 ГэВ, такое нарушение скейлинга предсказывается КХД - моделью; б) сравнение отношений IT^/JT и К+/К~ с результатами, полученными при более высоких энергиях, показывает зависимость этих отношений от энергии при фиксированном Хт, что находит естественное объяснение в рамках КХД - модели; в) модель обмена составляющими хорошо описывает процесс образования протонов.

5. Впервые в рр - взаимодействиях измерены инвариантные сечения парного образования адронов (П*, К*, р и р), разлетающихся в противоположные стороны под углом 90° в с.ц.м. с равными импульсами в диапазоне 0,45 ^ Рт$ 1,99 ГэВ/с. Показано, что а) корреляционная функция при Рт < I ГэВ/с не зависит от Рт, а при Рт ^ I ГэВ/с имеет тот же наклон, что и при больших энергиях; б) наблюдается повышенная корреляция К^К""- и рр - пар в соответствии с предсказанием МОС; в) в сечениях образования пар адронов наблйдается изменение наклона в области Рт = 0,7 ГэВ/с, что может, быть связано с переходом от мягких процессов к жестким,*~гт.е.~:а появлением о нового размера порядка 0,5 (ГэВ/с) , предсказываемого аддитивной кварковой моделью; г) сечения образования пар пионов удовлетворительно описываются МОС, имеется большое расхождение с расчетом по КХД-моде-ли; д) сечение образования двух протонов хорошо согласуется с моделью, в которой этот процесс описывается рассеянием партонов с квантовыми числами протонов.

6. Измерены сечения образования положительно заряженных пар адронов в зависимости от разности их импульсов. Поведение сечений хорошо описывается моделью без фрагментации при среднем значении Кт 0,5 ГэВ/с.

В целом анализ результатов, полученных при энергии 70 ГэВ и при больших энергиях показывает, что образование частиц в широком диапазоне Рт и Vs ведет себя очень похожим образом. Для дальнейшего продвижения в понимании этих процессов требуются новые как экспериментальные, так и теоретические исследования.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Р.М.Суляе-ву за постоянное внимание, поддержку и непосредственное участие в работе, члену-корреспонденту АН СССР Ю.Д.Прокошкину и старшему научному сотруднику А.А.Волкову, прочитавшим рукопись и сделавшим ряд ценных замечаний.

Автор благодарен сотрудникам Отдела пучков, Конструкторского отдела, Опытного производства, Отделения электроники, Отдела вывода, внесших большой вклад в создание установки и выполнение экспериментальной программы.

Автор также благодарен соавторам работ, использованных в диссертации: В.В.Абрамову, Б.Ю.Балдину, С.И.Битюкову, Ю.Н.Враж-нову, В.Ю.Глебову, А.С.Дышканту, В.Н.Евдокимову, В.Н.йяушко, Н.Ю.Кульману, А.Н.Криницину, Ю.М.Мельнику, В.К.Мялицыну, Л.К. Турчановичу, а также Ю.М.Брееву, М.С.Ильевскому и А.П.Липатову за помощь в изготовлении аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В.В.Абрамов, Ю.Н.Вражнов, Ю.П.Дмитриевский, А.С.Дышкант,

2. В.И.Котов, В.И.Крышкин, В.К.Мялицин, Р.А.Рзаев, Р.М.Суляев. Препринт ИФВЭ 74-150, Серпухов, 1974.

3. Б.Ю.Балдин, С.И.Битюков, Ю.Н.Вражнов, В.И.Крышкин, Р.М.Суляев. Препринт ИФВЭ 76-75, Серпухов, 1976.

4. Nuclear Instrum. and Methods, 140, 409, 1977.

5. Б.Ю.Балдин, В.И.Крышкин. Препринт ИФВЭ 78-91, Серпухов, 1978. Пропорциональные и дрейфовые камеры, Дубна, 1978.

6. Б.Ю.Балдин, В.И.Крышкин. Препринт ИФВЭ 78-43, Серпухов,1978.

7. Uuclear lustrum, and Methods, 1J57, 415, 1978.

8. В.В.Абрамов, А.В.Алексеев, Б.Ю.Балдин, С.И.Битюков, Ю.Н.Вражнов, В.Ю.Глебов, А.С.Дышкант, В.Н.Евдокимов, В.В.Элушко, А.Н.Криницын, В.И.Крышкин, Н.Ю.Кульман, Г.И. Ланщиков, В.К.Мялицын, Ю.М.Мельник, А.П.Орлов, В.И.Повзун, P.M. Суляев, Л. К. Турчанович.

