Исследование структурных функций К-мезона и характеристик адронных струй в области фрагментации при высоких энергиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

Бадалян Надежда Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИЙ К- МЕЗОНА И ХАРАКТЕРИСТИК АДРОННЫХ СТРУЙ В ОБЛАСТЯХ ФРАГМЕНТАЦИИ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: А. А. Кузнецов, доктор физ.-мат. наук, профессор

Дубна 1997

Оглавление

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

Глава I. Рекомбинационный механизм образования адронов

в процессах фрагментации и распределение пар тонов в адронах ...................................................14

1.1 Распределение партонов в адронах........................14

1.2 Распределение валонов (составляющих кварков)

в адронах ...................................................19

1.3 Многопартонная рекомбинационная модель ..............21

Глава II. Оценка параметров структурных функций К- мезона и

вероятности рождения мезонных мультиплетов .........29

2.1 Инклюзивные спектры мезонных резонансов в области фрагментации К- мезона..................................29

2.2 Распределение странных морских кварков К- мезона ... 34

2.3 Вероятности рождения мезонных мультиплетов .........37

2.4 Инклюзивные спектры тт- и К- мезонов в области фрагментации К- мезона и вклады от распадов различных мезонных резонансов .........................40

Глава III. Алгоритмы реконструкции адронных струй

в многочастичных конечных состояниях .................52

3.1 Бинарный В- алгоритм по поиску и реконструкции адронных струй ............................................52

3.2 Зависимость механизма формирования прекластеров

от метрики алгоритма .....................................55

3.3 Анализ экспериментальных данных по тг~р- и

7т~С- взаимодействиям при 40 ГэВ/с и критерии

для определения параметра обрезания В- алгоритма----58

Глава IV. Свойства адронных струй в 1г~р- и

7т~С- взаимодействиях при 40 ГэВ/с......................80

4.1 Выделение смешанных адронных струй...................80

4.2 Универсальность адронных струй в однострунных и двухструнных событиях ...................................84

4.3 Адронные струи с определенным значением электрического заряда .....................................88

Заключение .........................................................108

Библиография.......................................................112

Введение

Бурное развитие физики сильных взаимодействий за последние два десятилетия обязано, главным образом, введению в субъядерную физику концепции цветового квантого числа и развитию на ее основе квантовой хромодинамики КХД. На сегодняшний день основным счетным аппаратом, который позволяет получать количественные результаты в рамках КХД, является теория возмущений. Благодаря свойству асимптотической свободы, константа кварк - глюонного взаимодействия логарифмически уменьшается на малых расстояниях, и тем самым с увеличением передаваемых импульсов между цветными объектами применимость методов теории возмущений в КХД становится все более обоснованной [1, 2, 3, 4, 5].

Процессами с большими передаваемыми импульсами или жесткими процессами является е+е~ - аннигиляция в адроны, глубоконеупругое рассеяние пептонов на адронах, а также инклюзивное рождение адро-нов с большими поперечными импульсами и лептонных пар Дрелла -Яна в адрон - адронных взаимодействиях.

В описании таких процессов КХД достигла заметных успехов. В рамках логарифмического приближения КХД получены также эволюционные уравнения Алтареди - Паризи [б], которые позволяют следить за изменением кварковых и глюонных распределений в адронах при изменении квадрата передаваемого адрону четырех - импульса. Однако необходимо отметить, что в процессах с большими передачами импульса КХД описывает только определенный подпроцесс, а именно, пептон -кварковое или кварк - кварковое взаимодействие всего жесткого процесса, в то время как наблюдаемыми объектами являются конечные адронные состояния.

Процесс перехода кварков и глюонов в адроны или адронизация кварков и глюонов является мягким процессом, так как не сопровожда-

ется большими передачами импульса. Проблема адронизации кварков и глюонов тесно связана с проблемой удержания цветных объектов в ограниченных объемах и не может быть решена в рамках теории возмущений КХД. Таким образом, даже при описании жестких процессов КХД сталкивается с определенными трудностями.

