Измерение характеристик рождения гиперонов нейтронами и вероятностей радиационных распадов Ξ ° тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение

1 Обзор экспериментальных результатов и теоретических моделей

1.1 Инклюзивные сечения рождения гиперонов.

1.2 Теоретические модели рождения гиперонов.

1.2.1 Аддитивная кварковая модель (АКМ)

1.2.2 Правила кваркового счета.

1.3 Экспериментальные данные по измерению радиационных распадов 2°.

1.4 Теоретические предсказания для вероятностей радиационных распадов Н°.

2 Эксперимент ЭКСЧАРМ

2.1 Спектрометр ЭКСЧАРМ и его основные элементы

2.1.1 Нейтронный пучок.

2.1.2 Пропорциональные камеры.

2.1.3 Магнит.

2.1.4 Сцинтилляционные годоскопы.

2.1.5 Черенковские счетчики.

2.1.6 Нейтронный монитор

2.1.7 Адронный калориметр.

2.1.8 Система запуска установки (триггер)

2.1.9 Система сбора и контроля данных.

2.2 Система обработки и анализа экспериментальных данных.

2.2.1 Обработка первичной информации

2.2.2 Физический анализ.

2.3 Моделирование условий эксперимента

2.3.1 Моделирование рождения в инклюзивных процессах

2.3.2 Геометрический аксептанс установки

2.3.3 Эффективности пропорциональных камер

2.3.4 Эффективность триггера.

2.3.5 Эффективность нейтронного монитора

3 Измерение сечений инклюзивного рождения Л°,

2(1385)*, Е- и Н(1530)°

3.1 Выделение сигналов гиперонов.

3.1.1 Выделение А°.

3.1.2 Выделение Е(1385)± резонансов.

3.1.3 Выделение

3.1.4 Выделение 2(1530)° резонанса.

3.2 Характеристики рождения гиперонов.

3.3 Измерение сечений рождения гиперонов

4 Экспериментальная установка NA

4.1 Магнитный спектрометр.

4.2 Электромагнитный калориметр.

5 Измерение вероятностей радиационных распадов Е° —Л7 и 2° Е°

5.1 Отбор событий.

5.2 Восстановление распада Е° —Л°7Г°.

5.3 Измерение вероятности распада Е° —> Е°7.

5.4 Измерение вероятности распада Е° —> Л°

Экспериментальное исследование рождения гиперонов и их распадов необходимо для проверки предсказаний и развития различных феноменологических моделей, описывающих эти процессы, а также методов расчета этих процессов, особенно в промежуточной области энергий. Интерес к ним связан с несколькими обстоятельствами:

• исследование гиперонов позволяет изучать общие свойства барионов, содержащих кварки второго и третьего поколения;

• гипероны, принадлежащие одному мультиплету, предоставляют хорошую возможность для изучения процессов лидирования и проверки различных соотношений между сечениями, предсказываемыми в рамках феноменологических моделей;

• изучение рождения гиперонов дает возможность исследовать околопороговые эффекты и энергетическую зависимость сечений;

• исследование радиационных распадов гиперонов дают информацию о структуре гиперонов по отношению к нарушению SU (З)-симметрии.

Исследование рождения и распада гиперонов обладает рядом методических достоинств:

• гипероны содержат в себе странные кварки - самые легкие из кварков второго и третьего поколения, что обуславливает относительно большие сечения их рождения;

• идентификация гиперонов возможна с помощью сигналов в спектрах эффективных масс их продуктов распада.

Вместе с тем исследование рождения гиперонов и гиперонных резонансов сопровождается некоторыми методическими трудностями:

• значительная часть наблюдаемых гиперонов (до 20%) рождается из распадов резонансов, что затрудняет получение информации непосредственно о характеристиках их рождения;

• наличие существенного комбинаторного фона в спектрах эффективных масс для гиперонных резонансов усложняет точное измерение ряда параметров сигнала;

• в нейтронном пучке, кроме того, отсутствие информации об энергии нейтрона в каждом событии затрудняет измерение дифференциальных сечений рождения гиперонов.

Цель диссертационной работы:

• исследование инклюзивного рождения гиперонов Л°, Е- и гиперонных резонансов Е(1385)±, Н(1530)° нейтронами со средней энергией ~ 51 ГэВ в эксперименте ЭКСЧАРМ на Серпуховском ускорителе У-70. Исследуемые состояния идентифицировались по их основным модам распада: —> ртт , Е- Л°7г- Е(1385)± Л0^, ~(1530)° Н-тг+;

• измерение вероятностей радиационных распадов Е° —Л°7 и ~Р —> Е°7 в эксперименте NA-48 на ускорителе SPS CERN.

