Исследования на поляризованном протонном пучке ИФВЭ и феноменология поляризационных явлений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

и

НЕР1

И Государственный научный центр российской федерации •

Ф Институт физики высоких энергий

д Национальный исследовательский центр

_ «Курчатовский институт»

2014-01

На правах рукописи

Абрамов Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЯ НА ПОЛЯРИЗОВАННОМ ПРОТОННОМ ПУЧКЕ ИФВЭ И ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ЙОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ

01.04.23 — физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Протвино 2014

13 МАЯ 2014

005545930

005545930

М-24

УДК 539.1.07

Работа выполнена на базе ускорительного комплекса У-70 в ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт" (г. Протвино).

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник H.H. Николаев (Институт теоретической физики им. Ландау, РАН, г. Черноголовка), доктор физико-математических наук, профессор И.А. Савин (Лаборатория физики высоких энергий им. В.И. Векслера и A.M. Балдина, ОИЯИ, г. Дубна), доктор физико-математических наук, профессор Л.Н. Смирнова (НИИЯФ МГУ им. Д.В.Скобельцина, г. Москва).

: Ведущая организация - ФГБУ ГНЦ РФ - ИТЭФ НИЦ "Курчатовский институт" им. А.И. Алиханова (г. Москва).

Защита диссертации состоится "-" -2014 г.

в : : часов на заседании диссертационного совета Д 201.004.01

при ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт"по адресу: 142281, Московская область, г. Протвино, площадь Науки, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт" .

Автореферат разослан "_" -2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 201.004.01 Ю.Г. Рябов

© Государственный научный центр Российской Федерации -Институт физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт», 2014

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы.

Исследования, проведенные за последние 35 лет, показали наличие значительных спиновых эффектов в различных, в том числе инклюзивных процессах. Однако, наблюдение больших спиновых эффектов пока не удалось объяснить в рамках стандартной теории возмущений квантовой хромодинамики (КХД), предполагающей кол-линеарную кинематику [А1]. В этой связи являются актуальными как дальнейшие экспериментальные исследования в этой области, так и глоба!льный анализ всей имеющейся информации. Глобальный анализ данных позволяет выявить общие закономерности поведения данных и преодолеть неопределенность выводов, связанную с ограниченней точностью данных отдельно взятого эксперимента. В данном случае объектом исследований являются многие десятки инклюзивных реакций, в которых известно спиновое состояние одной из частиц в начальном либо в конечном состоянии. Такие процессы мы будем в дальнейшем называть "односпиновыми".

К настоящему времени накоплен большой объем информации по двум больпрм группам инклюзивных процессов, в которых направление поляризации известно для одной из сталкивающихся частиц (измерение¡односпиновой асимметрии, Ду):

А* + В^С + Х, (1)

либо для одной из вторичных частиц (измерение поляризации гиперонов, Рм и выстроенности векторных мезонов, роо ):

A + B^tf + X. (2)

Анализ имеющихся данных указывает на наличие многих общих свойств в поведении этих процессов, в их зависимости от кинематических переменных и квантовых чисел адронов в (1) и (2).

Для практической реализации идеи глобального анализа поляризационных данных требуется создать феноменологическую модель, адекватно описывающую все многообразие имеющихся данных, поскольку только их количественный анализ в рамках определенного механизма позволяет выявить общие закономерности.

С 1994 года в ИФВЭ на поперечно поляризованном протонном пучке с энергией 40 ГэВ (установка ФОДС-2) проводились работы по исследованию спиновых эффектов в инклюзивных процессах образования 7г±, К^, протонов и антипротонов [1,2,3,4]. Эти измерения показали наличие значительной асимметрии Дм в образовании адронов при значениях поперечного импульса 0,6 < рт < 3,6 ГэВ/с и фейнмановской переменной в интервале —0,08 < хр < 0,7.

Измерения односгогаовых асимметрий в области энергий ускорителя ИФВЭ сразу для шести типов вторичных заряженных адронов на трех мишенях и при трех значениях угла регистрации адронов позволили получить более полную картину эволюции поляризационных эффектов с ростом энергии соударений и других кинематических переменных.

Отметим, что на установке ФОДС исследовалась также динамика сильных взаимодействий в соударениях неполяризованных протонов с протонной и ядерными мишенями [6]. Это позволило, в частности, экспериментально оценить длину формирования адронов с большими поперечными импульсами [7,8,9]. Измерения с поляризованным протонным пучком стали закономерным этапом дальнейших исследований в этой области физики высоких энергий.

В связи со сказанным выше, целью диссертационной работы является решение следующих задач:

Цель диссертационной работы

• Исследование спиновых эффектов в инклюзивном образовании адронов на поляризованном протонном пучке ИФВЭ при импульсе 40 ГэВ/с.

• Создание феноменологической модели, позволяющей в рамках общего физического механизма описать имеющуюся совокупность данных по односпиновым процессам.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Полученные в эксперименте на установке ФОДС-2 результаты измерений односпиновой асимметрии адронов (/к±, К±, р и р) на водородной и ядерных мишенях, в новой кинематической области: энергия 40 ГэВ, 0,6 < рт < 3,6 ГэВ/с и -0,08 < хр < 0,71, для трех значений полярного угла в л.с.к.: 90, 160 и 230 мрад. |

2. В области фрагментации поляризованных протонов (хр > 0,35) асимметрия Ам ф 0 для тех адронов (тт±,К+,р), в состав которых входят валентные кварки из протона. Для адронов, содержащих только морские кварки (К~,р), Ду = 0 во всей исследованной кинематической области.

3. Обнаружение осцилляции односпиновой асимметрии, как функции кинематических переменных, в реакции р* + А р + X. Значительная асимметрия А и наблюдается только в области углов менее 70° в с.ц.м. сталкивающихся нуклонов.

4. Обнаружение пороговой зависимости от полярного угла в с.ц.м. для односпиновой асимметрии в реакции р^ + А —> тг~ + X. Ам = о; при вап > 73°.

5. Пороговая величина хр, выше которой Л^(х^) > 0, в реакции р^ + А 7Г+ + X, увеличивается при уменьшении полярного угла в: с.ц.м. Величина А^{хр) уменьшается с увеличением угла образования пионов.

6. Не наблюдается существенной зависимости от массового числа ядра мишени для заряженных адронов, за исключением протонов.

7. Методы и алгоритмы обработки и анализа данных, полученных на поляризованном пучке.

8. Модель хромомагнитной поляризации кварков (ХПК), как обобщение эмпирических закономерностей, найденных из глобального анализа односпиновых поляризационных данных для

80 инклюзивных реакций, содержащих 3160 эксперименталь-; ных точек.

Научная новизна

Впервые измерена односпиновая асимметрия (Дм) инклюзивного образования в р^р и р^А соударениях 7г±, протонов и антипротонов при столь больших значениях поперечных импульсов (0, 6 < рт <3,6 ГэВ/с). До этого эксперимента данные по заряженным адронам существовали лишь в области рт < 2,2 ГэВ/с. Данные по односпиновой асимметрии антипротонов получены впервые. Наличие на установке спектрометров колец черенковского излучения (СКОЧ) позволило одновременно регистрировать шесть различных типов заряженных адронов. Обычно аналогичные эксперименты идентифицируют лишь один или два типа адронов. V Измерения на установке ФОДС-2 позволили заполнить пробел в области энергий от 22 до 200 ГэВ в л.с.к., что важно для исследования зависимости односпиновой асимметрии от энергии реакции. Впервые измерения А}у были выполнены на нескольких мишенях (Р, С, Си).

■Показано также, что Лдг в реакции р^ + А —У 7Г~ + X имеет пороговую зависимость от полярного угла в с.ц.м. реакции. Величина порогового угла составляет 73° [10].

; Впервые была измерена значительная асимметрия А^{хр) в инклюзивном образовании протонов и наблюдалась ее осцилляция в зависимости от фейнмановской переменной хр [2], что находит объясняется в рамках модели хромомагнитной поляризации кварков (ХПК) [5].

Создана феноменологическая модель ХПК, которая учитывает эмпирические закономерности поведения поляризационных данных.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что полученные экспериментальные данные в области энергий ускорителя ИФВЭ и обнаруженные закономерности позволяют глубже понять структуру адронов и динамику их взаимодействия

в адронных реакциях, в которых известна поляризация одной из частиц в начальном либо в конечном состоянии.

Разработана новая программа обработки данных со спектрометра колец черенковского излучения (СКОЧ), что позволило расширть используемую апертуру детектора и вдвое увеличить число иденти-цицируемых событий.

Предложены методы обработки поляризационных данных, которые могут найти применение при обр;аботке данных других экспериментов.

