Исследование рождения D- °-мезонов в нейтрон-ядерных взаимодействиях на серпуховском ускорителе с помощью спектрометра БИС-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ



« : и и— 4 //,/,';

/

/

/ '1С

ОБЪЕДИНЕННЫМ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЛАБОРАТОРИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Па правах рукописи

УДК 539.126.4 539.1

АРЕФЬЕВ Валентин Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЖДЕНИЯ £>°-МЕЗОНОВ В НЕЙТРОН-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ НА СЕРПУХОВСКОМ УСКОРИТЕЛЕ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТРОМЕТРА БИС-2

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальности: 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц;

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов,

автоматизация физических исследований

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

профессор ЛИХАЧЕВ

Михаил Федорович

кандидат физико-математических наук

старшии научный сотрудник МАКСИМОВ

Анатолий Николаевич

Дубна 1999

Оглавление Стр.

Введение......................................................................4

Г^пава 1. Спектрометр БИС-2............................................13

1.1 Общее описание спектрометра........................................14

1.1.1 Мишени ..................................................................14

1.1.2 Спектрометрический магнит СП-40 .................................15

1.1.3 Нейтронный монитор ..................................................16

1.1.4 Сцинтилляционные годоскопы ........................................16

1.1.5 Система идентификации заряженных частиц .......................17

1.1.6 Черенковский спектрометр полного поглощения ...................19

1.2 Система пропорциональных камер ...................................20

1.2.1 Электронная аппаратура ПК ..........................................21

6-ти канальный усилитель 6УФ912 ...................................22

Блок регистрации 922Г2 ...............................................26

Аппаратура для обработки сигналов "Быстрое ИЛИ" ............30

1.2.2 Рабочие характеристики ПК ..........................................32

1.3 Детектор частиц отдачи (ДЧО) ......................................33

1.4 Система отбора событий ..............................................38

1.4.1 Блок-схема системы отбора событий ................................39

1.4.2 Характеристики системы отбора событий..........................43

1.5 Система сбора данных .................................................47

1.6 Обработка экспериментальных данных ..............................48

1.7 Физические характеристики спектрометра.........................49

1.7.1 Импульсное разрешение ...............................................49

1.7.2 Геометрическая эффективность ......................................50

1.7.3 Разрешение по эффективной массе ..................................50

Епава 2. Исследование характеристик рождения £)°-мезонов........53

2.1 Условия эксперимента ..................................................54

2.1.1 Энергетический спектр нейтронов...................................54

2.2 Отбор экспериментального материала...............................56

2.2.1 Предварительный отбор событий ....................................57

2.2.1 Первичная обработка экспериментальных данных.................57

2.2.3 Использование ДЧО для разделения взаимодействий нейтронов на водороде и элементах конструкции мишени .....................58

2.2.4 Формирование лент ББТ ..............................................61

2.3 Спектры эффективных масс систем Ктгтпг ...........................63

2.4 Эффективность регистрации и выделения системы ,ЙГ+7г+7г-7г~ ... 66

2.5 Импульсные спектры Д°-мезонов.....................................67

2.5.1 Спектр по квадрату поперечного импульса (р................67

2.5.2 Спектр по продольным (р/) импульсам ...........................68

2.6 Поперечные сечения рождения Х^-мезонов .........................71

2.7 А-зависимость поперечного сечения рождения Х^-мезонов ......73

2.8 Обсуждение результатов ..............................................74

Заключение.................................................................78

Литература.................................................................83

Введение

Работа посвящена созданию экспериментальной установки, предназначенной для поиска новых частиц и изучения характеристик их рождения методом анализа спектров эффективных масс, и исследованию рождения очарованных Д°-мезонов в нейтрон-ядерных взаимодействиях в нейтральном пучке серпуховского ускорителя при средней энергии нейтронов около 40 ГэВ.