Научная новизна исследования.

1. Впервые проведено исследование инклюзивного рождения гиперонов и гиперонных резонансов в нейтронном пучке в рамках единого подхода и единой модели, позволившее сделать вывод об эквивалентности процессов образования гиперонов в нейтронных и протонных пучках.

2. Измерены сечения инклюзивного рождения Л°, Е(1385)±, Е-и Е(1530)° в нейтронном пучке со средней энергией ~ 51 ГэВ. При этом сечения рождения Е(1385)+, Е(1385)- и Ев нейтронных пучках измерены с наивысшей точностью, а сечение инклюзивного рождения Е(1530)° в нуклонном пучке измерено впервые.

3. С наивысшей точностью измерены полные ширины гиперонных резонансов Е(1385)+ и Е(1385)~.

4. Измерены вероятности слабых радиационных распадов Е° — Л°7 и Е° —>• Е°7 с точностью, позволяющей оценивать правильность теоретических моделей, применяемых для расчетов этих процессов.

Практическая ценность работы.

Полученные инклюзивные спектры и измеренные сечения рождения гиперонов и гиперонных резонансов позволяют проверить предсказания феноменологических моделей, разработанных для описания мягких адронных процессов, и уточнить их параметры. Результаты могут быть использованы при подготовке экспериментов по детальному изучению процессов образования гиперонов в адронных реакциях.

Полученные данные о величинах относительных вероятностей радиационных распадов 5° могут быть использованы для проверки и развития теоретических моделей, описывающих эти распады.

Созданный пакет программ для статистического и физического анализа BISMXC используется для обработки данных эксперимента ЭКСЧАРМ.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 80 работ. Общий объем диссертации составляет 101 страницу, включая 41 рисунок и 13 таблиц.

Заключение

1. Измерены сечения инклюзивного рождения гиперонов А°, Н~ и гиперонных резонансов в Е(1385)+, Е(1385)~, Е(1530)° в нейтрон-углеродных взаимодействиях в области фрагментации пучка при средней энергии нейтронов га 51ГэВ:

Тпс^(хг > 0,2)■= (5511 ± 7стат. ± 460сисг.) мкб, (jnCS(1385)+(a:F > 0,1) == (492 ± 10стат. ± 31сист.) мкб, апс^(138Ъ)~(хр > 0,1) = (690 ± 15стат. ± 65сист.) мкб, 0,1) = (146 ± ^стат. =Ь 9сист.) мкб,

7пС?Е(1530)о(а* > 0,1) = (28 ± 2стат. ± 4СИСТ.) мкб.

Сечения рождения Е(1385)+ и £(1385)" измерены с наивысшей точностью в нейтронных пучках. Сечение рождения Е(1530)° измерено впервые в нуклонном пучке.

2. Используя предположения о симметрии дифференциальных сечений относительно нуля и зависимости сечений от атомного веса ядра мишени в виде апс = vnN• А2^ > получены сечения инклюзивного рождения гиперонов А0, Е- и гиперонных резонансов в £(1385)+, £(1385)", Е(1530)° в нейтрон-нуклонных взаимодействиях (сгпм) в полной кинематической области по хр (—1 < Хр < 1): anNА° = (3330 ± 280) мкб,

7niVE(1385)+ = (277 ± 18) мкб, crniV-E(1385)~ = (337 it 33) мкб, (7пдгН = (95 ± 6) мкб, crnNE(1530)° = (17 ± 3) мкб.

3. Пересчитанные из полученных с учетом соотношений, вытекающих из аддитивной кварковой модели, инклюзивные сечения рождения в рр-взаимодействиях (сгрр) для А°, Е-, Е(1385)+ и Е(1385)~:

ТррА0 = (3330 =Ь 280) мкб, сгррЕ(1385)+ = (367 ± 18) мкб, сгррЕ( 1385)~ - (247 ± 33) мкб,

ТррЕГ — (95 ± 6) мкб, не отличаются в пределах точности измерений от ожидаемых при этих энергиях в протонном пучке.

4. Измерены параметры п и Ь инклюзивных дифференциальных сечений, определенных в рамках модели кваркового счета E^-il-XFfe-^T:

71= (2,1 ±0,1), Ь =.(2,4 ±0,1) для Л°, п = (2,7 ± 0,1), Ъ= (1,8 ± 0,1) для Е(1385)+, п = (1,3 ± 0,1), Ь= (1,9 ±0,1) для Е(1385)~, п = (4,0 ± 0,1), Ъ = (2,0 ± 0,1) для Н~, п = (3,2 ± 0,2), Ъ = (2,1 ± 0,2) для 5(1530)°.

