Исследование развала дейтрона протонами 0,6-1,9 ГэВ с испусканием вперед протонной пары тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ



ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Л Р1

□03056703

1-2007-42

На правах рукописи УДК 539.172.12 + 539.128.2

ДЫМОВ Сергей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВАЛА ДЕЙТРОНА ПРОТОНАМИ 0,6-1,9 ГэВ С ИСПУСКАНИЕМ ВПЕРЕД ПРОТОННОЙ ПАРЫ

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 2007

003056703

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединённого института ядерных исследований.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук В. И. Комаров

Официальные оппоненты.

доктор физико-математических наук,

профессор

Л. С. Ажгирей

доктор физико-математических наук Л. А. Кондратюк

Ведущая организация-

Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ

Защита состоится "_" ^ М.0%_ 2007 г. в_ч _мин. на заседании диссертационного совета Д 720.001.03 в Объединённом институте ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединённого института ядерных исследований

Автореферат разослан " 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук /' Р Ю. А. Батусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Структура легчайших ядер на коротких расстояниях между нуклонами гдгдг < 0.5 фм, то есть при высоких относительных импульсах çnn ~ 1/nvw > 0.4 ГэВ/с, и Л^/У-взаимодействие на малых расстояниях являются одной из фундаментальных проблемам ядерной физики Дейтрон, как простейшее ядро, представляет в этом аспекте первостепенный интерес Электромагнитные взаимодействия являются наиболее простым иструментом для теоретической интерпретации экспериментов в этой области, и при переданных импульсах Q = IqjjN <1 ГэВ/с описание процессов как взаимодействия барионов, обменивающихся мезонами, находится в разумном согласии с экспериментальными данными1 Однако при Q >1 ГэВ/с возрастает роль мезоно-обменных токов (МЕС) и неопределённостей в их теоретическом описании Отсутствие достаточной информации о возбужденных состояниях нуклонов не позволяет в рамках традиционных ядерных моделей описать данные по фото-дезинтеграции jd —» пр уже при энергии фотона Е7 > 1 ГэВ 2 Эти сложности могут служить индикатором необходимости непосредственного рассмотрения кварковой структуры адрона при описании данных, получаемых в экспериментах при высоких передаваемых импульсах

, Реакции с адронами в качестве инициирующих частиц могут служить важным дополнительным источником информации как ввиду проблемы МЕС, так и потому, что электрон-ядерные взаимодействия чувствительны только к кварковому составу ядра и не затрагивают непосредственно глюонного поля Первостепенный интерес при этом вызывает область промежуточных энергий, ¡обеспечивающая диапазон значений относительного импульса нуклонов в дейтроне q = 0.3 — 0.6 ГэВ/с, где механизм однонуклонного обмена (спек-таторный механизм) может служить первым приближением Это имеет место потому, что основной вклад в полное сечение адрон-дейтронного взаимодействия дают процессы взаимодействия инициирующего адрона с одним из нуклонов дейтрона, тогда как другой нуклон испускается в конечном состоянии с

'M. Garcon and J W Van Orden Adv Nucí Phys 26(2001) 293, F Gilman and F Gross, Joura of Physics (¿28(2002) R37

2C Boncha et al , Phys Rev Lett 81(1998) 4576, V. Gnshina, L Kondratyuk, Eur. Phys J A10(2001) 355

импульсом, равным его величине в дейтроне в момент соударения (спектатор-ный нуклон) Однако интерпретация существующих экспериментальных данных в этой области осложнена вкладом N* и Д-резонансов в промежуточном состоянии, для возбуждения которых большие передачи импульса не требуются. Поэтому для изучения должен быть выбран процесс, в котором амплитуды образования резонансов были бы подавлены, с тем, чтобы обеспечить доминирование механизмов, чувствительных к свойствам AW-взаимодействия на коротких расстояниях В качестве такого процесса для данной работы был выбран процесс безмезонного развала дейтрона протоном с испусканием протонной пары под малыми углами к протонному пучку pd —» (рр)п 3,4 Такой процесс при промежуточных энергиях ранее экспериментально не исследовался Один из наиболее развитых подходов к описанию этого процесса представлен моделью ONE+A+SS'(обмен нуклоном + возбуждение Д-изобары + однократное рассеяние) Согласно этой модели3, при образовании протонных пар в ^о конечном состоянии, амплитуда возбуждения Д-изобары оказывается подавлена, а однократное рассеяние имеет малую относительную вероятность Поэтому процесс развала при энергиях 0 5 - 2 0 ГэВ, за исключением области около 0 7 ГэВ, определяется механизмом однонуклонного обмена (ONE) Амплитуда ONE, в свою очередь, непосредственно связана с потенциалом NN-взаимодействия Выделение протонных пар в 1So состоянии достигается отбором пар с малой относительной энергией Ерр < 3 МэВ. При этом регистрация протонных пар, вылетающих вперед, обеспечивает большую величину переданного импульса в механизме ONE, а коллинеарная кинематика позволяет провести полный поляризационный эксперимент при измерении дифференциального сечения, тензорной анализирующей способности Т20 и коэффициента спин-спиновой корреляции Суу Цель работы

Целью диссертационной работы является экспериментальное изучение

реакции безмезонного развала дейтрона протонами р + d —* (рр) + п при

большой передаче импульса протонной паре, имеющей малую относительную

3Имамбеков О , Узиков Ю H , Ядерная физика 52, (1990) 1361 Смирнов А , Узиков Ю H , Ядерная физика 61, (1998) 421 Узиков Ю H , ОИЯИ Е-200-149, Дубна 2000

4Beam time request to COSY proposal No 20, spokesman V Komarov (1999), http //www fz-juelich de/ikp/anke/en/proposals shtml

энергию в конечном состоянии, при энергии пучка (0.6— 1.9 ГэВ)

Работа включает в себя первый этап исследования реакции — получение энергетической зависимости дифференциального сечения /1, 2/ и измерение векторной анализирующей способности А£ под углами вылета протонной па-ры,'близкими к 0° /3/ (Последнее измерение является также подготовкой к измерению Т20 и Суу ) Результаты эксперимента сравниваются с предсказанием, полученным в рамках модели ONE+SS+Д Такое сравнение может показать, достаточно ли описание процесса в изучаемом диапазоне переданных импульсов в терминах взаимодействия нуклонов, или кварк-глюонные степени свободы, проявляющиеся в отклонении полученных данных от нуклонной картины, начинают вносить существенный вклад Научная новизна.

