Исследование реакций рождения φ мезона в pp - аннигиляции в покое тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫМ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

На правах рукописи

НОМОКОНОВ Василий Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИЙ РОЖДЕНИЯ ф МЕЗОНА В рр АННИГИЛЯЦИИ В ПОКОЕ

Специальность: 01.04.16 - Физика ядра и элементарных частиц.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

ведущий научный сотрудник М.Г.Сапожников

Дубна 1998

Содержание

1 Введение 3

2 Правило Окубо-Цвейга-Иизуки. 6

2.1 Экспериментальная проверка правила ОЦИ....................................7

2.2 Нарушение правила ОЦИ в рр аннигиляции в покое..........................8

2.3 Теоретическое объяснение правила ОЦИ........................................12

2.4 Модель поляризованной скрытой странности в нуклоне......................13

2.5 Антипротон-протонная аннигиляция в покое..................................15

3 Экспериментальная установка ОВЕЫХ. 17

3.1 Методика получения медленных антипротонов в ЦБРН......................17

3.2 Спектрометр ОВЕЫХ............................................................19

3.2.1 Общие сведения............................................................19

3.2.2 Магнит......................................................................20

3.2.3 Спиральная проекционная камера........................................21

3.2.4 Струйная цилиндрическая дрейфовая камера..........................22

3.2.5 Времяпролетная система................................................23

3.2.6 Гамма-детектор высокого углового разрешения......................24

4 Обработка и анализ экспериментальных данных. 24

4.1 Отбор событий аннигиляции в покое............................................24

4.2 Триггер, нахождение полного числа аннигиляций............................25

4.3 Схема обработки данных..........................................................26

4.4 Идентификация частиц............................................................27

4.4.1 Времяпролетная методика................................................27

4.4.2 Идентификация по удельным энергетическим потерям................28

5 Изучение реакций р + р —>ф + п++-к" пр + р —> ш + тт+ + ж~. 30

5.1 Предпосылки исследования........................................................30

5.2 Реакция р + р—> и> + тг+ + тт~..................................................32

5.2.1 Выделение полезных событий............................................32

5.2.2 Определение выхода канала илг+тг~......................................34

5.2.3 Построение свободного от фона распределения по ............36

5.3 Реакция р + р—У ф 4- тт+ + 7г~....................................................38

5.4 Обсуждение результатов..........................................................40

5.5 Основные результаты..............................................................42

6 Исследование реакций р + р —> ф + ту ш р + р —> К+ + К~~ + ту. 43

6.1 Предпосылки исследования.............................43

6.2 Отбор событий....................................................................44

6.3 Вычет фона, подсчет количества событий рр —У фг]............................44

6.4 Определение вероятностей аннигиляции по каналу рр —» фт]..................50

6.5 Определение вероятностей аннигиляции по каналу рр —» К+ К ~т]..........53

6.6 Основные результаты......................................55

6.7 Сравнение с результатами других измерений..................................55

6.8 Обсуждение полученных результатов..........................................57

7 Предложение эксперимента по проверке предсказаний модели поляризованной скрытой странности нуклона. 59

7.1 Физическая мотивация............................................................59

7.2 Экспериментальная установка....................................................60

7.2.1 Отбор реакций с ф(и>) мезонами..........................................60

7.2.2 Анализ фоновых процессов...........................61

7.2.3 Оценка требуемых ресурсов..............................................66

8 Заключение. 66

1 Введение

Диссертация посвящена результатам, полученным в процессе обработки и физического анализа данных по антипротонной аннигиляции в покое, набранных с помощью детектора OBELIX на кольце медленных антипротонов LEAR в ЦЕРН. Основные результаты опубликованы в работах [1]-[5].

Актуальность диссертации состоит в том, что представляемый здесь цикл работ посвящен исследованию природы нового, недавно открытого явления - сильного нарушения правила Окубо-Цвейга-Иизуки в аннигиляции покоящихся антипротонов.