9. Nuclear Physics, 173, 340, 1980.

10. А.С.Дышкант, В.И.Крышкин. Ш Ж34Д975, стр.139, AC J& 484630.

11. Б.Ю.Балдин, В.И.Крышкин. Ей 1123, 1979, стр.145, АС № 669303.

12. В.В.Абрамов, А.В.Алексеев, Б.Ю.Балдин, С.И.Битюков, 10.Н. Вражнов, В.Ю.Глебов, А.С.Дышкант, В.Н.Евдокимов, В.В.Змуш-ко, А.Н.Криницын, В.И.Крышкин, Н.Ю.Кульман, Ю.М.Мельник, Р.М.Суляев, Л.К.Турчанович. Письма в ЖЭТФ, 33» 304, 1981.

13. В.В.Абрамов, Б.Ю.Балдин, А.Ф.Бузулуцков, С.И.Битюков, Ю.Н.Вражнов, В.Ю.Глебов, А.С.Дышкант, В.Н.Евдокимов, В.В.

14. Змушко, А.Н.Криницын, В.И.Крышкин, Н.Ю.Кульман, В.М.Под-ставков, Р.М.Суляев, Л.К.Турчанович. Препринт ИФВЭ 81-43, Серпухов, 1981.

15. Письма в ЖЭТФ, 33, 475 (1981).

16. Physics Letters, 112В, 170, 1982.

17. Б.Ю.Балдин, С.И.Битюков, Ю.Н.Вражнов, В.Ю.Глебов, А.С.Дышкант, В.Й.Крышкин, Н.Ю.Кульман, Л.К.Турчанович. Препринт ИФВЭ 81-82, Серпухов, 1981.

18. В.В.Абрамов, Б.Ю.Балдин, А.Ф.Бузулуцков, Ю.Н.Вражнов, В.Ю. Глебов, А.С.Дышкант, В.Н.Евдокимов, В.В.Змушко, А.Н.Криницын, В.Й.Крышкин, Н.Ю.Кульман, Ю.М.Мельник, В.М.Подставков,

19. Р.М.Суляев, Л.К.Турчанович, А.Е.Якутии. Препринт ОЭФ 84-88, Серпухов, 1984.

20. G.Charpak et al., Intern. Conference, Frascsti, 1973«

21. R.Grove, L.Kaufman and V.Perez-Mender, Nuclear Instruments and Methods, 62, 105, 1968.

22. Ю.Б.Бушнин, А.А.Денисенко, А.Ф.Дунайцев и др. Препринт ИФВЭ 77-84, Серпухов, 1977.

23. A.Owens, G.White. Nuclear Instruments and Methods, 49, 261, 1967.

24. В.Г.Васильченко, В.Г.Лапшин, Е.А.Монич и др. Препринт ИФВЭ 77-57, Серпухов, 1977.

25. D.Antresyan et al., Phys. Rev., D19, 764, 1979.

26. R.P.Feynman, R.D.Field, G.Fox.Phys.Rev., D18, 3320, 1978.

27. D.Jones, J.F.Gunion. Phys.Rev., D19, 867, 1979.

28. M.K.Chase, V/. J.Stirling. Hucl.Phys., B133, 157, 1978.

29. W.Ochs. Nucl. Fnys., B118, 397, 1977.

30. W.M.Geist. Preprint CERN/EP 81-79.

31. H.Jostlein et al., Phys. Rev., D20, 53, 1979.

32. D.A.Finley et al., Phys. Rev.Lett., 42, 1028, 1037, 1979.

33. R.Baier, J.Engels and B.Peterson. Z.Physic. 2, 265, 1979.

34. J.F.Gunion, B.Peterson. Phys. Rev., D22, 629, 1980.

35. R.Blankehbekler, S.Brodsky, J.F.Gunion. Phys. Rev., D18, 900, 1978.

36. J.Kuti, V.Weisskopf, Phys. Rev., D£, 3418, 1971. T.De Grand. Phys. Rev., D19, 1398, 1979. В.В.Змушко. Ядерная физика, 32, 448, 1980.

37. H. С one or an et al., Phys. Rev., D21, 64-1, 1980.

38. Е.М.Левин, М.Г.Рыскин. Препринт ЛИЯФ 280, Ленинград, 1976.