Более сложными и не поддающимися анализу в рамках КХД представляются мягкие адрон - адронные взаимодействия. В этом случае не только адронизация образованных в процессе взаимодействия кварков и глюоннов является мягким процессом, но и сам процесс взаимодействия сопровождается небольшими передачами импульса, т.е. является мягким процессом. Процессы именно такого типа дают подавляющий вклад в полное сечение адрон - адронного взаимодействия [7, 8].

Интерес к изучению мягких адрон - адронных процессов, характеризующихся малыми поперечными импульсами рожденных частиц, связан с попыткой описания этих процессов на основе кварк - пар-тонной структуры адронов. Для описания таких процессов разработаны ряд моделей рекомбинационного типа, в которых устанавливается связь между функциями распределения кварк - партонов начального адрона и инклюзивными сечениями образования быстрых или лидирующих адронов в областях фрагментации взаимодействующих адронов [7, 8, 9].

Основанием для такого подхода послужил экспериментальный факт приблизительного подобия функции распределения валентных кварков протона, определенных из глубоконеупругих лептонных процессов, и инклюзивных спектров его фрагментации в тг^1- мезоны [10]. Последние, согласно этим моделям, образуются в результате рекомбинации быстрого валентного кварка и малоэнергичного антикварка из состава начального протона. Вероятность рекомбинации определяется рекомбинационной функцией, которая выбирается феноменологически

[11, 12, 13, 14] или выражается через функции распределения составляющих валентных кварков или валонов в конечном адроне [15, 16, 17].

Одно из основных предположений, которые делаются в рекомбина-ционных моделях, состоит в том, что в мягких столкновениях валентная часть структурной функции начального адрона не претерпевает значительных изменений (в акте взаимодействия принимают участие мягкие глюоны [18, 19]). Что касается распределения морских парто-нов, то они могут претерпевать изменения (например, превращения части глюонного моря в кварк - антикварковое вследствие КХД процессов (7—Однако в рамках рекомбинационных моделей эти изменения практически не сказываются на виде инклюзивных спектров конечных адронов во фрагментационной области, но влияют на их абсолютный выход [13, 14].

Характерной чертой рекомбинационной модели является допущение, что из родительского адрона в регистрируемый адрон переходит фиксированное число партонов (два - в случае образования мезонов и три - в случае образования барионов или антибарионов), суммарный продольный импульс которых и определяет продольный импульс конечного адрона. Противоположный с этой точки зрения подход развит в рамках аддитивной кварковой модели [20, 21], согласно которой в адр оно образовании принимают участие целые кластеры партонов - составляющие кварки (валентный кварк со своей "шубой" морских партонов); при этом доля моря начального адрона, привносящая продольный импульс в конечный адрон, приблизительно равна ~ А^/А где Му - число валентных кварков в начальном адроне, Nу - число валентных кварков, общих для начального и конечного адронов.

В многопартонной рекомбинационной модели [9, 22, 23] развивается более общий случай перехода из начального в конечный адрон произвольного числа партонов. В модели вводится параметр Ж, означающий вероятность морскому партону начального адрона войти в состав

моря регистрируемого. Сравнение предсказаний модели с экспериментальными данными позволяет определить значения этого параметра для различных процессов, в зависимости от числа валентных кварков, общих для начального и конечного адронов, и тем самым получить новую информацию о механизме адронообразования при малых поперечных импульсах.

Итак, рекомбинационные модели устанавливают связь между функциями распределения кварк - партонов начального адрона и инклюзивными спектрами, образованных адронов в области фрагментации, и поэтому позволяют получать информацию о функциях распределения кварков и глюонов в адронах. Такой способ получения информации о структурных функциях адронов является очень ценным в случаях, когда экспериментальные измерения распределения партонов (в особенности морских) затруднены, как в случае 7Г- и К- мезонов.