Измеренные значения параметров для п Е(1385)+, Е(1385)~ и Е(1530)° близки к предсказаниям модели кваркового счета.

92

5. Измерены полные ширины гиперонных резонансов Е(1385)+, Е(1385)- и Е(1530)°:

Г(Е(1385)+) = (35,1 ± 0,9) МэВ/с2,

Г(Е(1385)~) = (40,0 ± 0,9) МэВ/с2,

Г(Е(1530)°) = (10,0 ± 1,7) МэВ/с2.

Полные ширины резонансов Е(1385)+ и Е(1385)~ измерены с наивысшей точностью.

6. Измерены вероятности радиационных распадов Е° —> Е°7 и

Е° Л°7:

Вг(Е° Е%) = (3,14 ± 0,76(стат.) ± 0, 32(сист.)) • Ю"3

Вг(Е° Л°7) = (1,90 ± 0,34(стат.) it 0.19(сист.)) • Ю-3

Отношение этих двух относительных вероятностей составляет:

Вг(Е° ->:Е°7)/5г(Н° Л7) = 1,65 ± 0,55.

Наиболее близкие величины для измеренных вероятностей радиационных распадов дают теоретические расчеты, выполненные на основе кварковой модели, SU(6) jy-симметрии и модели векторной доминантности.

7. Разработан пакет программ для статистического и физического анализа данных BISMXC. В настоящее время используется для обработки данных с эксперимента ЭКСЧАРМ.

1. A.Zinchenko for the EXCHARM collaboration, 1.clusive production cross-sections of hyperons in nC-interactions. Nucl.Phys.Proc.Suppl., 93 (2001) 42-45.

2. А.Н.Алеев,., А.И.Зинченко и др., Инклюзивное рождение гиперонов в nC-взаимодействиях. ОИЯИ, Д1-2001-98 (Дубна, 2001).

3. V.Fanti,.,A.Zinchenko et al, Precision measurement of the mass and branching ratios of the decays —> Л7 and H° —^ E°7. Eur.Phys.J., C12 (2000) 69-76.

4. Сотрудничество ЭКСЧАРМ, представлено Зинченко А.И., Исследование рождения гиперонов и гиперонных резонансов в nC-взаимодействиях при средней энергии 50ГэВ. Труды научной сессии МИФИ-99, 4 (1999) 162.

5. А.Н. Алеев,., А.И.Зинченко и др., Спектрометр ЭКСЧАРМ. ПТЭ, 42 (1999) 481.

6. Зинченко А.И. и др., BISMXC программа статистического анализа данных со спектрометра БИС-2. ИФВЭ АН РК, 92-01 (Алма-Ата, 1992).

7. R.L. Eisner et al., A and K° production in polarized pp interactions at 6-GeV/c. Nucl.Phys., B123 (1977) 361.

8. H. Fesefeldt et al., Strangeness transfer distributions in proton-proton collisions at 12-GeV/c and 24-GeV/c. Nucl.Phys., B147 (1979) 317.

9. K. Jaeger et al., Inclusive 7,7Г0, K° and A production in 12.4-GeV/c pp interactions. Phys.Rev., Dll (1975) 1756.

10. H. Boeggild et al, The inclusive single-particle spectra of 7г~, Kg and A in proton-proton collisions at 19 GeV/c. The Scandinavian bubble chamber. Nucl.Phys., B57 (1973) 77.

11. D. Blumenfeld et al., A triple regge analysis of the reaction pp A°X + + at 69 GeV/c. Nucl.Phys., B125 (1977) 253.

12. M. Alston et al., Neutral particle production in тг+р and pp collisions at 100-GeV/c. Phys.Rev.Lett., 35 (1975) 142.

13. J.W. Chapman et al., Production of 7, A0, Kg and anti-A° in pp collisions at 102-GeV/c. Phys.Lett., 47B (1973) 465.

14. D. Brick et al., Inclusive production of neutral strange particles by 147-GeV/e 7Г+K+p interactions in hydrogen. Nucl.Phys., B164 (1980) 1.

15. A. Sheng et al., PP interactions at 300-GeV/c: 7 and neutral strange particle production. Phys.Rev., Dll (1975) 1733.

16. F.T. Dao et al., PP interactions at 303-GeV/c: inclusive studies of 7, and A0 production. Phys.Rev.Lett., 30 (1973) 1151.

17. R.D. Kass et al., Charged and neutral particle production from 400-GeV/c pp collisions. Phys.Rev., D20 (1979) 605.

18. К. Alpgard et al., Strange particle cross-sections and multiplicity distributions in 19-GeV/c proton-proton interactions. Nucl.Phys., B103 (1976) 234.