Идеи поиска скейлинговых переменных в поляризационных исследованиях были положены в основу физической программы эксперимента на установке ФОДС-2 (эксперимент SERPUKHOV-175) [А2].

Результаты этой работы использовались при расчете поляриметра для экспериментов на ускорителе RHIC в BNL [A3], а также при подготовке предложения эксперимента СПАСЧАРМ [11].

Модель хромомагнитной поляризации кварков [12] использовалась для объяснения результатов эксперимента HERMES в DESY, в частности данных по А-зависимости поляризации А гиперонов [А4].

Достоверность полученных результатов и выводов

Достоверность полученных результатов и выводов базируется на использовании современных экспериментальных методик, проведении контрольных измерений, сопоставлении полученных результатов с данными других экспериментов.

Личный вклад автора

I

Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертации представлены те положения и результаты, которые получены либо лично соискателе^, либо при его определяющей роли в постановке задач, разработке ц реализации их решений. Во всех работах: подготовка предложения эксперимента, создание отдельных частей установки, настройка аппаратуры и проведение измерений -автор принимал активное участие. Выполнен большой объем работ по обработке и анализу данных, подготовке публикаций и выступлений на семи-

нарах и конференциях. Феноменологическая модель ХПК создана самостоятельно.

Апробация работы и публикации

По результатам выполненных исследований опубликована 21 научная работа, в том числе 12 из них - в рецензируемых журналах. Основные результаты, использованные в диссертации, опубликованы в журналах "Nuclear Physics В"[1], "Ядерная физика"[2, 3,4,5,7,8,10,13], "Zeitschrift fur Physik С"[6], "Physics of Particles and Nuclei"[14] и "European Physical Journal C"[15], в виде трудов международных конференций и совещаний по спиновым явлениям [9,11,12,16,17,18,19,20], а также в виде препринта ИФВЭ [21]. Результаты работ докладывались на конференциях Секции ядерной физики Отделения физических наук РАН, на научных семинарах ИФВЭ и ОИЯИ. Апробация диссертации прошла в ФГБУ ГНЦ ИФВЭ 18 декабря 2013 г.

Структура диссертации

Диссертация изложена на 151 странице, состоит из введения, шести глав основного текста, заключения и пяти приложений. Диссертация содержит 53 рисунка, 33 таблицы и список цитируемой литературы из 253 пунктов.

Содержание работы

: Во Введении раскрываются такие проблемы, как объект исследования и актуальность темы диссертации. Изложены цели диссертационной работы, результаты выдвигаемые автором на защиту, их научная новизна и практическая ценность. Приведен список основных публикаций по теме диссертации.

В Главе 1 рассматривается постановка эксперимента ФОДС-2 на поляризованном протонном пучке ИФВЭ при энергии 40 ГэВ. Основное внимание обращается на те аспекты, которые существенны в приведенном в диссертации анализе данных.

Схематическое изображение 22-го канала показано на рис. 1, где протоны налетают слева на мишень Т. Средний импульс поляризованных протонов составляет 40 ГэВ/с, Ар/р = ±4,5%, средняя поляризация пучка равна Рв = 39^%, а его интенсивность достигает 3 х 107 протонов за сброс. Смена знака поляризации пучка проходит через каждые 100 циклов в течение 30 с. Мониторирование пучка осуществляется с помощью ионизационных камер и сцинтил-ляционных мониторов, которые имеют относительную точность 1%. Размеры пучка на мишени установки ФОДС-2 составляют ах = 10, 6 мм; oY = 8,1 мм; расходимость пучка: 0Х = ±6,5 мрад; ву = ±6,0 мрад. Фон 7г+-мезонов от распада K°s -»■ 7г+тг~ составляет 0,8% [2].

И ■ Ж

* Й-'1

Рис. 1. Схематическое изображение 22-го канала, где Т-бериллиевая мишень, MHl-очищающий магнит, Р1-поглотитель заряженных частиц, К-коллиматор для выделения части пучка с определенной поляризацией, МН2-магнит, MV1 и МУ2-вертикальные корректора, Т1-мишень ФОДС-2.

Установка ФОДС-2 является двухплечевым магнитным спектрометром и создана для исследования процессов образования адронов с большими поперечными импульсами на протонном и 7Г~-мезонном пучках [1,13],[А2]. Схема установки показана на рис. 2. Спектромет-

рический магнит установки и детекторы расположены на подвижных платформах для изменения угла регистрации частиц.

В каждом плече установки имеются: система из 14 модулей дрейфовых камер (БС), два сцинтилляционных триггерных счетчика (5Ь ¿>2), адронный калориметр (НСАЬ) для отбора в триггере частиц с энергией выше заданного порога, спектрометры колец черенковского излучения (СКОЧ) для идентификации частиц, которые позволяют реконструировать квадрат массы частицы (М2). В каналах магнита

Вид сбоку (вдоль оси спектрометра)

Рис. 2. Схема установки ФОДС-2. Цифрами указано расстояние от мишени (в метрах).

расположены пороговые черенковские счетчики, которые работают на воздухе при атмосферном давлении и используются совместно с детекторами СКОЧ для улучшения идентификации частиц. Совместная работа этих детекторов позволяет идентифицировать заряженные частицы (7г±, К± , р, р). Точность измерения импульса частиц слабо зависит от величины импульса и составляет 2—3%.

В Главе 2 представлены результаты измерений односпиновой асимметрии (А^) на жидководородной мишени при значении 9 = 160 мрад, в области 0,03 < хр < 0,12 [1]. Поперечное положение (X, У) точки взаимодействия в жидководородной мишени (£> = 7 см, Ь = 40 см, Ь/\аьд = 5 %) измеряется пучковыми годоскопами.

Условием выработки триггера в каждом плече установки было срабатывание сцинтилляционных счетчиков и выделение энергии в

адронном калориметре выше заданного порогового значения. Одно-спиновая асимметрия вычисляется независимо для каждого из плеч (¿-левое, Д-правое):

£ _ 1 N$-N1

Рв-созф' N£ + N1' { }

д _ -1

Рв-созф' МЪ + Н*; (4)

где Рв является средней поляризацией пучка (39%), и -Л^ц^ является числом событий, нормированных на число протонов, упавших на мишень, с поляризацией вверх (и) или вниз ((Г), для левого (Ь) или правого (Я) плеча.

Хт

Рис. 3. Сравнение зависимости А¡4 от хт для 7Г+-мезонов, при энергиях 40, 18,5 и 13,3 ГэВ (ВЫЬ). Сплошной линией показан фит (5) для 40 ГэВ, штриховой - для 13,3 ГэВ, и линия из точек - для 18,5 ГэВ.

Асимметрия для 7Г+ показана на рис. 3, как функция хт = 2рт/у/з. Линии на рис. 3 представляют собой результат фита выражением:

Аи = А0(хт - Х0), (5)

гДе наклон (Ло) и точка смены знака (.Хо) являются свободными параметрами. Поскольку плечи спектрометра ФОДС-2 расположены под углом 9°, средние значения соответствующих хр при энергии пучка 40 ГэВ не равны нулю и растут от 0,02 до 0,10 при увеличении Рт. Асимметрия 7г+ растет с хт и меняет знак вблизи хт = 0,37.

На рис. 3 для сравнения показаны также данные эксперимента в В1ЧЬ [А5]. Как видно на рис. 3, А}у меняет знак при тех же значениях хт = 0,37, при трех различных энергиях пучка (13,3, 18,5 и 40 ГэВ).

Были выполнены также первые измерения односпиновой асимметрии для 7г , К±, р и р при импульсе 40 ГэВ/с, с использованием поляризованного протонного пучка и жидководородной мишени. Они сравниваются ниже, в Главе 4, с данными, полученными на ядерных мишенях. Асимметрии для и р не измерялись до сих пор при энергиях выше 12 ГэВ. Асимметрии для 7Г , р показывают приближенную линейную зависимость от хт и изменение знака вблизи 0,37, однако ошибки Ду для , р - большие.

В Главе 3 представлены результаты измерений односпиновой асимметрии (Лдг) в р^С(Си)-соударениях для полярного угла в = 90 мрад в л.с.к., в области 0,59 < рт < 2,47 ГэВ/с [2]. Измерения на ядерных мишенях позволяют получить дополнительную информацию о спиновых эффектах. Во-первых, это другой состав мишени на уровне адронов (протоны и нейтроны) и на уровне кварков (и и ¿-кварки). Во-вторых, сравнение результатов на двух различных ядрах позволяет сделать выводы о влиянии размеров ядра на величину односпиновых эффектов, в том числе об эффектах перерассеяния и поглощения в ядре.