Проведенное измерение является первым экспериментом по эксклюзивному изучению реакции р+ d —» (pp)s + п при углах вылета протонной пары в интервале 0° — 10° сцм и энергиях пучка выше ~ 0.3 ГэВ Эксперимент проводился на спектрометре ANKE, установленном на внутреннем пучке протонного синхротрона COSY (Юлих, ФРГ), и являлся одним из первых на этом спектрометре Поэтому введение в строй одного из основных детекторов спектрометра — переднего детектора, было необходимой задачей, в решение которой автором внесен решающий вклад Полученное дифференциальное сечение процесса чувствительно к высокоимпульсной структуре дейтронной волновой функции и, в отличие от других исследований pd-взаимодействия в этой области переданного импульса, в данной постановке эксперимента удаётся существенно снизить роль механизмов, маскирующих эту структуру

Полученная энергетическая зависимость дифференциального сечения демонстрирует явную предпочтительность использования современного высокоточного CD-Bonn iViV-потенциала5 перед Reid Soft Core6 и парижским7 потенциалами в области передаваемых импульсов 0.3 — 0.6 ГэВ/с и вне массовой поверхности. Этот потенциал обладает относительно низкой, по сравнению с другими (RSC, парижским) потенциалами, высокоимпульсной компонентой в волновых функциях 3Si — 3£>i и 3So состояний В этом отношении

5R Machleidt, Phys Rev Ç61 (2001) 024001

6J R V Reidt, Ann Phys (NY) 50 (1968) 411

7M. Lacombe et al, Phys Lett C21 (1980) 861.

описываемый эксперимент уникален, так как опыты по рассеянию нуклонов в свободном состоянии дают информацию только о поведении нуклонов, находящихся на массовой поверхности.

Поведение дифференциального сечения качественно описывается расчетом в рамках модели ONE+A+SS, что не говорит о явной необходимости учёта кварк-глюонных степеней свободы в исследуемой области переданных импульсов. Однако более определенный вывод о влиянии этих степеней свободы должен быть сделан по результатам полного поляризационного эксперимента На первом этапе этого эксперимента, в ходе данной работы была впервые получена векторная анализирующая способность AJ в процессе pd —> (pp)sn при энергиях пучка 0 5 и 0 8 ГэВ и углах вылета протонной пары, близких к 0°

Практическая ценность работы

В ходе диссертационной работы введён в строй передний детектор спектрометра ANKE (COSY - Юлих, Германия) Детектор позволяет регистрировать вылетающие вперед положительно заряженные вторичные частицы, определять их тип, траекторию и импульс. Он используется при проведении

большинства экспериментов на ANKE Отработаны методики инструменталь-

!

ного определения положения координатных детекторов, а также уточнения их положения с использованием экспериментальных данных, методики определения и учёта эффективности детекторной системы

Создана система обработки данных в переднем детекторе ANKE, применяемая для получения результатов в экспериментах на ANKE, использующих передний детектор. Разработаны и адаптированы для ANKE методы восстановления импульса, поиска треков, калибровки импульсной шкалы и др Эти методы используются в обработке данных нескольких детекторных систем ANKE и могут быть применены в экспериментах на других установках

Отработана методика поляризационных измерений с протонным пучком на ANKE, необходимая для последующих измерений Т20 и Суу в процессе pd, —► (рр)а(0°)п Существенное расхождение измеренной векторной анализирующей способности в этом процессе с предсказанием модели ONE+A+SS дало толчок к поиску новых путей описания спиновой структуры процесса, в частности, вклада Д-механизма В связи с этим на ANKE предло-

жен поляризационный эксперимент по изучению процессов рр —> (pp)s7г° и рп (pp)s7Г~, результаты которого нужны для применения модели однопи-онного обмена (OPE) к процессу р + d —» (pp)s{0°) + п

В целом, результаты и выводы диссертации могут быть использованы при'планировании и проведении исследований процессов протон-ядерных взаимодействий с большой передачей импульса, а также в теоретических исследованиях свойств NN-взаимодействия На защиту выносится

1 Измерение дифференциального сечения процесса р + d —> (pp)s(0pp) + п, усреднённого в интервале углов в™ от 0° до 8° при б-ти энергиях протонного пучка (0 6,0.7,0.8,0.95,1.35 и 1,9 ГэВ)

2. Измерение векторной анализирующей способности Ару в процессе pd —> (pp)sn при энергиях протонного пучка 0,5 и 0,8 ГэВ в диапазоне углов

i вылета нейтрона в™ = 166 - 180°

3. Разработка алгоритмов и системы программ, включающих моделирование спектрометра ANKE, реконструкцию траекторий и 3-х импульсов регистрируемых частиц, определение эффективности пропорциональных камер и процедуры реконструкции событий, калибровки импульсной

. шкалы и годоскопов

4. Разработка методики определения геометрических параметров спектрометра с использованием набора калибровочных реакций.

5; Разработка методики определения светимости при взаимодействии внутреннего пучка ускорителя COSY со струйной кластерной мишенью спектрометра ANKE

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и приложения Полный объем диссертации 125 страницы, включая 58 рисунков и 8 таблиц.

' Апробация работы

Материалы диссертации основаны на работах [1-6], опубликованных в журналах "Physics Letters", "Physical Review Letters", "Nuclear Instruments and

Í 5

Methods", "Physica Scripta" и "Письма в журнал Физика элементарных частиц и атомного ядра"("Письма в ЭЧАЯ") Результаты работы докладывались на международных конференциях СНЕР'98 и STORI'02, ERICE'02, научных семинарах ЛЯП ОИЯИ и заседаниях немецкого физического общества

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты и описана структура диссертации.

