Измерение параметров вращения спина А и R в упругом πρ-рассеянии в области пион-нуклонных резонансов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Российская Академия наук Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова

/ДК 539.126.34 - На правах рукописи

< ■ - • • 1- —1 Сумачев Викторин Владиславович

Измерение параметров вращения спина А и Я в упругом 7гр-рассеянии в области пион-нуклонных резонансов

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена п Отделении физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики им. Б.П.Константинова Российской Академии наук.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник О.Г.Коновалов.

доктор физико-математических наук,

профессор С. Б. Нурушев.

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Р.М.Рындин.

Ведущая организация:

ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики

Зашита диссертации состоится 98 г.

в .ХА, .часов на заседании диссертационного совета Д-002.71.01 Петербургского института ядерной физики им. Б.П.Константинова Российской Академии наук, 188350, г.Гатчина, Ленинградская обл., , Орлова роща.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского института ядерной физики им. Б.П.Константинова РАН

Автореферат разослан " г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И. А. Митр опольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

Актуальность проблемы.

Для надежной проверки кварковых моделей барионов нужно знать точное количество и параметры бпрнонных резонансов, которые в свою очередь определяются из ппон-нуклонной амплитуды. Для однозначного восстановления ппон-нуклонной амплитуды путем парцпально-волнового анализа экспериментальных данных необходим полный набор наблюдаемых величин для упругого л^р-рассеяния и реакции перезарядки.

Параметры вращения спина А± и Л* входят в упомянутый необходимый набор наблюдаемых, но, поскольку их измерения сложны и дороги, предпринимались попытки восстановить тт/У-амплитуду только из экс-гериментальных данных для сечений и асимметрий, с использованием зсей существующей информации о свойствах яIV-амплитуды. Как было гоказано, отсутствие данных о параметрах А а Л приводит к дискретным неоднозначностям в тг/У-амплптуде, восстановленной из парциально-золнового анализа. Дальнейшее исследование этой проблемы показало, тто при накопленной на сегодняшний день экспериментальной информации для сеченпй и поляризаций в реакциях упругого я^р-рассеяния I реакции перезарядки п с учетом имеющихся знаний о свойствах тгАт-шплитуды для устранения дискретных неоднозначностей достаточно измерить параметры вращения спина лишь в некоторых "критических" точках области кинематических переменных пион-нуклонного рассеяния.

Путем сравнения предсказаний трех существующих парциально-юлновых анализов (ПВА) нами определены некоторые из "критических" •очек, где необходимы дополнительные измерения параметров А и Я В настоящее время, когда накоплено громадное количество экспериментальных данных для дифференциальных сечений и поляризаций в про-сессе 7гр-рассеяния и реакции перезарядки, эксперименты по измерению [араметров вращения спина А и Я играют роль своеобразного "арбитра", тбпрая из дискретного набора те решения ПВА , которые соответствуют бъективной реальности.

Цель диссертационной работы состояла в разработке и практическом осуществлении экспериментов по надежному измерению параметров вращения спина А п Л. Эти измерения в первой резонансной области п~р-взанмодействия п во второй области я^р-взапмодействия выполнены впервые в мире.

Научная новизна результатов. Для выполнения экспериментальной задачи измерения параметров А~ п Я~ в первой резонансной области упругого 7г~р-рассеяния в ПИЯФ была создана установка, включающая поляризованную пропандполовую мишень в сверхпроводящем соленоиде, многопластинчатый углеродный поляриметр ПОИСК-1 для протонов с энергиями Ту =100-400 МэВ, проволочные искровые камеры для регистрации треков рассеянных пионов п сцинтилляционные счетчики триггерной системы. Треки протонов в поляриметре регистрировались с помощью автоматической телевизионной системы съема информации. Впервые в подобных экспериментах определялись треки всех трех частиц, то есть налетающего и рассеянного пиона и протона отдачи, восстанавливались координаты точки взаимодействия в мишени.