19. J. Bartke et al, Nuovo.Cim., 29 (1963) 8.

20. K. Bockmann et al., Inclusive production of E(1385)± in pp interactions at 12-GeV/c and 24-GeV/c. Nucl.Phys., B143 (1978) 395.

21. К. Боголюбский и др., ЯФ, 50 (1989) 424.

22. D. Brick et al., Inclusive strange resonance production in pp, 7т+р and K+p interactions at 147-GeV/c. Phys.Rev., D25 (1982) 2248.

23. T. Aziz et al., Inclusive К* and E* production in 360-GeV/c pp interactions using the Europian hybrid spectrometer. Z.Phys., 030 (1986) 381.

24. H. Kichimi et al., Inclusive study of strange particle production in pp interactions at 405-GeV/c. Phys.Rev., D20 (1979) 37.

25. R.E. Ansorge et al., Strange particle production in neutron-proton interactions at 10-GeV/c 24-GeV/c. Nucl.Phys., B103 (1976) 509.

26. A.H. Алеев и др., Инклюзивное рождение гиперонов и антигиперонов в nC-взаимодействиях при « 40 ГэВ. ЯФ, т.44. вып.3(9) (1986) 661.

27. M.I. Adamovich et al., Е~ production by Е-, 7Г~ and neutrons in the hyperon beam experiment at CERN. Z.Phys., C76 (1997) 35.

28. Анисович В.В., Кобринский М.Н., Нири Ю., Шабельский Ю.М., УФЕ, 144(4) (1994) 553.

29. Matveev V.A., Muradyan R.M., Tavkhelidze A.N., Lett.Nuovo Cim7 (1973) 719.

30. Brodsky S.J., Farrar G.R., Phys.Rev.Lett, 31 (1973) 1153.

31. J.F. Gunion, Short distance counting rules for low Рт fragmentation. Phys.Lett., 88B (1979) 150.

32. T.Yeh et al., Observation of rare decay modes of the E hyperons. Phys.Rev., D10 (1974) 3545.

33. J.R.Bensinger et al., Upper limit for the E° —> E°7 radiative decay. Phys.Lett., B215 (1988) 195.

34. S.Teige et al., Measurement of the E° —> E°7 branching ratio and asymmetry parameter. Phys.Rev.Lett., 63 (1989) 2717.

35. C.James et al., Branching ratio and asymmetry for E° —у Л7. Phys.Rev.Lett., 64 (1990) 843.

36. M.Scadron and L.Thebaud, Unified theory of nonleptonic hy-peron decays. Phys.Rev., D8 (1973) 2190.

37. F. J.Gilman and A.B.Wise, Radiative weak decays of baryons as single quark transitions. Phys.Rev., D19 (1979) 976.

38. M.B.Gavela et al, Parity violating radiative weak decays and the quark model. Phys.Lett., B101 (1981) 417.

39. K.G.Rauh, Weak radiative hyperon decays in the pole model. Z.Phys., CIO (1981) 81.

40. A.N.Kamal and R.C.Verma, Radiative weak decays of baryons. Phys.Rev., D26 (1982) 190.

41. R.C.Verma and A.Sharma, A reanalysis of weak radiative decays of hyperons. Phys.Rev., D38 (1988) 1443.

42. Riazuddin and Fayazuddin, International Center for Theoretical Physics, Trieste, Report No.IC/79/54 (1979).

43. P.Eckert and B.Morel, Geneva University. Report No.UGVA-DPT 1982/03-340 (1982).

44. W.F.Kao and H.J.Schnitzer, Weak radiative baryon decays of the Skyrme model. Phys.Rev., D37 (1988) 1912.

45. G.Nardulli, A fresh look at the pole model of weak nonleptonic and radiative hyperon decays. Nuovo Cimento, 100A (1988) 485.

46. P.Zenczykowski, Weak radiative decays of hyperons revisited: quarks, SU(6)w and vector meson dominance. Phys.Rev., D40 (1989) 2290.

47. M.Gaillard et al., Constituent gluons an a new mechanism for radiative decays of hyperons. Phys.Lett., В158 (1985) 8.

48. А.Н.Алеев и др., Измерение энергетического спектра нейтронного пучка канала 5Н серпуховского ускорителя. ОИЯИ, Р13-94-312 (Дубна, 1994).

49. Г. Айхнер и др., Система пропорциональных камер спектрометра БИС-2. ПТЭ, 3 (1982) 40.