В настоящей диссертационной работе на основе анализа инклюзивных спектров мезонов и мезонных резонансов в областях фрагментации К±- мезонов, определены функции распределения как валентных, так и странных морских кварков в К^- мезонах [26].

Как отмечалось, зависимость структурных функций от значения квадрата переденного адрону четырех - импульса О1 определяется уравнениями Алтарелли - Паризи [6]. В диссертационной работе не рассматривается зависимость распределения партонов от С}2, т.к. анализируются только мягкие адронные взаимодействия с целью определения зависимости структурных функций от фейнмановской переменной х = £>ц/р, где р - импульс начального адрона, рц - продольная составляющая импульса вторичного адрона в системе центра масс адрон - адронного взаимодействия. По этой причине полученные функции распределения партонов следует рассматривать как распределения при небольших значениях СЦ2 ~ 1ГэВ2.

Если перейти от рассмотрения лидирующего адрона к группе ад-

ронов в областях фрагментации, то возникает естественно вопрос о свойствах лидирования таких групп адронов. Можно ожидать, что лидирующий адрон и несколько ближайших к нему по быстроте адронов могут образовать группу адронов или струю, которая также будет обладать свойством лидирования. При этом, имеется в виду, что характеристики такой группы адронов как целого, будут определяться функцией распределения и квантовыми числами кварка, который фрагмен-тирует в эту группу частиц или струю. С другой стороны естественно ожидать, что при увеличении числа частиц в лидирующей группе адронов, свойства лидирования такой группы адронов могут теряться. Такие представления могут быть обоснованы в рамках струнных моделей множественного образования адронов, в которых полагается, что после формирования лидирующего адрона происходит формирование ближайшего к нему по быстроте адрона и т.д. пока волна адронизации не доходит до самых медленных адронов (ссылки на работы, в которых рассматриваются различные механизмы адронизации кварков, можно найти в [27]).

Исходя из сказанного, можно определить спектаторную адронную струю в мягких процессах, как группу адронов, которая обладает свойством лидирования, т.е. несет информацию относительно кварка из состава фрагментирующего адрона.

Для адронных струй, в отличие от лидирующих адронов, такие характеристики как масса и заряд струи, а также множественность частиц в струе не являются фиксированными величинами. Естественно ожидать, что помимо инклюзивных спектров адронных струй, свойства лидирования струй должны проявляться также и в распределениях по этим величинам.

Для выделения адронных струй в многочастичных конечных состояниях необходимо иметь алгоритмы по поиску и реконструкции адронных струй. В диссертационной работе предложен новый бинарный

В- алгоритм по поиску и реконструкции адронных струй, в которое как мера близости между частицами г и к используется расстояние Ьцц между этими частицами в 4-мерном пространстве скоростей [28] Переменные Ъ{к, предложенные А. М. Балдиным, позволяют изучат! особенности адронных и ядерных взаимодействий в четырехмерное пространстве скоростей. Помимо В- алгоритма, на основе величин Ъи построены также Ап- алгоритм [29] и бинарный Вк- алгоритм [30]. Н< вдаваясь в детальное обсуждение Ап- алгоритма, отметим лишь, чт( А2, Аз, ..., Ап - алгоритмы основаны на минимизации функционалы А2, Аз, ..., Ап, определенных на множестве всевозможных разбивши множества частиц в конечном состоянии на две, три, п - групп ча стиц [29]. При этом, для построения любого из функционалов А4, А3 ..., Ап используется информация относительно всех адронов, включен ных в анализ.

Алгоритм А2 успешно применялся для выделения мезонных струй I нуклонных кластеров в широком энергетическом интервале как в ад ронных, так и в ядерных взаимодействиях. При этом были обнару жены свойства универсальности адронных струй в мягких, жестких I кумулятивных процессах [31].