Согласно нерелятивистской кварковой модели, нуклоны и антинуклоны не содержат странных кварков, в то время как ф мезон является практически чистым ss состоянием, с лишь небольшой примесью легких кварков. Провозглашенное еще в 60-х годах и проверенное во многих экспериментах правило Окубо-Цвейга-Иизуки гласит, что процессы, описываемые диаграммами с разрывными кварковыми линиями, подавлены [6]-[8]. Таким образом, рождение ф мезона в антинуклон-нуклонной аннигиляции является как раз таким "запрещенным" по ОЦИ процессом. Выход ф мезонов можно предсказать, основываясь на данных по рождению ш мезона, который имеет те же квантовые числа, но состоит лишь из легких кварков. Тогда, согласно нерелятивистской кварковой модели, выходы ф и со мезонов должны относиться (с точностью до отношения фазовых обьемов) как доли содержащихся в них легких кварков:

д rfr + P+ tort, 4.2. ц- 3 (1)

Y(p + p w + X) w

Здесь 5 = Q — 90: по квадратичной массовой формуле Гелл-Манна-Окубо угол смешивания © = 39°, а идеальный угол смешивания ©о = 35.3°.

Правило ОЦИ получило многократное экспериментальное подтверждение в пион-нуклонных, нуклон-нуклонных и антинуклон-нуклонных на лету реакциях рождения ф(ш) мезонов.

Недавно в экспериментах по нуклон-антинуклонным взаимодействиям в покое на пучке медленных антипротонов LEAR (ЦЕРН) было обнаружено интересное явление [9],[10]: оказалось, что в некоторых реакциях аннигиляции выход ф мезонов в несколько десятков раз превышает ожидаемый (1). Так, оказалось, что для реакций рр —> ф^у и рр —» о>7 [9] R = (243 ± 86) • 10~3, а для реакций рр —>■ фтт° и рр —> илт° [10] R = (114 ±24) • 10~3.

Эти открытия повлекли за собой оживленную дискуссию и появление целого ряда подходов и моделей, объясняющих это явление.

Мы попытались выяснить, какие факторы влияют на наблюдаемое нарушение правила ОЦИ - кинематика процесса, спин начального состояния, тип рождаемых совместно с ф мезоном частиц.

Цель работы состояла в исследовании рождения ф мезона в ряде реакций антипротон-протонной аннигиляции в покое при помощи универсального магнитного спектрометра OBELIX. Было выполнено:

• Измерение выходов реакций р + р —У ф + + тт~ йр + р—Усо + тг+ + тт~ для двух типов водородной мишени - жидкой и газообразной при давлении 3 атмосферы. Варьирование плотности мишени позволяет изменять соотношение между долями аннигиляций, происходящих из Э- и Р- волновых состояний рр атома.

• Изучение поведения выходов реакций р + р ф + 7г+ + 7г~ ж р + р —)■ и> + тх+ +

в зависимости от величины эффективной массы дипионной системы. Поскольку в реакциях антипротонной аннигиляции в покое р + р ф + X переданный импульс однозначно связан с массой частиц, рождаемых с ф мезоном, интересно было сравнить величины отношений Я = у^+р^+х] для Разных эффективных масс системы X.

• Исследование реакции р+р —>■ ф+г) при трех различных типах водородной мишени - жидкой, и двух газообразных при давлениях 1 атм и 5 мбар. Стояла задача измерить выход реакции, выявить, какое спиновое состояние предпочтительней для рождения ф мезона в данном процессе и измерить вероятности аннигиляции по данному каналу для каждого начального состояния. Интересно было затем сопоставить полученный результат с имеющимися данными по реакции р+р —> ф + 7г°, которая идет из тех же начальных состояний что р + р ф + г], но с изоспином 1 = 0.

• Изучение реакции р + р —» К+ + К~ + г) при трех типах водородной мишени -жидкой, и двух газообразных при давлениях 1 атм и 5 мбар, измерение выходов реакции, определение спиновой зависимости реакции.