Впервые выполнены измерения параметров А~ и П~ для упругого тгр-рассеяния в первой резонансной области.

Предложена программа измерений параметров А п Я во второй резонансной области (Рт = 0,9-1,9 ГэВ/с), она была изложена в докладе на Третьем международном симпозиуме "Пион-нуклонные и нуклон-нуклонные взаимодействия" (Гатчина, 17-22 апреля 1989 года) [1].

Для осуществления этой программы был сконструирован и изготовлен протонный поляриметр ПОИСК-2, оптимизированный для измерения поляризации протонов с энергиями Тр = 400-1600 МэВ.

Выполнены измерения параметров вращения спина А+ и Н+ при импульсе пионов (/\+ = 1,43 ГэВ/с) , соответствующем максимуму сечения упругого 7г+р-рассеяния во второй резонансной области. До нашего эксперимента измерений параметров А и Л во второй резонансной области этТУ-взаимодействия не проводилось.

При планировании этих измерений был реализован новый подход к выбору области исследования, основанный на анализе поведения траекторий

[улей 7гЛг-амплпт.уды.

Практическая ценность. Полученные и диссертации результаты для [ервой резонансной области упругого 7Г-р-рассеяния Пыли использованы ПВА ПИЯФ PNPI92 и в ПВА Вирджинского политехнического ипсти-ута SM90, с их помощью выполнен отбор решений ПВА вплоть до пм-ульсов пионов р7r=72G МэВ/с.

Результаты измерений параметра Л+ во второй резонансной обла-ти 7г;;-рассеяния позволили провести критический анализ предсказаний IBA, выполненных до наших измерений. Нами установлено, что в пптер-але импульсов ппопов рж= 1,2-1,8 ГэВ/с правильными являются иред-казапия ПВА Вирджинского политехнического института SM90. Наши езультаты включены в новый анализ этой группы SM95.

Результаты пашпх измерений включены в международный банк дан-ых по пион-нуклонпому рассеянию (telnet said.pliys.vt.edu; login: said).

Созданная нами установка позволяет измерять параметры A, R п Р о всей резонансной области тгр-рассеяппя в широком интервале углов.

Апробадпя диссертации. Результаты диссертации докладывались на всесоюзном совещании по поляризационным явлениям в ядерной физп-е (19G7 г., Харьков), на Третьем международном симпозиуме ''Ппоп-уклоппые и нуклон-нуклоиные взаимодействия1' (1989 г., Гатчина), на Международной конференции по полярпзацпоппым явлениям в ядер-ой физике (1990 г., Париж), на Междупародпых рабочих совещаниях по типовой физике высоких энергий (IV-1991 г., Протвино; V-1993 г., Прот-iho; VI-1995 г., Протвино; VII-1997 г., Дубна), на Национальной конфе-енции по физике многочастичных и кварк-адронных систем (1992 г., арьков), па Международных симпозиумах по спиновой физике высоких гергий (XII-1996 г., Амстердам; XIII-1998 г., Протвино), па сессиях От-?ления ядерной физики РАН, на научных семинарах Отделения физики дсокпх энергий ПИЯФ РАН. По материалам диссертации опубликовапо ) работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы шовного текста, включающие 18 параграфов, заключение н список ли-

тературы. Параграфы каждой главы имеют независимую от других гла нумерацию. В диссертации имеются 7 таблиц и G8 рисунков со сплошно нумерацией по текст)'. В списке литературы приведены G4 ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели работы, ее актуальность и кратк изложено ее содержание.

Глава I посвяшена обзорз' экспериментальной ситуации в резонансно: области 7гЛг-рассеяння и планированию наших измерений. За всю пстс рпю измерений параметров вращения сппна А и R было выполнено пят экспериментов, для этой цели былн сконструированы и использовалис всего три экспериментальные установки, включая описываемую в дав ной работе. Два из этих пяти экспериментов представлены в настояще] диссертации.