На рис. 4а представлена зависимость Лдг от хр для реакций образования 7г+-мезонов на углеродной и медной мишенях. Зависимость Ан(хр) характеризуется быстрым ростом А^ до величины порядка 0,3 при хр = 0,55. При х-р <0,3 Ам совместима в пределах ошибок

0.6 0.4 0.2 0 ■02 1 0.5 0 -0.5

" • ^ а о рСи [ - ь

Г' " , , , 1 . , , 1 , , , 1 , , .

0.2 йЛ 0.6 0.8

0.2 0.4 0.6 0.8

• рС О рСи 0 ■ Т 4 А х + 1 1 (

; *уЧ К" -, , , 1 , , , 1 . . 1

Рис. 4. Л^(жр) для реакций р1" + С(Си) -иг±+Х.

Рис. 5. Ам(х?) для реакций р!" + С(Си) -> К± + X.

измерений с нулевой величиной. Положительная величина Адг при больших значениях переменной жр наблюдалась ранее при энергиях 200 ГэВ (Е^АЬ) и 22 ГэВ (ВКЬ) [А5].

На рис. 5а представлена зависимость А^ от хр для реакций образования .?Г+-мезонов в рС- и рСи-соударениях. Как и в случае 7г+-мезонов! Ду > 0 и растет при жр > 0,3, достигая величины порядка 0,2 при хр = 0,45. Подобное поведение связано, возможно, с доминированием валентных поляризованных и-кварков в процессах образования тг+- и .К"+-мезонов в области фрагментации поляризованного протона.

Величина А^ впервые измерена для /Г~-мезонов при энергиях выше 18,5 ГэВ (В1МЬ) [А5]. На рис. 5 б показана зависимость Ду от хр. В пределах экспериментальных ошибок Адг. согласуется с нулевой величиной, что и ожидается в большинстве моделей, поскольку К~-мезон не имеет валентных кварков, общих с валентными кварками

поляризованного протона. Не наблюдается существенного различия в величине Ах в случае образования К* на мишенях С и Си.

На рис. 6а представлена зависимость Лдг от для реакций образования протонов в рС- и рСи-соударениях. Зависимость Аи от жР весьма необычна. Адг осциллирует при увеличении жр, с переходом от отрицательных значений в интервале 0,1 < жр < 0,43 к положительным величинам при хР > 0,43, с последующим приближением к нулю при жр ~ 0,68.

На рис. 6б представлена зависимость от жр для реакций образования антипротонов в рС- и рСи-соударениях, которая согласуется, в пределах довольно больших ошибок измерений, с нулевой величиной.

о 0.2 0.4 0.6 0.8

I

0.5

-0.5

р <т

Г • рС 1 ■ О рСи -1 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , . ,

0.4 0.6 0.$ х.

0.4 0.2 0 -0.2 -04

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6

...И

□ рр • Рс

О рСп

й

а

I_I_ь

3 4

Рт, СеУ/с

Рис. 6. Ллг(хр) для реакций Рис. 7. Ам{рт) для реакций рт + С(Си) -+р(р) + Х. Рт + С(Си)->7Г±+Х.

Указанные выше особенности поведения в образовании протонов, К~ и р позволяют предположить, что односпиновая асимметрия достигает значительной величины для угла образования 90 мрад

лишь в области фрагментации поляризованных протонов, поляризованные кварки (и, й) из которых должны переходить в наблюдаемые адроны.

В Главе 4 представлены результаты измерений односпиновой асимметрии (Ам) в р^С(Си)-соударениях для полярного угла 9 = 160 мрад в л.с.к., что соответствует области —0,01 < хр < 0,27 [3]. На рис. 7а представлена зависимость А^ от рт для реакций образования 7г+-мезонов на углеродной и медной мишенях. Величина А# растет при увеличении рт линейно (в пределах точности измерений) в диапазоне 1 < рт < 2,6 ГэВ/с до величины порядка 16%. При рт < 1 ГэВ/с Адг совместима в пределах ошибок измерений с нулевой величиной.

Данные ;на двух ядерных мишенях (С и Си), показанные на рис. 7 а, не; различаются в пределах экспериментальных ошибок, тогда как для данных на водородной мишени [1], полученных в той же кинематической области, величина Ам систематически ниже примерно на 0,05. Такое различие рр- и рА-данных может быть связано со значительным вкладом и-кварков из водородной мишени в центральной кинематической области, что приводит к дополнительному "разбавлению"Адг по сравнению со случаем ядерной мишени, где доля и-кварков ниже. В области фрагментации поляризованного протона значительного различия рр- и рА-данных не ожидается, поскольку вклад валентных кварков мишени здесь мал.

Зависимость А^ от рт для реакций образования 7г--мезонов на углеродной и медной мишенях показана рис. 76. Величина А^ для 7г--мезонов! согласуется в пределах ошибок с нулевой величиной для рр- и рА-соударений, что связано, как показано в последующих главах, с наличием порогового полярного угла 73° в с.ц.м., выше которого Ан = 0.

На рйс. I 8а представлена зависимость Лдг от рт для реакций образования К+-мезонов в рС- и рСи-соударениях. Как и в случае тг+-мезонов I Ам положительна (при рт > 1,2 ГэВ/с) и растет до величины порядка 0,16 при рт = 2 ГэВ/с.

В пределах ошибок измерений не наблюдается систематической зависимости А^ от типа мишени (р, С, Си).

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 1

0.5

к* г 1

; "ОТОУ Т |Г II : я ■ 1 1 . . 1 1 . 1 1 1 ■ 1 1 1

: □ рр г »рс

О рСо

1С

¿А

<т

3 4

рг СеУ/с

Рис.8. Лдг(рт) для реакций рТ + С(Си) К* + X.

Рис. 9. Ам(рт) для реакций р1" + С(Си) -4 р(р) + X.

•Величина Лдг впервые измерена для К"--мезонов при энергиях выше 18,5 ГэВ (В1ЧЬ) [А5]. На рис. 8б показана зависимость Ду от РТ. В пределах экспериментальных ошибок Лдг согласуется с нулевой величиной, что и ожидается в большинстве моделей, поскольку .£Г--мезон не имеет валентных кварков, общих с валентными кварками поляризованного протона. По этой же причине не наблюдается зависимости Ду от типа мишени. Равенство Ду нулю в диапазоне А < Рт < 2,4 ГэВ/с, где точность измерений достаточно высока, свидетельствует об отсутствии существенной систематики в измерении анализирующей способности.

На рис. 9а представлена зависимость Лдг от рт для реакций образования протонов в рС- и рСи-соударениях. В пределах точности измерений Ду не зависит от р? и типа ядерной мишени и совместима с нулевой величиной. Значение Ду в рр-соударениях примерно на 0,05 меньше, чем на ядерных мишенях.

Сравнение результатов измерений при меньших углах образования в с.ц.м. порядка 55° [2] и углах порядка 98° в данной работе (что соответствует рт ~ 1,3 ГэВ/с) указывает на существенное возрастание спиновых эффектов при уменьшении угла вст. Более детальное исследование Ду в области углов вст < 90° поможет прояснить механизм происхождения односпиновых эффектов. Данные других экспериментов получены при более низких энергиях и рт < 1 ГэВ/с, либо при вст > 90°, где они имеют незначительную односпиновую асимметрию.

На рис. 9б представлена зависимость А^ от рт для реакций образования антипротонов в рр-, рС- и рСи-соударениях. Как и в случае образования Х--мезонов, Адг в образовании антипротонов совместима в пределах ошибок измерений с нулем. Антипротоны не имеют обш;их с поляризованным протоном кварков, и это может быть причиной незначительной односпиновой асимметрии, а также ее независимости от типа мишени. Обобщая, можно отметить, что для угла образования 160 мрад нулевая асимметрия А^ наблюдается для всех адронов, не содержащих валентные и-кварки из поляризованного протона.

В Плаве! 5 представлены результаты измерений односпиновой асимметрии (-А//) в р^С(Си)-соударениях для полярного угла в = 230 мрад в л.с.к1, в области —0,09 < хр < —0,06 [4]. На рис. 10а представлена зависимость Ду от рт для реакций образования 7г+-мезонов на углеродной и медной мишенях. Имеется указание (на уровне трех стандартных отклонений) на наличие максимума Ду(рг) при Рт ~ 1,9 ГэВ/с, где Ду достигает величины порядка 0,14. Вне области 1,4 <5 рт < 2,3 ГэВ/с Ду совместима с нулем в пределах ошибок измерений. Среднее значение Адг в указанной выше области по рт (вблизи возможного максимума) составляет 0,072 ± 0,024 и 0,076 ± 0,025 для рС- и рСи-взаимодействий соответственно.