Существование очарованного кварка было постулировано в 1970 году Глэшоу, Илиопулосом и Майани для объяснения отсутствия нейтральных токов с изменением странности [1]. Однако, первые прямые указания на его существование были получены только в 1974 году в экспериментах по адророждению в Брукхэйвенской Национальной Лаборатории [2] и е+е~-аннигиляции в Стенфордском ускорительном центре [3]. Результатом этих экспериментов явилось открытие .//?/>-ча.стицы, которая интерпретировалась как связанное состояние пары очарованных кварка и антикварка. За этим открытием вскоре последовали наблюдения кварк-антикварк состояний с более высокими массами и состояний с открытым "очарованием", т.е. частиц, имеющих в своем составе отдельный очарованный кварк или антикварк. Отождествление 1 ¡ф с идеей чарма последовало достаточно быстро. Было доказано, что составляющими 1 /ф действительно являются сильно взаимодействующие кварки. Однако, затем в течение десяти с лишним лет после самого первого наблюдения чарма данные об его адророждении играли весьма ограниченную и часто сомнительную роль.

Исследование адронного рождения очарованных частиц является актуальным направлением в физике элементарных частиц. Характеристики адронного рождения отражают механизм взаимодействия адронов, парциальные вероятности распадов содержат информацию о слабых взаимодействиях с-кварка, а также о процессах адронизации кварков. Основная задача исследования адронного рождения очарованных частиц - выявления механизмов рождения тяжелых кварков.

Первым общепринятым указанием на рождение очарованных частиц в адрон-ных взаимодействиях стала работа [4]. В ней сообщалось о наблюдении 1}+-мезо-

нов в рр-взаимодействиях при у/в = 52, 5 ГэВ. Был зарегистрирован пик в 92 ± 18 событий в спектре эффективных масс системы К 7г+ с последующим распадом К*° —К~7Г+. С тех пор было проведено много экспериментов, направленных на изучение адронного рождения очарованных частиц. Мотивация этих усилий состояла в следующем:

• изучение адророждения чарма представляет собой самостоятельную научную проблему наряду с другими;

• очарованные частицы обеспечат расширение массовой шкалы в сторону больших масс, в связи с чем приобретают смысл вычисления по теории возмущений в рамках КХД. В этом случае адророждение чарма становится полезным инструментом для изучения структуры адронов и, возможно, экспериментальным подтверждением КХД;

• проверка возможностей делать предсказания в области рождения очарованных частиц покажет, насколько обоснованны предположения относительно рождения гипотетических сильновзаимодействующих частиц, появляющихся в рамках различных современных теорий (глюино, скварки и т.п.);

• с практической точки зрения знание характеристик рождения "тяжелых" ароматов весьма существенно для оценки фона во многих важных процессах, поскольку рождение лептонов в адрон-адронных взаимодействиях является одним из наиболее многообещающих способов исследования фундаментальных процессов, а рождение "тяжелых" ароматов является важным источником лептонов. Кроме того, рождение лептонов очарованными частицами будет основным источником заряженных лептонов или нейтрино для вторичных пучков на будущих поколениях ускорителей. Уже на существующих ускорителях распад мезонов является основным источником т-нейтрино.

В первое время возможности экспериментального изучения адророжде- ния чарма были сильно ограничены способностью применяемых детекторов удовлетворять жестким экспериментальным условиям. Кратко эти условия могут быть сформулированы следующим образом:

• малые величины полных сечений рождения чарма в адронных взаимодействиях - примерно 1 событие рождения сс-пары на 103 взаимодействий;

• большое количество частиц, рождающихся в адронных взаимодействиях, что приводит к значительному комбинаторному фону при восстановлении спектров эфективных масс;

• малые величины относительных вероятностей распадов очарованных частиц по каналам, наиболее удобным для регистрации - обычно 1 - 10% .

Значительная часть ранних измерений выполнена косвенными способами, такими, например, как наблюдение "прямых" лептонов, образующихся при полулеп-тонных распадах очарованных частиц. Хотя большая часть этих экспериментов имела первоначально другие цели, нежели поиск чарма, тем не менее было признано, что обнаруженные в них лептоны в промежуточном диапазоне поперечных импульсов вели свое происхождение от чарма. Было найдено, что количество заряженных лептонов составляет по отношению к пионам величину порядка Ю-3 для экспериментов с фиксированными мишенями и Ю-4 для коллайдерных экспериментов. Проводились также эксперименты по регистрации мюонов и нейтрино в экспериментах типа "beam-dump" с использованием поглотителей из вещества с разными плотностями. Все эти косвенные измерения проводились методом экстраполяции наблюдаемого количества лептонов к числу "прямых" лептонов, т.е. рожденных непосредственно в акте взаимодействия или в результате распада частиц, имеющих время жизни меньшее, чем это обусловлено слабыми распадами странных частиц.