50. А.Н. Алеев и др., Пропорциональные камеры с размером рабочей области 2 х 1 м2 спектрометра ЭКСЧАРМ. ПТЭ, 4 (1995) 8.

51. А.Н. Алеев и др., Измерение поля спектрометрического магнита установки ЭКСЧАРМ. ОИЯИ, Р1-97-368 (Дубна, 1997).

52. Войчишин М.Н. и др., Черенковский пороговый газовый че-тырнадцатиканальный счетчик. ПТЭ, 3 (1985) 71.

53. Алеев А.Н. и др., Пороговый газовый 32-канальный черенковский счетчик спектрометра ЭКСЧАРМ. ПТЭ, 39 (1996), 27.

54. А.Н. Евсиков и др., МОНИТОР подсистема сбора информации и контроля оборудования спектрометра ЭКСЧАРМ. ОИЯИ, Р10-96-324 (Дубна, 1996).

55. М.Г. Кадыков и др., ОИЯИ, Р1-91-36 (Дубна, 1991),

56. А.Н. Алеев и др., Организация системы запуска спектрометра БИС-2. ОИЯИ, 13-86-427 (Дубна, 1986).

57. Н.В. Горбунов и др., Драйвер ветви ВД-411. ОИЯИ, Д13-85-793 (Дубна, 1985).

58. В.Г. Аблеев и др., Исследование пропорциональных камер с регистрирующей электроникой, переданной в производство фирме "POLON". ОИЯИ, 13-8829 (Дубна, 1975).

59. А.А. Вовенко и др., Программный комплекс ЕХАТАРЕ для доступа к устройству накопления ЕХВ-8500 на компьютерах типа IBM PC/AT под управлением MS DOS. ОИЯИ, Р10-94-493 (Дубна, 1994).

60. НВООК Reference Manual, CERN Program Library Y250, CERN, 1995.

61. HPLOT Users Guide, CERN Program Library Y251, CERN, 1994.

62. CERNLIB Short Writeups, CERN Program Library, CERN, 1996.

63. PAW Physics Analysis Workstation, CERN Program Library Q121, CERN, 1995.

64. Говорун H.H., Иванченко И.М., Чвыров A.C., Определение параметров бесфильмовых камер. ОИЯИ, Р5-5397 (Дубна, 1970).

65. Иванченко И.М. и др., Математическое обеспечение для распознавания траекторий, регистрируемых многочастичным спектрометром БИС-2. ОИЯИ, Р10-89-436 (Дубна, 1989).

66. А. Бонюшкина и др., Алгоритмы определения эффективной массы К^ и регистрируемых спектрометром ЭКСЧАРМ. ОИЯИ, Р1-93-168 (Дубна, 1993).

67. Д.А.Кириллов и др., Сообщ. ОИЯИ, Р11-92-436 (Дубна, 1992).

68. GEANT Detector Description and Simulation Tool, CERN Program Library Q123, CERN, 1993.

69. Г.А. Аралбаева и др., Комплекс программ, расширяющий возможности формализованного описания эксперимента в системе GEANT3. ОИЯИ, Р1-93-85 (Дубна, 1993).

70. Review of Particle Physics. Eur.Phys. Jour., С15 (2000).

71. T.Sjostrand, Computer Physics Commun., 82 (1994) 74.

72. F. James, Minuit Reference Manual, D506 (CERN, 1994).

73. Kaidalov A.B. and Piskunova O.I., Inclusive spectra of baryons in the quark gluon strings model. Z.Phys C, 30 (1986) 145.

74. G.D.Barr et al., Proposal for a Precision Measurement of e/e in CP Violating K° 2тг decays. CERN/SPSC/90-22/253 (1990).

75. N.Doble et al., A novel application of bent crystal channeling to the production of simultaneous particle beams. Nucl.Instr.Meth., B119 (1996) 181.

76. C.Biino et al., Preprint CERN, CERN-SL-98-041-EA (1998).

77. I.Augustin et al, The drift chamber electronics and readout for the NA48 experiment. Nucl.Instr.Meth., A403 (1998) 472.

78. G.D.Barr et al., Performance of an electromagnetic luquid krypton calorimeter based on a ribbon electrode tower structure. Nucl.Instr.Meth., A370 (1996) 413.

79. B.Hallgren et al., The NA48 LKR calorimeter digitizer electronics chain. Nucl.Instr.Meth., A419 (1988) 680.

80. M.Holder, Status of the NA48 experiment. Proceedings of Workshop on Kaon Physics, Orsay (1996) 77.

81. I.Augustin, The NA48 experiment for the measurement of e'Je. Proceedings of the 28th International Conference on High Energy Physics, Warsaw, Poland (1996) 1679.