Зависимость Ду от рт для реакций образования 7г~-мезонов на углеродной и медной мишенях показана рис. 105. Величина А^ для 7г_-мезонов Совместима с нулем во всей исследованной области по рт- Среднее! значение Ду в области 0,7 < рт < 3,4 составляет 0,012 ±0,018 и 0,032 ±0,023 для рС- и рСи-взаимодействий соответ-

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4

0.4 0.2 О -0.2 -0.4 -0.6

:

г

г , ф Ч' 1* а • г .... 1 ... .

1 2 3

: л' ,* X # Р

- Ор< Т Т'Т | ,, .....Г....1.

3 4

р-р Се У/с

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6

0.6 0.4 0.2 О -0.2 -О А -0.6

ТТ1 | 1 1 1 | 1 1 1 # П

!■ И! г а I I I 1 I I I , 1 I , , 1 1 ,

• рС ОрСи

V

4

3 4

Рр СеУ/с

Рис. 10. Ан(хр) для реакций р1ЧС(Си)->тг±+.Х".

Рис. 11. А^(хр) для реакций рт + С(Си )->К±+Х.

ственно. Следует отметить, что Адг для 7Г_-мезонов близка к нулю также при положительных значениях хр < 0,3 [2,3], что объясняется, как обсуждалось в Главе 4, наличием пороговой зависимости Адг от полярного угла (73°) образования тг- в с.ц.м. Зависимость асимметрии от массового числа А ядра мишени для 7г±-мезонов оказалась незначительной. Равенство нулю Адг для 7Г- во всем диапазоне поперечных импульсов свидетельствует об отсутствии значительных систематических ошибок.

На рис. 11а представлена зависимость Адг от рт для реакций образования К+-мезонов в рС- и рСи-соударениях. Как и в случае 7Г+-мезонов, Лдг положительна при рт < 2,3 ГэВ/с, что связано, видимо, со значительным вкладом валентных поляризованных и-кварков в процессах образования 7Г+- и /Г+-мезонов в этой области. Среднее значение Адг в области 1,3 < рт < 3,4 составляет 0,108 ± 0, 030 и 0,089 ±0,033 для рС- и рСи-взаимодействий соответственно.

0.6 0.4 0.2

0 -0.2 -0.4 -0.6

1.5

1 0.5

О -0.5 -1 -1.5

р 1* '

1 т I :, , , , 1 а

0 1 2 3 4

Г

г • рС : О рСи -11111 ( б 1 1 1 1 ! п , , , 1 ,

0

3 4

рт, СеУ/с

Рис. 12. Зависимости Ам от рт для реакций р1"+С(Си) -э- р(р)+Х. Область измерений: -0,25 < хР < -0,10 для протонов и -0,13 < хР < —0,09 для антипротонов.

На рис. Ц<? показана зависимость от рт для ^"-мезонов. В пределах экспериментальных неопределенностей значение Аы согласуется с ¡нулевой величиной, что и ожидается в большинстве моделей, поскольку ^"-мезон не имеет валентных кварков, общих с валентными кварками поляризованного протона, а морские кварки поляризованы незначительно. Среднее значение Аы в области !.3 < рт <3,1 ГэВ/с составляет 0,028 ± 0,043 и 0,017 ±0,057 для рС- и рСи-взаимодействий соответственно. Не наблюдается существенного! различия в величине Аы для ядер С и Си в случае образования К±-мезопов.

На рис. 12а представлена зависимость An от рт для реакций образования протонов в рС- и рСи-соударениях. В пределах точности измерений А^ не зависит от рт и массового числа ядра мишени и совместима с нулевой величиной. Среднее значение An в области 0,6 < рт < 3,4 ГэВ/с составляет 0,020 ±0,016 и 0,008 ±0,018 для рС- и рСи-взаимодействий соответственно. Заметим, что среднее значение х? при заданном рт, ввиду большой массы протона, значительно более смещено в отрицательную область, чем в случае тг^-мезонов. Измерения на двух мишенях согласуются между собой. Таким образом, для угла образования 230 мрад нулевая асимметрия An наблюдается для всех адронов, не содержащих валентные ii-кварки из поляризованного протона.

Шестая Глава посвящена обзору моделей поляризационных явлений, в том числе изложению модели хромомагнитной поляризации кварков [5]. Несмотря на успехи этих моделей в объяснении отдельных поляризационных явлений (поляризации гиперонов и од-носпиновой асимметрии адронов) для небольшого числа реакций, они не в состоянии объяснить, в рамках единого механизма, данные по остальным реакциям, число которых порядка 80. Кроме того, известные из публикаций модели имеют ограниченную область применимости по кинематическим переменных, в том числе по энергии реакции. Для моделей, основанных на пертурбативной КХД, это, обычно, область высоких энергий, 200 ГэВ и более в с.ц.м., где наблюдается согласие по сечениям образования адронов между данными и расчетами.

В связи с указанными выше ограничениями существующих поляризационных моделей автором была предпринята попытка создания простой феноменологической модели, основанной на полуклассических подходах, для объяснения и анализа всех доступных данных в этой области физики поляризационных явлений. Основные положения модели изложены в [5]. Отдельные реакции рассмотрены более детально в [10,12,14,16,17,18].

На данном этапе модель ХПК может рассматриваться, как обобщение эмпирических закономерностей, найденных в ходе глобального анализа данных. Механизм, положенный в основу модели, яв-

ляется на сегодняшний день лишь одним из возможных, наряду с другими вариантами генерации поляризационных явлений. Необходимы дальнейшие исследования, прежде всего экспериментальная проверка предсказаний данной модели.

Основные положения модели изложены в [5]. Отдельные реакции рассмотрены в [10,12,14,16,17,18]. В отличие от модели хромомагнит-ной струны [Аб], в модели ХПК учитывается геометрия (структура) цветовых полей, зависимость полей от числа создающих их кварков и антикварков (правила кваркового счета), прецессия спина кварков, зависимость от кинематических переменных, атомных весов частиц А и В и ряд других явлений.

Микроскопический эффект Штерна-Герлаха в неоднородном поперечном хромомагнитном поле поясняется на рис. 13. Кварки-спектаторы,; которые являются продуктами фрагментации сталкивающихся адронов, движутся в с.ц.м. реакции вдоль оси г, в результате чего в областях (г<0) и (г>0) создаются цветовые токи и окружающие их круговые поперечные хромомагнитные поля Ва. Кварк-пробник из наблюдаемого адрона после прохождения области неоднородного хромомагнитного поля приобретает дополнительный поперечный | импульс 5рнаправленный влево или вправо, в зависимости от того, куда направлен спин кварка, вверх или вниз. Траектории ¡кварков со спином вверх и вниз при этом расходятся,

B"(z<0)

B"(z>0)

Spin UP quark

Target fragmentation Beam fragmentation

Spin DN quark

region

region

Рис. 13. Схематическая картина микроскопического прибора Штерна-Герлаха для поляризованных кварков в круговом поперечном хромомагнитном поле, создаваемом кварками-спектаторами.

как показано на рис. 13. Кварки-пробники так же могут быть не только валентными кварками сталкивающихся адронов, но' и морски-

ми кварками, образующимися в процессе взаимодействия адронов. Даже в этом случае они, после прохождения через неоднородное круговое хромомагнитное поле, приобретают дополнительный поперечный импульс Sp^, что обеспечивает, например, поляризацию ан-тигиперовов в барион-барионных соударениях. Поскольку локальное направление поля Ва и спина кварка £ не параллельны, необходимо учитывать прецессию спина кварка. Прецессия спина кварка в модели ХПК описывается уравнением, аналогичным уравнению Томаса-Баргмана-Мишеля-Телегди [А7]:

d£/dt = gs№a}(g%-2 + 2MQ/EQ)/2MQ, (6)

где Mq и Eq - масса и энергия кварка. Электрический заряд в уравнении (б) заменен на цветовой заряд кварка (gs), а магнитный 5-фактор - на хромомагнитный р^-фактор кварка. Большая отрицательная величина аномального хромомагнитного момента Д/ха = (да — 2)/2 ¡=¡ —0,4 была предсказана в рамках инстантонной модели в приближении среднего поля и динамической массы кварка т = 170 МэВ [А8]. Из глобального анализа данных получено значение A/ia = —0,471 ±0,007 для и, с-кварков с зарядом +2/3 и на фактор л/2/3 меньше для d, s, fr-кварков с зарядом -1/3.