В первой главе описана проблема взаимодействия протонов с дейтронами при высоких передаваемых импульсах и изучения структуры NN-взаимодействия на малых расстояниях В ней проведен обзор экспериментальной ситуации в изучении pd-столкновений в кумулятивной области и изложено обоснование нового экспериментального подхода к этой проблеме

Основной проблемой при изучении структуры ядра на малых расстояниях в pd-взаимодействиях является разделение эффектов, связанных с ядерной структурой на коротких расстояниях, и эффектов, вызываемых механизмами взаимодействия, слабо чувствительными к этой структуре (возбуждение N* и Д-резонансов в промежуточном состоянии)

Главными направлениями предшествовавших экспериментов в этой области были инклюзивное и полуинклюзивное изучение развала дейтрона при столкновении с протонами и ядрами, изучение упругого pd-рассеяния назад и эксклюзивное исследование безмезонного развала дейтрона в кинематике квазиупругого Л^-рассеяния В целом, определенной информации о высокоимпульсной структуре дейтрона при q > 0,3 ГэВ/с получено не было В изучаемых процессах присутствует несколько эффектов, маскирующих структуру дейтрона в области перекрытия нуклонов при увеличении q быстро возрастает роль внемассовых эффектов в NN-рассеянии, кроме того, как SS, так и возбуждение Д-изобары могут приводить к испусканию быстрого нуклона в конечном состоянии без использования высокоимпульсной компоненты дей-тронной волновой функции

Для описания упругого pd-рассеяния назад Л А Кондратюком, Ф

М ¡Львом, Л. В Шевченко8, Ю. Н Узиковым и др 9 была развита модель ONE+A+SS, с помощью которой удаётся качественно воспроизвести энергетическую зависимость дифференциального сечения процесса в диапазоне энергии протонного пучка 0.2 — 3.0 ГэВ и Т20 в диапазоне 0.2 — 0.4 ГэВ Кол-линеарная кинематика реакции pd —» (pp)s{0°)n очень близка к кинематике pd-рассеяния назад, следовательно, одни и те же механизмы могут рассматриваться при описании обоих процессов Преимущество изучения развала дейтрона в такой кинематике состоит в подавлении амплитуд возбуждения A, N* на изотопический фактор 1/3, что повышает относительный вклад однонук-лон'ного обмена, чувствительного к ядерной структуре на коротких расстояниях10 Использование этого преимущества встречает значительные трудности при постановке соответствующих экспериментов Предсказываемая теорией величина сечения примерно на два порядка ниже сечения упругого pd-рассеяния назад, в то время как само это сечение составляет 200 — 2 мкбн/ср при энергиях 0 6 — 2.0 ГэВ, соответственно Так как дифракционное рассеяние протонов дейтронами, образующее основной поток протонов под малыми углами к пучку, имеет сечение около 100 мбн/ср, выделение протонов интересующего процесса должно происходить в сопровождении потока протонов в 5|х 104 — 5 х 106 большей интенсивности Кроме того, изучение процесса требует разрешающей способности эксперимента по относительной энергии протонов в паре на уровне 0.1 — 0.3 МэВ при регистрации протонов с энергией в интервале от 260 до 940 МэВ Это объясняет, почему наблюдаемый процесс никогда не наблюдался ранее до настоящего эксперимента

¡ Во второй главе дано описание синхротрона COSY11 и частей установки ANKE12, использованных для получения представляемых результатов. В ней также приводятся условия и методика проведённого эксперимента.

Ускоритель COSY обеспечивает пучки неполяризованных и поляризованных протонов и дейтронов с импульсом 294 — 3700 МэВ/с Спектрометр ANKE расположен на внутреннем пучке COSY, его система спектрометриче-

I

ских магнитов позволяет проводить измерения во всем диапазоне энергии

8Л Кондратюк, JI. Шевченко, ЯФ 29(1979) 792, Л Кондратюк и др ЯФ 33(1981) 1208

90. Imambekov et al Z Phys A332(1989) 349, Ю Узиков, ЭЧАЯ, 29(1998) 1405

10Yu. N Uzikov, J Phys G. Nucl Part. Phys 28(2002) B13

UR Maier, NIM A390Í1997) 1

12S Barsov et al, NIM А462(2001) 364

COSY В измерении развала дейтрона был использован передний детектор ANKE (рис 1), регистрирующий положительно заряженные частицы с импульсом, большим 0 4 ГэВ/с, под малыми (< 15°) углами к пучку /4/ Детектор включает 3 быстрых пропорциональных камеры с шагом 1 05 мм, годоскоп сцинтилляционных счётчиков, служащий для выработки триггера, измерения времени регистрации частиц и потерь энергии, и годоскоп черенковских счетчиков Камеры позволяют восстанавливать траекторию и импульс частиц, отклонённых полем спектрометрического магнита D2

Рис 1. Схема регистрации процесса pd —> (pp)s" в переднем детекторе ANKE Дейтериевая струя кластерной мишени направлена (сверху вниз) по нормали к плоскости рисунка

Спектрометр ANKE предоставляет уникальные возможности для изучения интересующей реакции.