Недостатком Ап- алгоритма является то, что для анализа событий < большой множественностью частиц ему требуется время на нескольк* порядков больше, чем В- алгоритму. Например, при анализе со бы тия с 10 частицами А2- алгоритм тратит на два порядка больше вре мени чем В- алгоритм, и эта разница увеличивается экспоненциальн< с увеличением числа частиц, включенных в анализ. Более того, пр] п > 2 время, которое необходимо Ап- алгоритму для анализа со бы тия, также увеличивается экспоненциально с увеличением п. Данно обстоятельство делает практически невозможным использование Ап-алгоритма для анализа событий с множественностью частиц больш нескольких десятков.

Относительно Вк- алгоритма [30] отметим, что будучи бинарным алгоритмом, он обладает всеми преимуществами В- алгоритма, однако логическая схема Вк- алгоритма заметно отличается от логики В- алгоритма, которая, в свою очередь, построена в полной аналогии с логической схемой алгоритма коллаборации JADE [32, 33, 34]. Вопрос о том, к каким отличиям при поиске и реконструкции струй это может привести, является предметом отдельного исследования.

На основе анализа экспериментальных данных по множественному рождению частиц в тг~р- и 7Г~С- взаимодейсвиях при импульсе тг~-мезона 40ГэВ/с показано, что адронные струи, выделенные В- алгоритмом, обладают свойством лидирования и, следовательно, несут информацию о кварке, вследствие фрагментации которого они родились.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении обосновывается актуальность проделанных исследований, сформулированы цели диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе приводится описание модели продольного фазового объема Кути - Вайскопфа, который позволяет параметризовать функции распределения валентных кварков и морских партонов в различных адронах. Для случая тг- и К- мезонов основным источником информации относительно функций распределения кварк - партонов в них являются процессы рождения лептонных пар Дрелла - Яна в irN-и КN- взаимодействиях, соответственно. На основе экспериментальных данных по процессам рождения лептонных пар Дрелла - Яна построены функции рекомбинации составляющих кварков или валонов в конечный мезон на основе мног опар тонных распределений Кути -Вайскопфа. При этом не вводится никаких новых параметров для определения формы рекомбинационных функций для различных мезонов.

Приводится краткое описание многопартонной рекомбинационной модели (МРМ) для описания инклюзивных спектров адронов с малыми поперечными импульсамир? в областях фрагментации взаимодействующих адронов в адрон - адронных взаимодействиях. Вводятся основные определения и переменные, необходимые для изложения следующих глав диссертации. Показано, что зависимость инклюзивных спектров от переменной х = р\\/р, полностью определяется функциями распределения кварк - партонов в начальном и конечном адронах. Во второй главе на основе многопартонной рекомбинационной модели образования адронов описаны инклюзивные спектры мезонных резонансов р, <р, А'*(892), .К"!(1430), а также определены инклюзивные спектры 7г- и К- мезонов с малыми поперечными импульсами в области фрагментации К±- мезонов в К^р- взаимодействиях при энергиях Ек > 30 ГэВ [23, 25, 26]. Показано, что инклюзивные спектры мезонных резонансов в области фрагментации К- мезона полностью определяются структурными функциями К- мезона. Определены вклады от распадов мезонных резонансов из различных мультиплетов (векторных, аксиальных и тензорных) в инклюзивные спектры псевдоскалярных 7г- и К- мезонов. Для фактора подавленности Р- волновых мезонных мультиплетов по отношению к 5- волновым мультиплетам получено а = ЗА^/ЬАу = 0.28 ±0.02. Показано, что при уменьшении массы рожденного мезона относительный вклад от прямого рождения в инклюзивные спектры таких мезонов растет. В рамках имеющихся экспериментальных ошибок в инклюзивных спектрах мезонных резонансов не обнаружена зависимость сечения рождения мезонов от значения суммарного спина кварк - антикварковой пары, образующей мезон, т.е. /3 = 3Ар/Ау — 1. Показано, что анализ инклюзив