Система уравнений для поляризации Рдг и асимметрии Ац :

An = C(Vs)F(pr, А)[С(фА) - <гС(фв)У, (7)

С(ф) = (1 - eos ф)/ф + е - ф, (8)

Фа = ш°АуА, фв = ш%ув, (9)

СШ = «о/[(1 - ER/V~S? + 8l]l/\ (10)

:^(pr,A) = (Í-exp[-(pr/pg.)i])(l-aillnil)> А < Ат\ (11)

F(PT, А) = (1 - ехр[-(рг/р§. )*])(1 - ал 1п Ат), А > Ат; (12)

у А = хА- (Ео/лД + /л)( 1 + eos б"") + ао(1 - сов О» (13)

Ув = хв- {Ео/уД + fB)( 1 - созб"") + ао(1 + eos 0е7"), (14)

ШМВ) --м„,п2 '-' (17)

-РзЪФ™ - Оо)

Щ= 2р(рд — 2) ' <1Б>

о _ 9з^А{в)Зо(9д ~ 2) МдСр

где в0™ - угол регистрации адрона С в с.ц.м., у/во = 1 ГэВ, 6 = 2,47± 0,11, Ат = 56,4 ±9,0, к = 0,0071 ±0,0092 и б =-0,004759 ±0,00011 - глобальные параметры модели, а тг = Б/р, /в, ао,

Во, Ед, 6л, а, ал и 0о ~ локальные параметры, относящиеся к конкретной реакции. Функция « ±9(0"™—#о) учитывает величину и знак поляризации и и ¿-кварков в протоне при описании Адг, а также пороговый характер зависимости Ад/- от полярного угла б07™ в с.ц.м. Для поляризации Рдг фактор = 1.

В (17) используются: (дд — 2)/2 - аномальный хромомагнитный момент кварка где <3 = й,и,в,с,Ъ, а3 - бегущая константа сильной связи, д3 = ±л/47га3 - цветовой заряд кварка, Мд - его масса, с - скорость света, р - поперечный радиус области хромомагнитно-го поля для одной струны и ¿о - параметр, характеризующий ее протяженность.

Правила! вычисления вклада кварков и антикварков в ид поясняются на примерах реакций р^ + р —» 7г+ + X и рр —> Н0"!" + X, показанных! на рис. 14, оде указаны также вклады г/ кварков и антикварков-спектаторов в [5].

Параметр и а в (17) можно рассматривать как взвешенное с соответствующими цветовыми факторами эффективное число спекта-торов (кварков и антикварков), дающих вклад в цветовое поле (и частоту осцилляций в области фрагментации адрона А. Относительный вес ад' и да[ взаимодействий определяется цветовым фактором Л = —0,1338 ± 0,0014. Малая величина А может быть связана с отношением волновых функций дд' и пар, образуемых кварком-пробником д из наблюдаемого адрона с каждым из кварков

•-г

(1 и <1 и и <1

7Г

V = X

и = Х

V = А

V = — тХ

V - -тХ

V = — тХ

Рис. 14. Правила кваркового счета для реакций: о - р* + р + X

"А = ши(ЗА - ЗгА); б-рр-ъ Е01" и°(2 + 2Х- ЗтА).

д и антикварков-спектаторов д :

А = -|Ф9<г'(0)|2/|Ф9д'(0)|2«-1/8,

(18)

где для водородоподобного потенциала волновая функция в нуле пропорциональна (СРа3)3/2, где СР = 4/3 для цветового синглета и СР - 2/3 для антитриплета [А9]. Вклад кварков мишени в иА дополнительно подавлен фактором -г, где т = 0,0265 ± 0,0009, поскольку эти кварки движутся в направлении в с.ц.м.

. При малых значениях частот ш°А и в (7) и (8) Рдг или Ам описываются близкими к линейной зависимостями от переменных Фа и фв, а значит и от переменной хр в области фрагментации частицы А [10].

Малая величина параметра т объясняет тот хорошо известный факт, что односпиновая асимметрия в области фрагментации поляризованного пучка слабо зависит от типа используемой неполяризо-ванной мишени.

В модели ХПК происхождение поляризации антибарионов в соударениях барионов и ее осцилляция объясняются микроскопическим эффектом Штерна-Герлаха и прецессией спинов кварков в сильном цветном поле [5,14]. Пример возможной осцилляции поляризации показан на рис. 15. Кривые на рис. 15 соответствуют: штриховая - для рр, сплошная - для рВе, пунктирная - для рСи и штрих-пунктирная - для рРЬ-соударений соответственно, при

1 0.8 0.6 0.4 0.2 О -0.2 -0.4 -0.6

Рис. 15. PN(xF) в реакции рА -» Рис. 16. PN(A) в реакции е+А -> Ё+ГХ [А10]. Л*Х [A4].

энергии y/s - 38,8 ГэВ. Данные для реакции рА -> Ê+^X [А10] указывают на 'осцилляцию Pn(xf), которая возникает в модели ХПК благодаря прецессии спинов антикварков (s,s,d) в сильном хромо-магнитном поле шести кварков-спектаторов.

В эксперименте ГЕРМЕС (HERMES) была измерена поляризация А-гиперонов в реакции е+А А^Х, измеренной на мишенях с различными атомными весами [A4]. Данные эксперимента и предсказания модели ХПК показаны на рис. 16 в зависимости от атомного веса А. Эффективное число кварков-спектаторов, создающих цветовое поле, в '[данном случае равно иА = 1 + Л(ЗАе//-2)-т(А + 1), где Aeff « 0,6^/3

является эффективным числом нуклонов мишени, дающих вклад в цветовое поле [5,12]. При больших значениях атомного веса А происходит взаимное сокращение первых двух вкладов в i/A, а третий вклад всегда мал.

Из других результатов можно отметить объяснение значительной и осциллирующей асимметрии AN(хр) в реакции р^А ->■ рХ [2,5].

В Приложениях A-D приведены таблицы с измеренными значениями односпиновой асимметрии, а в Приложении Е полный список из 80 реакций, использованных в глобальном анализе поляризационных данных и ссылки на публикации экспериментальных данных по каждой из реакций.

В Заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

Очень кратко их можно сформулировать следующим образом: Получены результаты по односпиновой асимметрии в неисследованной ранее кинематической области, для шести типов заряженных адронов, трех мишеней и трех значений углов в л.с.к.

Рад результатов получен впервые. В целом новые экспериментальные данные при энергии поляризованного протонного пучка 40 РэВ позволили получить более полную картину односпиновых поляризационных явлений, что стало важным шагом в исследовании феноменологии этих процессов.

. Во второй части диссертации рассмотрены существующие на сегодняшний день модели поляризационных явлений, их сильные и слабые стороны. Количественный анализ большого числа реакций позволяет выявить области максимального проявления спиновых эффектов, что полезно при планировании экспериментов. Феноменологическую модель хромомагнитной поляризации кварков можно рассматривать как обобщение эмпирических закономерностей, найденных в ходе глобального анализа поляризационных данных по 80 инклюзивным реакциям (3160 точек).

Представленные в работе исследования частично поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 09-02-00198 и 12-02-00737).

Список литературы

[1] AbramovV.V., DyshkantA.S., Evdokimov V.N., GoncharovP.I., GorinA.M., GurzhievA.N., KorneevYu.P., KostritskiiA.V., KrinitsynA.N., Kryshkin V.I., Mel'nikYu.M., Podstavkov V.M., Sin'kinN.I., TereshenkoS.I., TurchanovichL.K., YakutinA.E., ZaitchenkoA.A., ZapolskyV.N. Production asymmetry measurement of high xT hadrons in pîp collisions at 40-GeV // Nucl.Phys. B. 1997. Vol. 492. P. 3-17.

[2] Aбрамов В.В., Волков А.А., Гончаров П.И., Калинин А.Ю., ■ Ко-раблевА.В., КорнеевЮ.П., КострицкийА.В., КриницынА.Н.,

КрышкинВ.И., Марков A.A., Талое В.В., ТурчановичЛ.К., Хмельников A.B. Односпиновая асимметрия заряженных адро-нов в рА-соударениях при энергии 40 ГэВ и углах образования 40° - 79° в с.ц.м. // ЯФ. 2007. Т. 70. С. 1561-1571.

[3] Абрамов В.В., Волков A.A., Гончаров П.И., Калинин А.Ю., Кораб-левA.B., КорнеевЮ.П., КострицкийА.В., КриницынА.Н., КрышкинВ.И., Марков A.A., Талое В.В., ТурчановичЛ.К., Хмельников A.B. Измерение анализирующей способности заряженных адронов с большими поперечными импульсами в рА-соударениях при энергии 40 ГэВ // ЯФ. 2007. Т. 70. С; 17901798.

[4] Абрамов В.В., Волков A.A., Гончаров П.И., Калинин А.Ю., КораблевA.B., КорнеевЮ.П., КострицкийА.В., КриницынА.Н., КрышкинВ.И., Марков A.A., Талое В.В., ТурчановичЛ.К., Хмельников A.B. Односпиновая асимметрия заряженных адронов с большими рг и отрицательными хр в рА-соударениях при энергии 40 ГэВ // ЯФ. 2007. Т. 70. С. 1799-1805.