- отклонение частиц, испускаемых мишенью, в поле магнита D2 существенно снижает загрузки детекторов,

- использование струйной мишени в вакуумной камере ускорителя позволяет полностью избежать фона, возникающего в конструктивных элементах (стенках, окнах) жидкодейтериевых мишеней на выведенном пучке,

- передний детектор ANKE позволяет регистрировать процесс вплоть до нулевых значений полярного угла суммарного импульса протонной пары,

- спектрометр обладает достаточно высокой разрешающей способностью при восстановлении 3-х импульса вторичных протонов,

- светимость и аксептанс, достигаемые в установке, позволяют набирать статистику для процесса с сечением 1 — 0.01 мкбн/ср,

- поляризованный протонный пучок COSY обеспечивает в настоящее время измерение векторной анализирующей способности реакции, а при введении в строй создаваемой на ANKE поляризованной мишени в дальнейшем будет возможным измерение тензорной анализирующей способности и параметров спин-спиновых корреляций

Измерение дифференциального сечения происходило в феврале 2001 г с использованием дейтериевой кластерной мишени Использовались энергии пучка 0.6,0.7,0.8,0.95,1 35 и 1.9 ГэВ, что позволило исследовать районы предполагаемых минимума (~ 0.8 ГэВ) и плато (> 1 ГэВ) сечения На ленту было записано 60 — 140 миллиона событий при каждой энергии, при светимости 0.35 - 0.5 х 1030см~2с-1

Векторная анализирующая способность была измерена при энергиях пучка 0 5 и 0 8 ГэВ в июле 2003 г Использовалась дейтериевая кластерная мишень и поляризованный пучок протонов, меняющий направление спина каждые 10 мин Поляризация пучка при энергии 0.8 ГэВ определялась с помощью упругого £>с?-рассеяния Цикл ускорителя состоял из трех плато с энергией 0 8, 0 5 и снова 0 8 ГэВ Это позволило применить методику экспорта поляризации13 для определения поляризации пучка при 0 5 ГэВ Найденная таким образом величина поляризации составила 0.548 при 0 5 ГэВ и 0 578 при 0 8 ГэВ с ошибкой, не превышающей 0 01

Третья глава посвящена описанию системы обработки данных в переднем детекторе спектрометра ANKE, применяемой в большинстве экспериментов на этой установке В этой главе представляются методы обработки и наиболее характерные примеры их применения к данным, полученным с помощью переднего детектора ANKE Описание системы обработки приведено в работе

/5/. _

13R Е Pollack et al, Phys Rev E55(1997) 7606

Программа моделирования, созданная на основе библиотеки GEANT3, включает детальное описание установки и использует измеренные и рассчи-

I

танные трёхмерные карты поля спектрометрических магнитов ANKE Она применялась как при планировании эксперимента по развалу дейтрона, так и в ходе обработки экспериментальных данных В результате моделирования были получены разрешения по восстановленному импульсу, недостающей массе и энергии возбуждения протонной пары в реакции pd —» (pp)s(0°)n, а также рассчитан геометрический аксептанс установки Импульсное разрешение (RMS) спектрометра при поле в D2, равном 1 б Т, составляет а(Ар)/р = 0.5 — 1% для протонов с импульсами 0.5 — 3.0 ГэВ/с Разрешение по недостающей массе равно 15 — 20 МэВ, в зависимости от энергии пучка, а энергия возбуждения пары может быть восстановлена с точностью а(Ерр) < 0.4 МэВ при Ew = 0 — 3 МэВ, что делает возможным выделение событий в этом диапазоне Ерр Величины разрешения, полученные с помощью моделирования, хорошо совпадают с экспериментально наблюдаемыми.

Для восстановления импульса в переднем детекторе автором адаптирован "полиномиальный" метод, в котором каждая компонента 3-х импульса представляется в виде многочлена третьей степени от параметров измеренного трека Показано, что неточность такой аппроксимации в 5-10 раз меньше экспериментального размытия 'восстановленного импульса Кроме того, для условий ANKE был реализован метод восстановления импульса с помощью интегрирования траектории частицы в магнитном поле (метод Рунге-Кутта), включающий в себя аналитическое вычисление матрицы производных и учёт энергетических потерь в веществе В отличие от распространённого варианта этого метода, в котором интегрирование производится вдоль одной из осей, в данной реализации такое упрощение не делалось, что позволило применять метод ко всем детекторам ANKE Этот метод кратко описан в работе/б/ Аналитическое вычисление производных существенно повышает скорость расчёта и позволяет применять этот метод к достаточно большим 10® событий) массивам отобранных событий

Эффективность пропорциональных камер оказалась ниже 100% (от 80 до 100% на каждой чувствительной плоскости), при этом неоднородной по поверхности и нестабильной во|времени. Для учёта этого эффекта была раз-

вита методика расчета поверхностных карт эффективности, проводимого с использованием экспериментальных данных. Карты расчитывались для каждого промежутка времени, в течении которого эффективность была стабильна Поправка на неэффективность вводилась как индивидуальный вес трека, зависящий от пересекаемой им области камеры

Чтобы повысить трековую эффективность, в особенности для интересующих нас двухтрековых событий, использовался алгоритм поиска треков, не требующий срабатываний на каждой плоскости и не использующий опорных плоскостей Для оценки качества трека в нем используются предварительно полученные карты эффективности Благодаря комбинаторному поиску, общая эффективность восстановления двухтрековых событий составила 90% Также была реализована детальная процедура оценки эффективности восстановления близких треков в событиях из процесса рй —> {рр)в{0°)п, показавшая, что существенные (> 20%) потери при восстановлении близких треков начинаются только в области Ерр < 0.2 МэВ

В связи с тем, что позиции координатных детекторов не могли быть измерены с необходимой точностью 100/х), была разработана методика подстройки геометрических констант установки при помощи экспериментальных данных В ней использовались "калибровочные" реакции с полностью восстанавливаемой кинематикой, при этом координаты детекторов варьировались для'достижения наименьшего отклонения величин недостающих масс в этих реакциях Остаточные отклонения не превышали 11 МэВ/с2, что позволило уверенно использовать недостающую массу в качестве критерия для выделения процесса рс1 —► ррп Возмущение восстановленной энергии возбуждения протонной пары при таком смещении, как показало моделирование, пренебрежимо

В четвертой главе изложена процедура получения энергетической зависимости дифференциального сечения и векторной анализирующей способности процесса безмезонного развала дейтрона протоном с испусканием вперёд протонной пары с малой относительной энергией Полученные результаты сравниваются с предсказаниями модели ОМЕ+Д+ББ