• Разработка проекта эксперимента по изучению рождения ф мезона во взаимодействии поляризованных дейтронов с поляризованными протонами в реакции с[ + р —Не + ф для проверки предсказаний модели поляризованного странного моря в нуклоне [11],[12].

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• Впервые измерены выходы реакций р + р —> ф{ш) + 7г+ + 7г~ с водородной мишенью при давлении 3 атм.

• Впервые получены результаты по зависимости выходов реакций р + р —» ф(ш) + 7г+ + 7г- от массы дипионной системы. Обнаружено, что отношение выходов ф и си мезонов растет с уменьшением дипионной массы.

• Впервые проведено исследование реакции р + р ф + т] с мишенью при низком давлении и реакции р + р —> К+ + К~ + г/ с жидкой мишенью и мишенью при низком давлении.

• Обнаружена сильная зависимость выхода реакции рр -» К+К~г} от плотности мишени.

• Открыто новое правило динамического отбора для реакции р 4- р —У ф 4- г), которое заключается в том, что вероятность этой реакции из состояния 1 Pi на порядок больше, чем из состояния 3S\. Такой результат оказался полностью противоположным закономерности, установленной для канала р + р ф + 7г°.

• Разработан проект эксперимента по проверке предсказаний модели поляризованной странности нуклона в реакции dp -ч-3 Неф.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные результаты расширили наши знания о свойствах явления нарушения правила ОЦИ в рр аннигиляции, позволили дискриминировать некоторые теоретические модели, а также могут быть полезными для планирования будущих экспериментов.

На защиту выносятся:

1. новые экспериментальные данные по изучению образования ф и со мезонов в реакциях рр —У ф{со)тх+т1~ аннигиляции покоящихся антипротонов в жидкой и газообразной мишенях.

2. новые экспериментальные данные по измерению относительных вероятностей реакции рр —» фг] с жидкой и газообразной мишенями при давлениях 1 атм и 5 мбар.

3. новые экспериментальные данные по измерению выхода канала K+K~i~j с жидкой и газообразной мишенями при давлениях 1 атм и 5 мбар.

4. результаты моделирования эксперимента по проверке предсказаний модели поляризованной скрытой странности в нуклоне в реакции dp —>3 Неф.

Диссертация выполнена в Объединенном Институте Ядерных Исследований. Основные результаты опубликованы в работах [1]-[5], а также были представлены автором на международных конференциях VII Workshop on High Energy Spin Physics (1997, Дубна), The Workshop on Production, Properties and Interaction of Mesons (1998, Краков), The fifth Biennial Conference on Low Energy Antiproton Physics (1998, Кальяри), а также на конференции Отделения физики РАН (1996, Москва), рабочих совещаниях коллаборации OBELIX и научных семинарах лабораторий ОИЯИ.

Работа содержит 78 страниц, включая 28 рисунков и 15 таблиц. Диссертация состоит из восьми глав, включая настоящее введение и заключение.

Во Введении дана постановка задач и общая характеристика работы, рассказано об ее целях, научной новизне и практической ценности.

Вторая глава посвящена обсуждению правила Окубо-Цвейга-Иизуки. Приводится обзор экспериментальных данных, особое внимание уделено случаям обнаруженных отклонений от предсказаний правила ОЦИ и их трактовке. Наиболее подробно рассказывается о модели скрытой поляризованной странности в нуклоне, предлагающей естественное объяснение обнаруженным отклонениям. Эта глава содержит также необходимые сведения о том, какие процессы происходят с антипротон-протонной парой перед аннигиляцией, от чего зависит квантовое состояние рр атома.

Следующая, третья, глава знакомит с методикой получения медленных антипротонов в ЦЕРН, содержит подробное описание составных частей спектрометра ОВЕ1ЛХ и их основных характерестик.

В четвертой главе кратко объяснены процедуры отбора событий, нахождения эффективности триггера, полного числа аннигиляций. Показана общая схема обработки данных. Рассказано об особенностях идентификации частиц в спектрометре, методах ее улучшения.