[5] Абрамов В.В. Феноменология односпиновых эффектов в образовании адронов при высоких энергиях // ЯФ. 2009. Т. 72. С. 1933-1949.

[6] Абрамов В.В., ВалдинВ.Ю., Вузулуцков А.Ф., Вражнов Ю.Н., Глебов В. Ю., Дышкантп A.C., Евдокимов В.Н., Ефимов А.О., ЗмушкоВ.В., КриницынА.Н., КрышкинВ.И., КульманН.Ю., МутафянМ.И., ПодставковВ.М., СуляевР.М., ТурчановичЛ.К. Образование адронов с большими рг на ядрах при энергии 70 ГэВ // ЯФ. 1985. Т. 41. С. 357-370 [Z. Phys. 1984. Vol.C24. Р. 205-215].

[7] Абрамов B.B. Анализ данных по образованию адронов с большими рт в рА-соударениях при энергии 70 ГэВ // ЯФ. 1986. Т. 44. С. 1318-1326.

[8] Абрамов В.В., ВалдинВ.Ю., Вузулуцков А. Ф., Вражнов Ю.Н., Глебов В. Ю., Дышкантп A.C., Евдокимов В. Н., ЗмушкоВ.В., КриницынА.Н., КрышкинВ.И., КульманН.Ю., Подставков В. М.,

СуляевР.М., ТурчановичЛ.К. Оценка длины формирования ад-ронов в процессах с большими Рт в рА-соударениях при энергии 70 ГэВ // ЯФ. 1982. Т. 35. С. 1199-1205.

[9] AbramovV.V., Bald.inB.Yu., BuzulutskovA.F., GlebovV.Yu., . Dyshkant A.S., Evdokimov V.N., KrinitsynA.N., KryshkinV.I., Kulman N. Yu., Podstavkov V.M., SulyaevR.M., TurchanovichL.K., Vrazhnov Yu.N. and Zmushko V. V. Estimation of hadron formation length in high p? processes in proton-nucleus collisions at 70 GeV // In Proceedings of the XXI International conference on high energy physics, Paris, Prance, July 26-31, 1982. Journal DE PHYSIQUE Vol. 43, P.C3-152-C3-154.

[10] Абрамов В.В. О зависимости односпиновой асимметрии заряженных пионов от кинематических переменных // ЯФ. 2007. Т. 70. С. 2153-2162.

[11] AbramovV.V., BelikovN.I., GoncharenkoYu.M., GrishinV.N., DavidenkoA.M., DerevshchikovA.A., KachanovV.A., Konstanti-novD.A., KormilitsynV.A., MelnikYu.M., MeshchaninA.P., Mina-evN.G., Mochalov V. V., MorozovD.A., NogachL.V., NurushevS.B., RyazantsevA. V., RyzhikovS.V., SemenovP.A., SolovievL.F., Prud-koglyadA.F., UzunianA.V., VasilievA.N., YakutinA.E., Bazha-

. novN.A., BorisovN.S., KolomietsV.G., LazarevA.B., Nega-novA.B., PlisYu.A., ShchevelevO.N., UsovYu.A., ChetvertkovaV.A and ChetvertkovM.A. Preparation of new polarization experiment SPASCHARM at IHEP // In Proceedings of the 19th International Spin Physics Symposium (SPIN2010), 2010, Julich (Germany). 2011 J. Phys.: Conf. Ser. Vol. 295 012018, P. 1-8.

[12] AbramovV.V. An explanation of the new polarization data in the framework of effective color field model // In Proceedings of the XIV Advanced Research Workshop on High Energy Spin Physics (DSPIN-11), Dubna: JINR, 2011. ISBN 5-9530-003-6. Ed. by A.V. Efremov and S.V. Goloskokov. P. 21-26.

[13] Абрамов В.В. Спиновая физика при взаимодействии адронов высоких энергий // ЯФ. 2005. Т. 68. С. 414-426.

[14] AbramovV.V. // 2014. Phys. Part. Nucl. Vol.45,No. 1. P.62-65. In Press.

[15] Abramov V. V. A new scaling law for analyzing power in hadron production by transversely polarized baryons // Eur. Phys. Journal C. 2000. Vol.14, P. 427-441.

[16] AbramovV.V. Single-spin physics: experimental trends and their origin //In Proceedings of the 19th International Spin Physics Symposium (SPIN2010), 2010, Jülich (Germany). 2011 J. Phys.: Conf. Ser. Vol. 295 012086, P. 1-8.

[17] Abramov V.V. Microscopic Stern-Gerlach effect and Thomas spin precession as an origin of the SSA //In Proceedings of the XIII Advanced Research Workshop on High Energy Spin Physics (DSPIN-09), Dubna: JINR, 2009. ISBN 5-9530-003-6. Ed. by lA.V. Efremov and S.V. Goloskokov. P. 25-28. e-Print: arXiv:0910.1216 [hep-ph].

[18] Abramov V. V. Single spin effects in collisions of hadrons and heavy ions at high energy // In Proceedings of the XII Advanced Research Workshop on High Energy Spin Physics (DSPIN-07), Dubna: JINR, 2008. ISBN 5-9530-0174-6. Ed. by A.V. Efremov and S.V. Golcjskokov. P. 13-16. e-Print: arXiv:0711.0323vl [hep-ph],

[19] AbramovlV.V., GoncharovP.I., Kalinin A.Yu., KhmelnikovA.V., KorablevlA.V., KorneevYu.P., Kostritsky A.V., KrinitsynA.N., KryshkmV.I., Markov A.A., TalovV.V., TurchanovichL.K., VolkovAlA. Single spin asymmetry of charged hadron production by 40-GeV/c polarized protons //In Proceedings of the XI Advanced

Research

Workshop on High Energy Spin Physics (DUBNA-SPIN-

05) (Dubna, Sept. 27 - Oct. 1, 2005). Ed. by A.V. Efremov and S.V. Goldskokov. - Dubna: JINR, 2006, P. 243-249. e-Print Archive: hep-ex/0511036.

[20] AbramovV.V., GoncharovP.I., Kalinin A.Yu., KhmelnikovA.V., KorablevA.V., KorneevYu.P., Kostritsky A.V., KrinitsynA.N., Kryshkin, V.I., Markov A. A., TalovV.V., TurchanovichL.K., VolkovAiA. Asymmetry measurement of charged hadron production

in p^A collisions at 40-GeV. // In Proceedings of the 16th International Spin Physics Symposium (SPIN 2004), Trieste, Italy, 10-16 Oct 2004. Published in Trieste/Mainz 2004, SPIN 2004, P. 657-660. e-Print Archive: hep-ex/0502015.

[21] AbramovV.V. Universal scaling behavior of the transverse polarization for inclusively produced hyperons in hadron hadron collisions: Preprint IHEP-2001-13. Protvino: IHEP, 2001. - 58 p. e-Print Archive: hep-ph/0111128.

Список цитированной литературы

[Al] KaneG., PumplinJ., and Repko W. // Phys. Rev. Lett. 1978. Vol.41. P. 1689.

[A2] Абрамов В. В. и др., // ПТЭ. 1992. Т. 6, С. 75-88.

[A3] BogdanovA.A. et al. The local inclusive photon polarimeter for RHIC: Preprint IHEP-2000-42. Protvino: IHEP, 2000. - 17p.

[A4] BelostotskiS., Naryshkin Yu. and Veretennikov D. Measurement of the nuclear-mass dependence of spontaneous (transverse) Л polarization in quasi-real photoproduction at HERMES //In Proceedings of the 19th International Spin Physics Symposium (SPIN2010), 2010, Julich (Germany). 2011 J. Phys.: Conf. Ser. Vol. 295 012116, P. 1-5.

[A5] SaroffS. et al. 11 Phys. Rev. Lett. 1990. Vol. 64. P. 995.

[A6] Рыскин М.Г. // ЯФ. 1988. T.48. C. 1114.

[A7] Bargmann V., Miche.lL. and Telegdy V. // 1959. Phys. Rev. Lett.

; Vol.2. P.435.

[A8j KochelevN. and KorchaginN. // Phys. Lett. 2014. Vol. В 729. P. 117.

[A9] BaranovS.P. // 1996. Phys. Rev. Vol.D 54. P. 3228.

[A10] Ho P.M. et al. // Phys. Rev. Lett. 1990. Vol.65. P. 1713.

Рукопись поступила 26 февраля 2014 года.

Автореферат отпечатан с оригинала-макета, подготовленного автором. В.В. Абрамов;

Исследования; на поляризованном протонном пучке ИФВЭ и феноменология поляризационных явлений.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы ЖЦ^К.

Подписано к печати 26.02.2014. Формат 60 х 84/16.

Цифровая печать. Печ.л. 2,0. Уч.-изд.л. 2,88. Тираж 100. Заказ 5. Индекс 3649. !

ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт"

142281, Московская область, город Протвино, площадь Науки, дом 1

Индекс 3649

АВТОРЕФЕРАТ 2014-01, ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт", 2014

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации -ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ» Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

УДК 539.1.07 На правах рукописи

Абрамов Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЯ НА ПОЛЯРИЗОВАННОМ ПРОТОННОМ ПУЧКЕ ИФВЭ И ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ

Специальность 01.04.23 — физика высоких энергий

СО

г*-

Диссертация на соискание ученой степени

^ доктора физико-математических наук

^ §

О °

см д ю °

Протвино 2013 г.

Оглавление

Введение 6

1 Постановка эксперимента ФОДС-2 на поляризованном протонном пучке при энергии 40 ГэВ 15

1.1 Поляризованный протонный пучок.................16

1.2 Экспериментальная установка ...................18

1.3 Обработка данных..........................20

1.3.1 Реконструкция траектории частиц.............20

1.3.2 Идентификация частиц...................22

1.3.3 Вычисление анализирующей способности.........24

2 Ан в р^]?-соударениях для в = 160 мрад 28

2.1 Спектрометр.............................31

2.2 Измерения...............................31

2.3 Обработка данных..........................32

2.4 Результаты..............................33

2.4.1 Д\г для реакций р^ + р —> -к± + X.............34

2.4.2 Ах для реакций + р -> ^(р) + X...........36

2.4.3 Ду для реакций р^ + р -> р + X..............37

2.5 Заключение..............................42

3 Лдг в р^С(Си)—соударениях для в = 90 мрад 44

3.1 Экспериментальная установка ...................45

3.2 Измерения...............................45

3.3 Обработка данных..........................47

3.4 Реконструкция траектории частиц.................47

3.5 Результаты..............................48

3.5.1 Ан для реакций р^ + С(Си) ->■ ж* + X..........49

3.5.2 Ам для реакций р* + С (Си) + X..........50

3.5.3 Лдг для реакции р^ + С (Си) —> р + X...........51

3.5.4 Ам для реакции р^ + С (Си) —> р + X...........52

3.6 Обсуждение результатов.......................52

3.7 Заключение..............................55

4 Ах в р^С(Си)—соударениях для в — 160 мрад 56

4.1 Измерения...............................57

4.2 Обработка данных..........................58

4.3 Вычисление анализирующей способности.............58

4.4 Результаты..............................59

4.4.1 Ан для реакций р1" + С(Си) ж* + X..........60

4.4.2 Ам для реакций рт + С(Си) К* + X..........61

4.4.3 Ам для реакции р^ + С(Си) р + X........• . . . 62

4.4.4 Ам для реакции р^ + С (Си) —> р + X...........64

4.5 Обсуждение результатов.......................64

4.6 Заключение..............................66

5 Ду в р^С^Си)—соударениях для в = 230 мрад 68

5.1 Постановка эксперимента......................69

5.2 Вычисление анализирующей способности.............70

5.3 Результаты..............................71

5.3.1 Ах для реакций р+ + С(Си) 7г± + X..........71

5.3.2 Ам для реакций р^ + С (Си) К* + X..........73

5.3.3 Аы для реакций р1 + С(Си) -> р(р) +Х..........74

5.4 Обсуждение результатов.......................75

5.5 Заключение..............................77

6 Модели поляризационных явлений 78

6.1 Механизмы Сиверса и Коллинза..................78

6.2 Берлинская модель вращающихся кварков............80

6.3 Модель инстантонной жидкости..................82

6.4 Киральная модель фильтрации спиновых состояний.......82

6.5 Поляризационные эффекты в теории возмущений КХД.....84

6.6 Механизм многократного рассеяния кварков...........86

6.7 Модель струнной фрагментации (ЛУНД-модель).........87

6.8 Поляризация барионов в механизме прецессии Томаса......88

6.9 Вращение партонов в структуре составляющего кварка.....91

6.10 Модель хромомагнитной струны..................93

6.11 Модель хромомагнитной поляризации кварков..........97

Заключение 103

Литература 107

Список иллюстраций 126

Список таблиц 131

Приложения 133

А Таблицы Ду для реакций р^р —> Ь, + X и в — 160 мрад 133

В Таблицы Ам для реакций р^С(Си) ->/г + Хи6> = 90 мрад 135

С Таблицы Ду для реакций р^С(Си) —>• к + X и 9 = 160 мрад 139

О Таблицы Ан для реакций р^С{Си) —> /г + X и в = 230 мрад 143

Е Классы инклюзивных реакций 146

Е.1 Реакции класса 1:В + В-»В + Х ................147

Е.2 Реакции класса 2: В(В) + В -> В + X ..............147

Е.З Реакции класса 3: В + В М + X................147

Е.4 Реакции класса 4: В + В VT + X................148

Е.5 Реакции класса 5: В + В -»> М + X................148

Е.б Реакции класса 6: В + В —»"V^ + X................149

Е.7 Реакции класса 7: М + В1 ->• М + X ...............149

Е.8 Реакции класса 8: М + В ->• Вт + X ...............150

Е.9 Реакции класса 9: М + В —В1" + X ...............150

Е.10 Реакции класса 10: L + В^ М + X...............151

Е.11 Реакции класса 11: L + В —В (В)1 + X .............151

Введение

Объект исследования и актуальность темы.

Спин является одним из важнейших понятий, связанных с квантовой природой явлений микромира. Спин принимает целые либо полуцелые значения (в единицах постоянной Планка К. Величина спина частиц J определяет тип статистики: для полу целого спина используется статистика Ферми-Дирака, а для целого спина статистика Бозе-Эйнштейна [1]. В то же время спин является собственным механическим моментом частицы, а компоненты соответствующего псевдовектора подчиняются тем же коммутационным соотношениям, что и компоненты орбитального момента частицы, который принимает только целые значения. Замечательным свойством спина является также то, что его проекция на ось квантования принимает 2J + 1 дискретное значение, что приводит к расщеплению энергетических уровней в магнитном В, либо хромомагнитном Ва поле. Само открытие спина явилось результатом анализа сложной структуры спектров излучения в атомах, в которых наблюдается тонкая и сверхтонкая структура, связанная с взаимодействием дипольного магнитного момента орбитального электрона с эффективным магнитным полем атома [2]. Магнитный момент электрона параллелен его спину и определяется выражением

" = Ъпе (0Л)

где е - электрический заряд электрона, те - его масса, а д - так называемый гиромагнитный ^-фактор Ланде, величина которого определяется из уравнения Дирака и близка к 2. Взаимодействие магнитного момента частицы с сильным неоднородным поперечным магнитным полем приводит к расщеплению параллельного пучка частиц на 27+1 компоненты. Это явление легче наблюдать для нейтральных частиц, на которые не действует сила Лоренца

Е = е^В]. Такой эксперимент впервые поставили Штерн и Герлах, использовавшие пучок атомов серебра. При этом было обнаружено его расщепление на две компоненты, что связано с наличием в атоме серебра одного валентного электрона, спин которого, как известно, равен 1/2 [3, 4, 5]. Замечательное свойство приборов типа Штерна-Герлаха разделять физические состояния по проекции спина, полностью либо частично [6], используется в феноменологической модели, созданной диссертантом для анализа поляризационных данных [7].

В математический аппарат нерелятивистской квантовой механики спин и магнитный момент электрона были введены, чисто феноменологическим образом, В. Паули в 1927 г. В 1928 г. П. Дирак создал релятивистскую квантовую механику и вывел свое знаменитое уравнение Дирака, из которого следовало наличие у электрона спина 1/2, а также правильное отношение магнитного момента к спину (механическому моменту), в два раза большее, чем для орбитального движения электрона [8, 9]. В настоящее время величина так называемого д-фактора в выражении для магнитного момента электрона вычислена с высокой точностью, а также измерена экспериментально и составляет 2,0023193043622(15) [10].

Во взаимодействиях адронов высоких энергий (несколько ГэВ и выше) также возможно проявление спин-зависимых сил. Учет спин-зависимых наблюдаемых в экспериментальных исследованиях взаимодействий элементарных частиц, в том числе адронов, может привести к выявлению совершенно новых закономерностей, которые не удается обнаружить при усреднении по состояниям с различными направлениями спина.