Основным критерием выделения процесса рс1 —> ррп служила величина

_

недостающей массы для регистрируемой протонной пары При всех энерги-

ях пучка распределение недостающих масс содержит пик с шириной около 20 МэВ, расположенный вблизи величины массы нейтрона Анализ кинематики сопровождающих реакций|с регистрацией двух положительно заряженных частиц в переднем детекторе: pd —» pdir0, pd —> рртг°п, pd —> ррп'р, pd —> dnir+, pd —> рпж+п и pd -~> 3Нтг+ показал, что события ни одной из них не могут образовывать такого пика в аксептансе переднего детектора ANKE, в том числе и при неверной идентификации частиц При этом вклад событий от ближайших сопровождающих реакций pd —* pdn°, pd —> ppir°n и pd —> рртт~р в подложку под пиком может быть учтён, наряду с фоном случайных совпадений, процедурой вычитания В событиях, в которых две частицы попадали в разные счетчики годоскопа, было возможно определение типа частиц в паре с помощью измеренной разницы времен пролета. Такое определение подтверждает, что пик вблизи величины массы нейтрона действительно образован событиями, в которых регистрируются протонные пары Фоновая подложка под пиком незначительна при энергии Об ГэВ, но нарастает с ростом энергии пучка, так что отношение эффект/(эффект+фон) изменялось от 0 94 при энергии пучка 0 б ГэВ до 0.62 при 1 9 ГэВ

Светимость при измерении дифференциального сечения была получена с использованием протонов,' упруго и квазиупруго рассеянных на малые лабораторные углы от 5 до 10°, при этом было использовано сечение малоуглового pd —► рХ рассеяния, рассчитанное14 в приближении полноты теории Глаубера-Франко15 Сравнение такого расчёта с экспериментальными данными привело к оценке точности (RMS) сечения на уровне 7%.

Форма распределения событий pd —► (рр)п по величине энергии Ерр относительного движения в паре хорошо (x2/n d f = 0.99) описывается произведением фазового объёма и ¡фактора Мигдала-Ватсона взаимодействия в конечном состоянии в S-волне Фазовый объём при малых значениях Ерр имеет зависимость -\fEpp, а взаимодействие в конечном состоянии в приближении Мигдала-Ватсона параметризуется как

i 1 /sin <5\2

1 ( рр) = iwrrj '

I4Yu. Uzikov, Diffraction pd-scattering at'cOSY energies, ANKE-COSY Internai report, Jülich, 2001 15V. Franco, R J Glauber, Phys Rev. 142(1966) 1195

где X! — матрица упругого рр-рассеяния, |С(?7)|2 — кулоновский фактор, вычисляемый при г] = у/Ерр/тПр, а 5 — совместный кулон-ядерный фазовый сдвиг Распределение событий по косинусу азимутального угла в системе пары протонов при Ерр < 3 МэВ не противоречит изотропии (х2/п с1 Г = 1.03), допуская примесь неизотропного вклада в дифференциальном сечении на уровне нескольких процентов Таким образом, данные соответствуют предположению о том, что наблюдаемые протонные пары находятся преимущественно в х5о-состоянии

д^ДйеУ/с]

(a) Reid Soft Core (пунктир) и парижский (b) CD Bonn потенциал

(сплошная линия) потенциалы

Рис 2. Дифференциальное сечение pd —> (рр)3(0°)п в сравнении с расчетом ONE+SS+Д модели с использованием различных NN-потенциалов

Чтобы представить энергетическую зависимость сечения процесса во всём измеренном диапазоне энергий, трижды дифференциальное сечение было проинтегрированно по интервалу 0 < Ерр < 3 МэВ и усреднено по интервалу угла вылета протонной пары в системе центра масс реакции 0 < < 8° Основной 10%) составляющей неопределённости сечения при низких энергиях |была систематическая ошибка, в которой доминировала погрешность расчёта светимости При высоких энергиях возрастает роль статистической ошибки (до 30 % при 1 9 ГэВ)

На рис. 2(a) показано измеренное дифференциальное сечение процесса

pd —> (pp)s(0°)n как функция! энергии пучка /1, 2/ Там же приведены результаты расчета в ONE+SS+Д модели с использованием Reid Soft Core и парижского потенциалов Провал, ожидаемый при ~ 0.8 ГэВ, не наблюдается, падение сечения при Тр > 1 ГэВ происходит значительно быстрее, чем

предсказывается Однако последние расчеты с использованием CD Bonn по-

|

тенциала, который соответствует относительной малости высокоимпульснои компоненты волновой функции NN-системы в 35i — 3-Di и ^о состояниях, позволяют достигнуть разумного согласия с экспериментом (Рис 2(b))16

Рис 3 Угловая зависимость анализирующей способности при Тр =0,5 ГэВ (заполненные кружки) и 0,8 ГэВ (пустые кружки) в процессе рd —> (рр)п Сплошной линией показано предсказание модели ONE+SS+Д для Тр =0,5 ГэВ, полученное с использованием CD Bonn NN-потенциала, прерывистой — для Тр =0 8 ГэВ

На Рис 3 приведен результат измерения векторной анализирующей способности Ар при энергиях 0,5 и 0,8 ГэВ /3/ Там же показано сравнение с расчетом в рамках модели ONE+SS+Д, проведенным с использованием CD Bonn iVA^-потенциала Модель воспроизводит знак АI и уменьшение её величины при переходе от 0,5 к 0,8 ГэВ, но совершенно не описывает значение

16J Haidenbauer, Yu N Uzikov, Phys Lett B562(2003) 227

АР при энергии 0,5 ГэВ Возможным объяснением этому может быть то, что спиновая структура Д-механизма, существенно проявляющаяся в районе узла ONE, при этих энергиях, несмотря на включение вклада Д++, не полностью учтена в модели Возможный путь для улучшения теоретического описания может заключаться в использовании механизма однопионного обмена (OPE) для определения вклада Д Эта модель была предложена ранее17 и использовалась для описания дифференциального сечения рассеяния pd —> dp, однако для ее применения к процессу pd —» (pp)s(0°)п необходимы данные по процессам рр —> (pí>)iso7r0 и рп —> (рр)is07T~ в соответствующих кинематических областях Эксперименты, планируемые к проведению на ANKE, включают получение таких данных, а также измерение тензорной анализирующей способности Т20 и других поляризационных наблюдаемых в процессе pd —> (pp)is0n В заключении суммируются результаты, полученные в диссертационной работе