Пятая глава посвящена изучению кинематической зависимости отношения выходов ф и со мезонов в реакциях рр —)■ ф(и>)п+тг~. Описана процедура физического анализа, обсуждаются полученные результаты.

Шестая глава рассказывает о методике определения вероятностей аннигиляции по каналам фт] и К+К~г] из различных начальных состояний. Здесь обсуждается, какие теоретические модели способны объяснить и воспроизвести полученные правила динамического отбора для реакции рр —> фг/.

Седьмая глава содержит подробное описание предложения эксперимента по проверке предсказаний модели поляризованной внутренней странности в нуклоне с помощью изучения реакции &р —>-3 Неф во взаимодействии поляризованных дейтронов с поляризованной мишенью.

В заключении обсуждаются полученные в работе результаты и их место в процессе изучения явления нарушения правила ОЦИ.

2 Правило Окубо-Цвейга-Иизуки.

Каким образом можно экспериментально проверить справедливость правила ОЦИ? Одним из наиболее чувствительных пробников правила ОЦИ является рождение ф мезона, поскольку он является практически чистым ss состоянием, и поэтому его рождение должно быть подавлено во взаимодействиях частиц, не содержащих странных кварков (при условии, что в конечном состоянии также нет частиц, помимо ф мезона, содержащих их). Поэтому очень удобно сравнивать сечения рождения ф и со мезонов. Введем, согласно Окубо [6], параметр

г=т-M(A + B^Ss + X) _Q

М{А + В ^йи + Х) + М(А + В dd + X)] /у/2

При строгом выполнении правила 2 должно равняться 0. Тогда для любых адронов А и Б в начальном состоянии и адрона X в конечном состоянии, не содержащих странные кварки, отношение сечений реакций рождения ф и и> мезонов можно выразить через параметр Z следующим образом:

6 = 0 — вг здесь - отклонение от угла идеального смешивания ©г = 35.3°, а / - фактор отношения фазовых объемов для двух реакций. Используя квадратичную массовую формулу Гелл-Манна-Окубо, находим значение реального угла смешивания в = 39° и тогда, в случае строгого выполнения правила ОЦИ, имеем

2.1 Экспериментальная проверка правила ОЦИ.

За почти тридцатилетний срок своего существования правило ОЦИ получило многократное экспериментальное подтверждение. В Таблице 1 приведены экспериментально измеренные значения Я ж Z для пион-ну к лонных, протон-протонных и антипротон-протонных взаимодействий, для различных реакций и энергий пучка.

На Рис. 1 (а,Ь,с) показаны экспериментальные значения Я и для ■кN (а,с1),

NN (Ь,е) и NN (сД) на лету взаимодействий как функция энергии в системе центра масс. Данные приведены без поправок на разницу фазовых объемов. На Рис. 1^) и 1(Ь) показаны значения Д и £ для NN аннигиляции в покое как функция массы частицы (системы частиц), рождающихся совместно с ф(ш) мезоном, для случаев соблюдения правила. Сплошной линией показаны значения, предсказываемые правилом ОЦИ.

Анализ существующих экспериментальных данных по пион-нуклонным взаимодействиям [13]-[21] позволяет найти взвешенное среднее (не поправленное на разницу фазовых обьемов): Я, = (3.3 ± 0.3) • 10—3, 2 = 0.9 ± 0.3%. Это взвешенное среднее значение показано штриховой линией на том же Рис. 1.

Те лее величины для нуклон-нуклонных соударений, также подсчитанные без корректировки на разницу фазовых объемов, составляют Й = (14.7 ± 1.5) • Ю-3, 2 = 8.2 ±0.7% (см. рис. 1(Ь,е)).

Имеющиеся данные по нуклон-антинуклонной аннигиляции на лету позволяют найти К — (11.3 ± 1.4) • 10~3,а 2 = 5.0 ± 0.6% (значения экспериментальных величин, взятые, как и ранее, без поправок на разницу фазовых объемов, представлены на рис. 1 (с,£)).