Более непосредственные измерения распадов чарма проводились в ограниченной области фазового пространства - или в весьма узком конусе в направлении вперед, или при больших поперечных импульсах. Дополнительно использовались различные "обрезания", чтобы выделить события с характерными параметрами рождения или распада. Такой метод приводил к выделению сигнала от чарма, однако, в дальнейшем требовалось использование экстраполяций на основе различных моделей, чтобы перейти к полному фазовому объему. При этом иногда было необходимо вводить коэффициенты до 106, чтобы из величины наблюдаемого сигнала получить полные поперечные сечения рождения чарма.

Следствием значительных экспериментальных проблем явилось существенное расхождение в полученных результатах, которые зачастую противоречили друг другу. Сложившаяся ситуация в исследовании вопросов адророждения чарма подробно рассмотрена в обзорах [5, 6]. Резюмируя, можно сказать, что, например, разброс в величинах полных поперечных сечений достигал двух порядков, а энер-

гетическая зависимость сечения при переходе от экспериментов с фиксированными мишенями (л/з в диапазоне от 17 до 39 ГэВ) к энергиям коллайдера 1811 (л/в порядка 53 -т- 62 ГэВ) имела весьма круто возрастающий характер. Распределения по продольным импульсам указывали на значительный лидирующий эффект, т.е. в направлении вперед наблюдались преимущественно очарованные частицы, имевшие общий кварк с частицами падающего пучка. Величина показателя степени в законе распределения по продольным импульсам менялась в зависимости от эксперимента и регистрируемого конечного состояния от 1 до 11. Средний поперечный импульс наблюдаемых очарованных частиц варьировал от 0,5 до 1 ГэВ/с. В некоторых экспериментах не наблюдались сигналы, зарегистрированные другими группами с помощью аналогичных детекторов, а массовые распределения одних и тех же частиц имели различные величины средних значений для разных наборов данных.

Одной из наиболее важных проблем, затрудняющих анализ и интерпретацию данных по адронному рождению очарованных частиц, является так называемая проблема А-зависимости. Большинство экспериментальных данных по адронному рождению очарованных частиц получено с использованием различных ядерных мишеней. Единственным простым способом сравнивать эти данные друг с другом, а также с данными, полученными на водороде и на коллайдерах, является экстраполяция всех данных к определенному типу мишени. Обычно в качестве такой мишени выбирается водород. Определение вида экстраполяции и составляет сущность проблемы А-зависимости.

Адророждение легких ароматов достаточно полно и с хорошей статистической обеспеченностью исследовано на разных мишенях, чтобы изучить А-зависимость сечений их рождения. Эти данные обычно интерпретируются с помощью эмпирической формулы

<т(А) = К0а(Н)Аа,

где сг(А) и ст(Н) - сечения рождения на ядрах и протонах соответственно, А ~ атомный вес вещества мишени, Ко и а - параметры. Величина К0 лежит в диапазоне 1,5 - 2,0. Параметр а сильно зависит от хр и имеет величину от 0,45 до 0,75 при хр = 0 [14]. Кроме того, показано [13] , что а зависит также и от рг.

Для рождения чарма обычно предполагается, что К0 и а постоянны и равны 1,0, так как только при этом условии достигается достаточно хорошее согласие между ядерными и водородными данными [5, 15]. Существование Л-зависимости в виде А1 требуется и в теоретических моделях, основанных на пертурбативной КХД.