Исследования, проведенные за последние 35 лет, показали наличие значительных спиновых эффектов в различных, в том числе инклюзивных процессах. За последние годы достигнут существенный прогресс в экспериментальном и теоретическом исследовании этих явлений [11]. Вместе с тем, наличие значительных спиновых эффектов пока не удалось объяснить в рамках стандартной теории возмущений квантовой хромодинамики (КХД), предпо-

лагающей коллинеарную кинематику [12,13]. В этой связи являются актуальными как дальнейшие экспериментальные исследования в этой области, так и глобальный анализ всей имеющейся информации. Глобальный анализ данных позволяет выявить общие закономерности поведения данных и преодолеть неопределенность выводов, связанную с ограниченной точностью данных отдельно взятого эксперимента. В данном случае объектом исследований являются многие десятки различных инклюзивных реакций, в которых известно спиновое состояние одной из частиц в начальном либо в конечном состоянии. Такие процессы мы будем в дальнейшем называть «односпиновыми».

К настоящему времени накоплен большой объем информации по двум большим группам инклюзивных процессов, в которых направление поляризации известно для одной из сталкивающихся частиц (измерение односпиновой асимметрии, Лдг):

А1" + В С + X, (0.2)

либо для одной из вторичных частиц (измерение поляризации гиперонов, Рдг и выстроенности векторных мезонов, /?оо):

А + В Сг + X. (0.3)

Анализ имеющихся данных показал наличие многих общих свойств в поведении этих процессов, в их зависимости от кинематических переменных и квантовых чисел адронов, участвующих в реакции. Вместе с тем, анализ указывает, для каких реакций и при каких значениях кинематических переменных необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования с целью выявления новых закономерностей либо подтверждения тех из них, которые были обнаружены ранее.

Для практической реализации идеи глобального анализа поляризационных данных требуется создать феноменологическую модель, адекватно описывающую все многообразие имеющихся данных, поскольку только их количественный анализ в рамках определенного механизма позволяет выявить общие закономерности. В свою очередь, добавление к базе данных каждой

новой реакции или данных в другой кинематической области позволяет уточнить саму модель и продвинуться в понимании лежащих в основе исследуемых явлений механизмов.

С 1994 года в ИФВЭ на поперечно поляризованном протонном пучке с энергией 40 ГэВ проводились работы (установка ФОДС-2) по исследованию спиновых эффектов в инклюзивных процессах образования тт , протонов и антипротонов. Эти измерения показали наличие значительной од-носпиновой асимметрии в образовании адронов при значениях поперечного импульса 0,6 < рт < 3,6 ГэВ/с и фейнмановской переменной в интервале —0^08 < хр < 0,71. Ранее, в области хр вблизи нуля, при энергии 200 ГэВ, на ускорителе ФНАЛ (США) не наблюдалось существенной односпиновой асимметрии, в то время как для значений хр > 0,2 измеренная асимметрия Лдг оказалась значительной. Причина такого поведения данных, полученных при разных значениях энергии и других кинематических переменных, становится понятной при учете скейлинга и модели хромомагнитной поляризации кварков (МХПК) построенной на его основе.

Измерения односпиновых асимметрий в области энергий ускорителя ИФВЭ сразу для шести типов вторичных заряженных адронов на нескольких мишенях и при трех значениях угла регистрации адронов позволили получить более полную картину эволюции поляризационных эффектов с ростом энергии соударений.

Измерения спиновых эффектов на установке ФОДС-2, в различных кинематических областях и на разных мишенях, могут помочь в установлении универсальных закономерностей, связанных со структурой адронов и динамикой их взаимодействия.

Отметим, что на установке ФОДС исследовалась также динамика сильных взаимодействий в соударениях неполяризованных протонов с протонной и ядерными мишенями. Это позволило, в частности, экспериментально оценить длину формирования адронов с большими поперечными импульсами. Измерения с поляризованным протонным пучком стали закономерным эта-

пом дальнейших исследований в этой области физики высоких энергий.

В связи со сказанным выше, целью диссертационной работы является решение следующих задач:

Цель диссертационной работы

• Исследование спиновых эффектов в инклюзивном образовании адронов на поляризованном протонном пучке ИФВЭ при импульсе 40 ГэВ/с.

• Создание феноменологической модели, позволяющей в рамках общего физического механизма описать имеющуюся совокупность данных по односпиновым процессам.

Автор защищает:

1. Полученные в эксперименте на установке ФОДС-2 результаты измерений односпиновой асимметрии адронов (7Г±, К±, р и р) на водородной и ядерных мишенях, в новой кинематической области: энергия 40 ГэВ, 0,6<рг<3,6 ГэВ/с и —0,08 < хр < 0,71, для трех значений полярного угла в л.с.к.: 90, 160 и 230 мрад.

2. В области фрагментации поляризованных протонов (з;р > 0,35) асимметрия Ах ф 0 для тех адронов (ж±,К+,р), в состав которых входят валентные кварки из протона. Для адронов, содержащих только морские кварки (К~,р), Ах = 0 во всей исследованной кинематической области.

3. Обнаружение осцилляции односпиновой асимметрии, как функции кинематических переменных, в реакции р^ 4- А —> р + X. Значительная асимметрия Ах наблюдается только в области углов менее 70° в с.ц.м. сталкивающихся нуклонов.

4. Обнаружение пороговой зависимости от полярного угла в с.ц.м. для односпиновой асимметрии в реакции р^ + А —> + X. Ах = 0 при #ст > 73°.

5. Пороговая величина хр, выше которой А^(хр) > 0, в реакции р^ + А —> 7Г+ + X, увеличивается при уменьшении полярного угла в с.ц.м. Величина А^{хр) уменьшается с увеличением угла образования пионов.

6. Не наблюдается существенной зависимости Ду от массового числа ядра мишени для заряженных адронов, за исключением протонов.

7. Методы и алгоритмы обработки и анализа данных, полученных на поляризованном пучке.

8. Модель хромомагнитной поляризации кварков (ХПК), как обобщение эмпирических закономерностей, найденных из глобального анализа од-носпиновых поляризационных данных для 80 инклюзивных реакций, содержащих 3160 экспериментальных точек.

Научная новизна

Впервые была измерена односпиновая асимметрия (Ду) инклюзивного образования в р^р и р^А соударениях 7Г±, К±, протонов и антипротонов при столь больших значениях поперечных импульсов (0,6 < рт < 3,6 ГэВ/с). До этого эксперимента данные по заряженным адронам существовали лишь в области рт < 2,2 ГэВ/с. Данные по односпиновой асимметрии антипротонов получены впервые. Наличие на установке спектрометров колец черен-ковского излучения (СКОЧ) позволило одновременно регистрировать шесть различных типов заряженных адронов. Обычно аналогичные эксперименты идентифицируют лишь один или два типа адронов.

Измерения на установке ФОДС-2 позволили заполнить пробел в области энергий от 22 до 200 ГэВ в л.с.к., что важно для исследования зависимости односпиновой асимметрии от энергии реакции. Впервые измерения Ду были выполнены на нескольких мишенях (р, С, Си).

Показано, что Ду в реакции р^ + А —> 7Г~ + X имеет пороговую зависимость от полярного угла в с.ц.м. реакции. Величина порогового угла

составляет 73°.

Впервые была измерена значительная асимметрия Ах(хр) в инклюзивном образовании протонов и наблюдалась ее осцилляция в зависимости от фейнмановской переменной xf, что объясняется в модели хромомагнитной поляризации кварков (ХПК).

Создана феноменологическая модель ХПК, которая учитывает эмпирические закономерности поведения поляризационных данных.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что полученные экспериментальные данные в области энергий ускорителя ИФВЭ и обнаруженные закономерности позволяют глубже понять структуру адро-нов и динамику их взаимодействия в адронных реакциях, в которых известна поляризация одной из частиц в начальном либо в конечном состоянии.

Разработана новая программа обработки данных со спектрометра колец черенковского излучения (СКОЧ) [15], что позволило расширть используемую апертуру детектора и вдвое увеличить число идентицицируемых событий.

Предложены методы обработки поляризационных данных, которые могут найти применение в других экспериментах.

Идеи поиска скейлинговых переменных в поляризационных исследованиях были положены в основу подготовленной в 1992 г. физической программы эксперимента SERPUKHOV-175 на установке ФОДС-2 [16, 17].

Результаты этой работы использовались при расчете поляриметра для экспериментов на ускорителе RHIC в BNL [18], а также при подготовке предложения эксперимента СПАСЧАРМ [19, 20].

Модель хромомагнитной поляризации кварков использовалась для объяснения результатов эксперимента HERMES в DESY, в частности данных по зависимости поляризации А гиперонов от атомного веса ядра мишени [14, 21].

Достоверность полученных результатов и выводов

Достоверность полученных результатов и выводов базируется на использовании современных экспериментальных методик, проведении контрольных измерений, сопоставлении полученных результатов с данными других экспериментов.

Личный вклад автора

Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертации представлены те положения и результаты, которые получены либо лично соискателем, либо при его определяющей роли в постановке задач, разработке и реализации их решений. Во всех работах: подготовка предложения эксперимента, создание отдельных частей установки, настройка аппарату