В параграфе 1.1. рассмотрены результаты глобальных парциально волновых анализов (ПВА) для спектра N* и Д-резонансов. К насто ящему времени (июль 1998 года) опубликованы три фундаменталь ных парциально-волновых анализа (ПВА) экспериментальных данны по изучению упругого пион-нуклонного рассеяния. Это ПВА грушп Карлсруэ-Хельсинки (КА84, 1984 год), ПВА группы Карнеги-Меллов Беркли (СМВ, 1979 год) и ПВА Вирджинского политехнического ив ститута (SM95, 1995 год) (новая версия этого анализа SP98 опублико вана в 1998 году). Кроме того, в 1992 году опубликованы результат! квазпдвухчастпчного (изобарного) анализа, выполненного в университе те штата Кент (KSU92, 1992 год). В 1992 году был опубликован ПВУ ПИЯФ(РНР1-92) для интервала энергий пионов 160 - 600 МэВ. В табли цах 1 и 2 приведены массы п ширины всех резонансов, полученные пр; выполнении ПВА КА84, СМВ н SM95, а также при выполнении изобарно го анализа KSU92. В анализе SM95 в двух случаях, для Рп(1710)(**** и Рзз(1600)(***), массы и ширины резонансных состояний в таблица Review of Particle Properties не приведены. Для них в наших таблица указаны полюсы в комплексной плоскости: (1770-il89) МэВ для Рц(1710

и (1675-1193) МэВ для Р3з(1600).

Сравнение спектра резонансов, полученного в более позднем ПВА VP

БМ95, со спектрами рсзонансов из ПВА КА84 и ПВА СМВ показывает, что включение новых экспериментальных данных, полученных в течение 10-15 лет после выполнения предыдущих анализов приводит к парадоксальному на первый взгляд результату - число найденных в БМ95 резонансов уменьшилось по сравнению со старыми анализами. Сравнив области, одинаковые по массам резонансов для трех упомянутых анализов, видим, что в ПВА 8М95 обнаружено на четыре Д и на шесть УУ'-резонансов меньше, чем в ПВА СМВ.

Таблица 1 Параметры Лг*-резопаисов

Назв. ¿1,27 Статус КА84 СМВ80 БМ95 кэиэг

N(1440) Рп **** 1410(135) 1440(340) 1467(440) 1462(391)

N(1520) Аз **** 1519(114) 1525(120) 1515(106) 1524(124)

N(1535) 5и **** 1526(120) 1550(240) 1535(66) 1534(151)

N(1650) 5.1 **** 1670(180) 1650(150) 1667(90) 1659(173)

б1,, нет нет 1712(184) нет

N(1675) Аз **** 1679(120) 1675(160) 1673(154) 1676(159)

N(1680) **** 1684(128) 1680(120) 1678(126) 1684(139)

N(1700) Аз *** 1731(110) 1675(90) нет 1737(250)

N(1710) Рп *** 1723(120) 1700(90) [1770-1189] 1717(478)

N(1720) Ра **** 1710(190) 1700(125) 1820(354) 1717(383)

N(1900) Р.з ** нет нет нет 1879(498)

N(1990) Ят ** 2005(350) 1970(350) нет 2086(535)

N(2000) ** 1882(95) нет 1814(176) 1903(494)

N(2080) Аз ** 2081(265) 1880(180) нет 1804(450)

Аз нет 2060(300) нет нет

N(2090) * 1880(95) 2180(350) нет 1928(414)

N(2100) Рп * 2050(200) 2125(250) нет 1885(113)

N(2190) (?,т **** 2140(390) 2200(500) 2131(476) 2127(547)

N(2200) А5 ** 2228(310) 2180(400) нет —

N(2220) А 9 2205(365) 2230(500) 2258(334) —

N(2250) <-»19 **** 2268(300) 2250(480) 2291(772) —

Особенно удивительным является то, что БМ95 не обнаружил во ¡торой резонансной области резонансы £>]з(1700)(***), 5з1(1900)(***) и 5зз(1920)(***), имеющие высокий рейтинг. Разногласие в приведенных ¡ыше спектрах барионных резонансов по-видимому связано с принцп-талыюй неоднозначностью процедуры восстановления амплитуд 7гДг-:запмодействия, которая имеет место, если ПВА выполняется при отсут-

7

ствии экспериментальных данных по измерению параметров врагцеши еппна А н Я.