Ii Впервые проведены измерение и анализ данных по дифференциальному сечению процесса р + d —¡> (pp)s(6pp) + п в диапазоне энергий протонного пучка Тр =0,6-1,9 ГэВ Получена энергетическая зависимость дифференциального сечения, проинтегрированного по интервалу относительной энергии в протонной паре от 0 до 3 МэВ и усредненного в j интервале углов ö^1 от 0° до 8° Зависимость позволяет сделать вывод о явной предпочтительности использования на малых расстояниях и вне массовой поверхности CD Bonn NiV-потенциала перед Парижским и Reid Soft Core потенциалами Это свидетельствует об относительной малости высокоимпульсной компоненты волновой функции NN-системы в 3Si —3 Di и :5о состояниях

2 Впервые измерена векторная анализирующая способность А? в процессе pd —> (pp)sn при энергиях протонного пучка 0,5 и 0,8 ГэВ в диапазоне углов вылета нейтрона в= 166 — 180°. В ходе этого измерения отработана методика поляризационных pd-экспериментов на ANKE, необходимая для дальнейшего получения Т20 и СУгУ Неожиданно большая

17N S Craigie, С Wilkin, Nucí Phys Ш4, (1969)477, В M Колыбасов, H Я. Смородинская, Яд Физ 17(1973)1211, A. Nakamura, L. Satta, Nucí Phys A445(1985)706

величина А? при 0,5 ГэВ привела к необходимости исспользования новых теоретических подходов к описанию этого процесса и мотивировала изучение на ANKE процессов рр —> (pp)^^0 и рп —> (pp)^s0^~ в той же кинематике j

3 Создана система обработки данных, получаемых с помощью переднего детектора спектрометра ANKE (COSY, Юлих, Германия) Система включает в себя определение эффективности регистрации, калибровки импульсной шкалы и годоскопов счётчиков, восстановление траекторий и импульсов заряженных [настиц, а также процедуры on-line контроля процесса измерения

4 Разработана методика определения геометрических параметров спектрометра с использованием набора калибровочных реакций

5 Создана методика определения светимости при взаимодействии внутреннего пучка ускорителя COSY со струйной кластерной мишенью спектрометра ANKE

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

[1] V. Komarov, S. Dymov et a I., Proton-induced deuteron breakup at GeV energies with forward emission of a fast proton pair, Phys. Lett. В 553, 179 (2003).

[2] S Dymov et al , Physica Scripta Vol. T 104, 26 (2003)

[3] S Yaschenko, S. Dymov et al., Measurement of the analyzing power in pd —> (pp)n with a fast forward 1S0-diproton, Phys Rev Lett, 94, 072304 (2005)

[4] B. Chiladze, S. Dymov et a I., The forward detector of the ANKE spectrometer. Scintillation and Cherenkov hodoscopes., Письма в журнал "Физика элементарных частиц и атомного ядра". No 4[113], 95 (2002)

[5] S. Dymov et al, The forward detector of the ANKE spectrometer. Tracking system and its use in the data analysis., Письма в журнал "Физика элементарных частиц и атомного ядра", No. 2[119], 40 (2004).

[6] Dymov S. N , Kurbatov V S , Silin I. N., Yaschenko S. V , Constrained minimization in С++ environment, NIM A 440, 431 (2000)

Получено 19 марта 2007 г

ч

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 20.03.2007. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,28. Тираж 100 экз. Заказ № 55710.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Страница

Введение

Глава 1. Взаимодействие протонов с дейтронами при высоких передаваемых импульсах

1.1 Проблема взаимодействия адронов с ядрами при высоких передаваемых импульсах.

1.2 Протон-дейтронные взаимодействия при высоких передаваемых импульсах.

1.2.1 Инклюзивный развал дейтрона.

1.2.2 Упругое рс?-рассеяние назад.И

1.2.3 Эксклюзивный безмезонный развал дейтрона.

1.3 Развал дейтрона протонами в кинематике, близкой кинематике упругого pd—рассеяния назад.

Глава 2. Постановка опытов и экспериментальная установка

2.1 Ускоритель COSY.

2.2 Спектрометр ANKE.

2.2.1 Триггер и система сбора данных.

2.3 Передняя детекторная система ANKE.

2.3.1 Сцинтилляционный и черенковский годоскопы.

2.3.2 Пропорциональные камеры.

2.3.3 Использование детекторной системы в экспериментах на ANKE.

2.4 Спектаторный полупроводниковый детектор.

2.5 Процедура измерения.

2.5.1 Дифференциальное сечение.

2.5.2 Векторная анализирующая способность.

2.5.3 Калибровка детектора.

Глава 3. Методы обработки данных эксперимента

3.1 Элементы системы обработки данных.

3.2 Реконструкция треков в переднем детекторе.

3.2.1 Условия поиска трека.

1 3.2.2 Поиск трека с фиксированными трековыми плоскостями.

3.2.3 Поиск трека с перебором плоскостей.

3.3 Определение эффективности восстановления треков.

3.3.1 Эффективность срабатывания годоскопа.

3.3.2 Эффективность срабатывания пропорциональных камер.

3.3.3 Поправка на неэффективность пропорциональных камер.

3.3.4 Эффективность алгоритма поиска трека.

3.4 Реконструкция 3-х импульса частиц.

3.4.1 Полиномиальный метод.

3.4.2 Трассировка методом Рунге-Кутта.

3.5 Подстройка геометрических констант установки.

3.6 Критерии подавления фона.

3.7 Обработка экспериментальных данных и идентификация частиц.

3.7.1 Однотрековые события.