Можно сказать, что проверяемая гипотеза о степени подавления выхода ф мезонов в адрон-адронных процессах подтвердилась. Лучше всего согласуются с предположением (4) результаты исследования ^гN взаимодействия, в рр и рр - аннигиляции согласие несколько хуже. Никакой систематической зависимости значений параметров от энергии налетающей частицы не обнаружено.

(3)

Я = 4.2 • 10~3/

(4)

Таблица 1: Отношения Я = а{фХ)/а{и>Х) для рождения ф и и> - мезонов в рр, рр и 7тр взаимодействиях с отличным от нуля импульсом налетающей частицы Р^. Параметр Ъ степени нарушения правила ОЦИ вычислялся для 5 = 6 — 0, = 3.7°, в предположении идентичных фаз амплитуд рождения ф и ш мезонов.

Начальное Рь Конечное R = сг(фХ)/а(шХ) \Z\ Ссылки

состояние (ГэВ/с) состояние X • 103 (%)

7Т+П 1.54-2.6 Р 21.0 ± 11.0 8 ± 4 [13],[14]

7Т+р 3.54 7Г+р 19.0 ± 11.0 7 ± 4 [15]

7Г~р 5-6 П 3.5 ±1.0 0.5 ±0.8 [16]

7Т~ р 6 П 3.2 ±0.4 0.8 ±0.4 [17]

тт~~р 10 7Г ~р 6.0 ±3.0 1.3 ±2.0 [18]

7Т"р 19 2тт~7г+р 5-0±|. 0.6 ±2.5 [19]

7Т~р 32.5 п 2.9 ±0.9 1.1 ±0.8 [20]

тх ~р 360 X 14.0 ±6.0 5 ± 3 [21]

РР 10 РР 20.0 ±5.0 8 ± 2 [18]

РР 24 рр 26.5 ± 18.8 10 ±6 [22]

РР 24 тт+тт~рр 1.2 ±0.8 3± 1 [22]

РР 24 рр т7Г+7Г~, 19.0 ±7.0 7 ± 3 [22]

т=0,1,2

РР 70 рХ 16.4 ±0.4 [23]

РР 360 X 4.0 ±5.0 0.1 ±4 [24]

РР 0.7 7Г+7Г~ 19.0 ± 7 ± 2 [25]

рр 0.7 Р° 13.0 ±4+) 5 ± 2 [25]

рр 1.2 7Г+7Г ll.Oiî^ 4 ± 1 [26]

рр 2.3 7Г+7Г_ 17.5 ±3.4 7 ± 1 [27]

рр 3.6 7Г+7Г~ 9.Oty 3±3 [26]

*) поправлено на фазовый обьем.

2.2 Нарушение правила ОЦИ в рр аннигиляции в покое.

Однако, сравнительно недавно, в некоторых реакциях NN аннигиляции было обнаружено серьезное отклонение от упомянутых предсказаний правила ОЦИ [9], [10] (см. Таблицу 2). Как видно, ряд реакций, а именно, рр —» ф(ш)7, рр —> ф(ui)tt0, пр —> ф{и>)7г+ и рп —> ф{и)тт~ имеют R на два порядка превышающее предсказываемое правилом ОЦИ.

Специфика NN аннигиляции в покое позволяет в некоторых случаях исследовать зависимость R от спина начального состояния. Так, реакция рр —> фп° может идти лишь из двух начальных состояний: 3S]Lvi1Pi. Исследования, проведенные с помощью детекторов ASTERIX [28] и OBELIX [10] показали, что данный процесс, в котором было обнару-

N

ттЫ

10 СеУ

20 15 10 5 0

10 ч/б, веУ

РР

60 40 20 О

20 15 10 5 О

: ь)

10

%/§, СеУ

Ёе)

Г 5

10

СеУ

ог!

500 1000 М(Х), МеУ/с2

РР

<-021

2 3

20 15 10 5 О

1 О

тг

■021

2 3

VI, СеУ

рр оI геэ! �