Более того, в предположении, что К0 = 1, из данных по J/ф рождению следует, что а = 0,94 ± 0,02 независимо от хр [16] . В то же время данные "beam dump" эксперимента Е613 [17] в предположении, что наблюдаемые нейтрино происходят от полулептонных распадов очарованных частиц дают величину а = 0, 75 ± 0, 05 для энергий нейтрино более 20 ГэВ, что соответствует приблизительно хр >0,2 для очарованных частиц. Этот результат накладывает строгий запрет на величину а = 1,0, так как в этом случае величина отношения выходов нейтрино на вольфрамовой и бериллиевой мишенях должна быть равной 2,3 в то время как наблюдаемое значение равно 1,10 ± 0,15. Зависимость вида

А.2/3

предполагается

в непертурбативных или истинно дифракционных моделях. Таким образом, экспериментальное определение вида А-оависимости сечения рождения очарованных частиц имеет важное значение для выбора теоретических моделей механизма их рождения.

Зависимость инклюзивного сечения рождения частиц от атомного веса (А) ядра мишени представляется обычно в виде

Дсгл = а0Аа,

где <Jo и «-константы. До сих пор данные о величине а для очарованных частиц опубликованы только в работах [18, 19, 17, 20], а о параметре ад только в работах [21] . Кроме того, как показано для рождения странных частиц, параметр а зависит от хр и pt. В связи с этим дополнительные сведения по этому вопросу весьма существенны.

Теоретические предсказания для величины этого параметра делят все модели процессов адронного рождения очарованных частиц на две группы:

• в пертурбативной КХД и других моделях "жесткого рождения" сс кварков ( т.е. их рождения в области пространства, определяемой массой с- кварка) а = 1;

• в дифракционной и других моделях "мягкого рождения" (например, в модели "внутреннего очарования") а = 2/3

В таких условиях важное значение имело получение дополнительных данных по адророждению очарованных частиц. Особый интерес представляло изучение характеристик их рождения при энергиях, близких к порогу. Единственным ускорителем, работавшим в этой области энергий, являлся ускоритель Института физики высоких энергий в г. Протвино с энергией ускоренных протонов, равной 76 ГэВ.

Для исследования процессов рождения очарованных частиц чаще всего используются три основных метода, обычно в комбинации друг с другом:

1. Поиск пиков в спектрах эффективных масс. Это классический метод. В применении к поставленной задаче он имеет ряд особенностей. Одна из них состоит в том, что поперечные сечения исследуемых процессов составляют десятые или даже сотые доли процента от полных. В связи с этим необходимо тщательным образом удостовериться в том, что отношение сигнал/фон имеет удовлетворительную величину. Другой особенностью является значительный комбинаторный фон, связанный с большой множественностью вторичных частиц и требующий значительных усилий для его уменьшения. От спектрометров, предназначенных для реализации этого метода, требуется хорошее разрешение по массам и обязательное наличие информации, позволяющей идентифицировать частицы.

2. Наблюдение прямых лептонов из полулептонных распадов. Этот метод используется довольно широко. В одних экспериментах (так называемые "beam-dump" эксперименты), измеряется исключительно выход прямых лептонов. В других экспериментах регистрируемый лептон от распада одного из членов рожденной пары служит признаком события, в котором следует искать ад-ронный распад другого члена. К сожалению, в данном случае неизвестно, к распаду какой конкретно частицы относится зарегистрированный лептон, и, следовательно, какую величину вероятности распада надо использовать для вычисления поперечного сечения. К численным оценкам, полученным на основе этого метода, следует относиться осторожно, т.к. они сильно зависят от применяемой модели.

3. Наблюдение короткоживущих частиц. Для реализации этого метода необходим вершинный детектор, позволяющий наблюдать точку рождения и распада частицы и измерять ее время жизни. Такой детектор должен быть, во-первых, быстрым, т.к. требуются большие светимости и, следовательно, интенсивные потоки частиц, и, во-вторых, должен позволять присоединять каждый трек события индивидуально к первичной или вторичной вершине, чтобы избавиться от комбинаторных проблем. В качестве такого детектора могут быть использованы микрополосковые кремниевые пластины. Быстроциклирующие пузырьковые камеры также обеспечивают требуемую точность, но не обладают достаточным быстродействием.