3.7.2 Двух-трековые события.

3.8 Монте-Карло моделирование установки.

3.8.1 Импульсное разрешение. Сравнение с моделированием.

9 Глава 4. Результаты опытов и их обсуждение

4.1 Идентификация процесса.

4.1.1 Использование недостающей массы.

4.1.2 Определение типа частиц в паре.

4.1.3 Итоговая процедура.

4.2 Процедура определения дифференциальных сечений.

4.2.1 Расчёт светимости.

4.2.2 Моделирование процесса pd —> (рр)п и учёт аксептанса установки.

4.3 Дифференциальные сечения процесса

4.4 Энергетическая зависимость сечения

4.4.1 Сравнение с теоретическим описанием процесса.

4.5 Векторная анализирующая способность процесса pd —> (pp)sn

Одной из главных задач исследования процессов взаимодействия протонов с легчайшими ядрами при передаче импульса Q > 1 ГэВ/с является получение информации о структуре этих ядер на малых расстояниях между нуклонами гдгдг ~ l/Q ~ 0,5 Фм и о NN-взаимодействии в области перекрывания нуклонов. Ожидается, что именно на таких расстояниях существует переходная область от адронных степеней свободы в структуре ядра к кварк-глюонным. Обнаружение такой области на эксперименте явилось бы событием первостепенной важности в физике сильных взаимодействий.

Дейтрон, как простейшее ядро, представляет в этом аспекте особый интерес. Детальное изучение его структуры позволяет получить информацию о сильном взаимодействии между двумя связанными нуклонами в определённых квантовых состояниях. Распределение плотности вероятности по величине внутреннего импульса нуклона в дейтроне напрямую связанно с потенциалом NN-взаимодействия. Чем выше внутренний импульс, тем на меньшем расстоянии находятся два нуклона в ядре.

В области малых переданных импульсов Q < 0,2 ГэВ/с, электромагнит-( ные и адронные взаимодействия с дейтронами хорошо описываются в рамках плосковолнового импульсного приближения (IA), предполагающего, что рассеяние происходит только на одном из нуклонов, тогда как другой является спектатором и не участвует во взаимодействии. В этом подходе дифференциальное сечение реакции пропорционально импульсному распределению нуклонов в дейтроне p(q) = u2(q) + w2(q), где q — внутренний импульс нуклона в дейтроне, a u(q) и w(q) — S и D состояния дейтронной волновой функции. Поляризационные наблюдаемые чувствительны к отношению u/w [1]. Таким образом, комбинируя данные с неполяризованными и поляризованными пуч-I ком и мишенью возможно получить полную информацию об и и w волновых функциях дейтрона.

Однако, по мере уменьшения межнуклонного расстояния включаются новые механизмы NN-взаимодействия: мезонный обмен, возбуждение внутренней структуры ядра с образование NN* и А А конфигураций, и проявляются кварковые степени свободы. Кроме того, при повышении внутреннего импульса в дейтроне становится необходимым учёт релятивистских эффектов взаимодействия, повышается роль рассеяния в начальном и конечном состояниях, маскирующего связь наблюдаемых характеристик с волновой функцией ядра. Следовательно, в области больших внутренних импульсов нуклонов (при переданном импульсе Q > 1 ГэВ/с), основной проблемой является разделение эффектов, связанных с ядерной структурой на коротких расстояниях и эффектов, вызываемых механизмами взаимодействия, нечувствительными к этой структуре. Изучение адрон-ядерных взаимодействий может предоставить существенную дополнительную информацию к результатам экспериментов с использованием электронов и 7-квантов, так как интерпретация последних затруднена проявлениями мезонно-обменных токов и в них не затрагивается глюонное поле ядра. При этом, для изучения желательно выбрать процесс, в котором вклады N* и А-резонансов были бы подавлены. Как было показано в работах [2]-[4], такое подавление происходит в реакции развала дейтрона р + d (pi + р2)forward + пbackward с испусканием протонной пары вперёд (врр « 0°) с малой относительной энергией в паре Ew < 3 MeV (относительная энергия определяется как разность инвариантной массы протонной пары и удвоенной массы протона, смотри приложение А). Данный процесс интересен для изучения еще и тем, что для его феноменологического описания в коллинеарной кинематике (то есть, при вылете протонной пары под малыми углами к направлению налетающего пучка протонов) необходимы только две спиновые амплитуды, и измерение двух поляризационных наблюдаемых — тензорной анализирующей способности Т20 и параметра спин-спиновой корреляции Суд позволяет провести полный поляризационный эксперимент.

Для изучения этого процесса на установке ANKE, расположенной на синхрофазотроне COSY (Jiilich, Германия) была предложена программа, включающая измерение энергетической зависимости дифференциального сечения в диапазоне энергий пучка Тр = 0,5 — 2,0 ГэВ и поляризационных переменных: векторной анализирующей способности АТ20 и СУ)У. Измерение А? являлось первым поляризационным экспериментом на ANKE, и служило также подготовкой для проведения измерений Т20 и СУгУ. В качестве первой стадии программы, в феврале 2001 г. было измерено дифференциальное сечение процесса, а в июле 2003 г — векторная анализирующая способность при энергиях Тр =0,5 и 0,8 ГэВ. Эти результаты положены в основу настоящей диссертации.

Диссертация состоит из четырёх глав и заключения.

В первой главе описана проблема взаимодействия протонов с дейтронами при высоких передаваемых импульсах и изучения структуры NN-взаимодействия на малых расстояниях. В ней проведён краткий обзор экспериментальной ситуации в изучении pd-столкновений в кумулятивной области и изложено обоснование нового экспериментального подхода к этой проблеме.

Во второй главе дано описание синхротрона COSY и частей установки ANKE, использованных для получения представляемых результатов. В ней также приводятся условия и методика проведённого эксперимента.

Третья глава посвящена описанию системы обработки данных в переднем детекторе спектрометра ANKE, применяемой в большинстве экспериментов на этой установке. В этой главе представляются методы обработки и наиболее характерные примеры их применения к данным, полученным с помощью переднего детектора ANKE.

В четвёртой главе изложена процедура получения энергетической зависимости дифференциального сечения и векторной анализирующей способности процесса безмезонного развала дейтрона протоном с испусканием вперёд протонной пары с малой относительной энергией. Полученные результаты сравниваются с предсказаниями модели ONE+A+SS [5, 6].

В заключении суммируются результаты, полученные в диссертационной работе.

Материалы диссертации основаны на работах [23, 67, 68, 74, 98], выполненных при участии автора, опубликованных в журналах "Physics Letters", "Physical Review Letters", "Nuclear Instruments and Methods", "Physica Scripta" и "Письма в журнал Физика элементарных частиц и атомного ядра"("Письма в ЭЧАЯ"), а также представленных на международных конференциях СНЕР'98, STORT02 и ERICE'02, научных семинарах ЛЯП ОИЯИ, заседаниях немецкого физического общества (ФРГ) и рабочем совещании сотрудничества ANKE по исследованию протон-дейтронных взаимодействий (Дубна, 2002). ft

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые проведены измерение и анализ данных по дифференциальному сечению процесса р + d —» (pp)s(0PP) + п в диапазоне энергий протонного пучка Тр =0,6-1,9 ГэВ. Получена энергетическая зависимость дифференциального сечения, проинтегрированного по интервалу относительной энергии в протонной паре от 0 до 3 МэВ и усреднённого в интервале углов 0™ от 0° до 8°. Зависимость позволяет сделать вывод о явной предпочтительности использования на малых расстояниях и вне массовой поверхности CD Bonn iViV-потенциала перед Парижским и Reid Soft Core потенциалами. Это свидетельствует об относительной малости высокоимпульсной компоненты волновой функции NN-системы в 3Sl —3 Di и1 So состояниях.

2. Впервые измерена векторная анализирующая способность А% в процессе pd —» (pp)sn при энергиях протонного пучка 0,5 и 0,8 ГэВ в диапазоне углов вылета нейтрона в= 166 — 180°. В ходе этого измерения отработана методика поляризационных ^-экспериментов на ANKE, необходимая для дальнейшего получения Тэд и СУ)У. Неожиданно большая величина Avy при 0,5 ГэВ привела к необходимости исспользования новых теоретических подходов к описанию этого процесса и мотивировала изучение на ANKE процессов рр —> (pp)is0n° и рп —» (pp)ls0'K~ в т°й же кинематике.

3. Создана система обработки данных, получаемых с помощью переднего детектора спектрометра ANKE (COSY, Юлих, Германия). Система включает в себя определение эффективности регистрации, калибровки импульсной шкалы и годоскопов счётчиков, восстановление траекторий и импульсов заряженных частиц, а также процедуры on-line контроля процесса измерения.

4. Разработана методика определения геометрических параметров спектрометра с использованием набора калибровочных реакций.

5. Создана методика определения светимости при взаимодействии внутреннего пучка ускорителя COSY со струйной кластерной мишенью спектрометра ANKE.

Эксперимент, результаты которого легли в основу настоящей диссертации, был подготовлен и проведён при поддержке дирекции ОИЯИ. Важнейшую роль при проведении измерения сыграла работа коллектива ускорителя COSY и многих членов коллаборации ANKE. Я благодарен моему научному руководителю Владимиру Ивановичу Комарову за постоянное внимание и помощь в моей работе над диссертацией, а также директору IKP FZ-Jiilich Hans Stroher за предоставленную возможность для работы в научном центре Юлих в рамках данного эксперимента. Хочу выразить признательность Анатолию Владимировичу Куликову за ценные замечания по содержанию работы, Юрию Николаевичу Узикову за терпеливую помощь в понимании теоретических основ физической проблемы и Георгию Гивевичу Мачарашви-ли за высказанные идеи по преодолению сложностей в обработке данных. Особую благодарность я хочу высказать Владимиру Сергеевичу Курбатову, чьё руководство во время моей дипломной работы и дальнейшее сотрудничество помогли мне в освоении методов обработки данных, необходимых для получения этих результатов. Я также благодарю сотрудников FZ-Jiilich F. Rathman, Н. Seyfarth, R. Schleichert и других членов коллаборации ANKE, принимавших активное участие в этом эксперименте и при подготовке публикаций. 1 2 3 4 5 6

7, 8 9

10 И

12

13

14

15

16

Заключение

1. Имамбеков О., Узиков Ю.Н., Ядерная Физика 52 (1990) 1361

2. JI. А. Кондратюк, Ф. М. Лев, JI. В. Шевченко, Ядерная Физика 331981) 1208.

3. JI. А. Кондратюк, Ф. М. Лев, Ядерная Физика 26 (1977) 294.

4. C. Alexa, B.D. Anderson, К.А. Aniol et al, Phys. Rev. Lett. 82 (1999)1374.

5. M. Garcon et al., Phys. Rev. C49 v.5 (1994) 2516.

6. R. Gilman and F. Gross, J. Phys. G28 (2002) R37.

7. C. Bonchaet al., Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4576.

8. V. Matveev, R. Muradyan, A. Tavkhelidze, Lett. Nuovo Chim. 7 (1973)719.

9. S. Brodsky, G. Farrar, Phys. Rev. Lett. 31 (1973) 153, Phys. Rev. Dll (1975) 1309.

10. N. Isgur, C.H. Llewellyn Smith, Phys. Rev. Lett. 217 (1989) 535. G.R. Farrar, K. Huleihel, H. Zhang, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 650. Аблеев В. Г. и др., Письма в ЖЭТФ Т. 47 (1988) 558; Краткие сообщения ОИЯИ 4(43)-90 (1990);

11. A. A. Novofilov et al., Phys. Lett. B325 (1994) 327;

12. B. Kuehn et al., Phys. Lett. B334 (1994) 298;

13. S. Azhgirey et al., Phys. Lett. B387 (1996) 37. T. Aono et al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 4997.17