Таблица 2 Параметры Д-рсзопансов

Назв. 1-3,и Статус КА84 СМВ80 вМ95 квтаг

Д(1232) Рзз **** 1233(116) 1232(120) 1233(114) 1231(118)

Д(1600) Р33 *** 1522(220) 1600(300) [1675-И93] 1706(430)

Д(1620) 5з1 **** 1610(139) 1620(140) 1617(108) 1672(154)

Д(1700) £>.3.3 **** 1680(230) 1710(280) 1680(272) 1762(600)

Д(1750) Ры * нет нет нет 1744(300)

нет нет нет 1752(251)

Д(1000) *** 1908(140) 1890(170) нет 1920(263)

Д(1905) **** 1905(260) 1910(400) 1850(294) 1881(327)

Д(1910) Рзх **** 1888(280) 1910(225) 2152(760) 1882(239)

Д (1920) Рзз *** 1868(220) 1920(300) нет 2014(152)

Д(1930) ДЭ5 *** 1901(195) 1940(320) 2056(590) 1956(526)

Д (1940) £>33 * нет 1940(200) нет 2057(460)

Д(1950) Рз~ **** 1923(224) 1950(340) 1921(232) 1945(300)

Д(2000) ** нет 2200(400) нет —

Д(2150) 5з1 * нет 2150(200) нет —

Д(2200) Сзг * 2215(400) 2200(450) нет —

Д(2300) #39 ** 2217(300) 2400(425) — —

Д(2350) Ди * 2305(300) 2400(400) — 2171(264)

Д(2390) Р37 * 2425(300) 2350(300) — —

Д(2400) ** 2468(480) 2300(330) — —

Д(2420) Яз.п **** 2416(340) 2400(450) — —

Изучение проблемы неоднозначности процедуры ПВА показало, что, еслп учесть соотношения унитарности и изотопической инвариантности для парциальных амплитуд,то нет необходимости выполнять сложные эксперименты по измерению параметров вращения спина А и Я во всех точках энергетического интервала, охватываемого ПВА, а достаточно измерить эти параметры в некоторых критических (с точки зрения однозначности ПВА) областях. Удобный способ выявления этнх критических областей, основанный на построении траекторий нулей амплитуды 7гЛг-взапмодействня, впервые предложен Барреле [Е.ВаггсЫ. // 1Миоуо Слт.,

1972, У.8А, р.331] и развит с уютом результатов экспериментов последних лет для второй резонансной области [В.В.Абаев // Диссертация на соискание ученой степени кфмн, С'Пб, 1996, с.131], [5,18].

В параграфе 1.2. рассмотрен вопрос о том, какие наблюдаемые величины нужно измерить для однозначного определения л^-амплптуды. Если среди измеряемых характеристик процесса 7тЛг-рассеянпя отсутствуют параметры вращения спина .1 и /?, то при восстановлении амплитуды с помощью процедуры ПВА могут возникнуть дискретные неоднозначности.

С.М.Биленькпи и Р.М.Рындпн в своей работе [ЯФ, 1966, Т4, с.646] привели формулы для определения всех амплитуд, описывающих ^гN-взаимодействпе, из измерений следующих 9 наблюдаемых величин:

^ , Р, В., А в реакции п+р —> 7г+р,

^ , Р , А в реакции 7г_р —* ж~р,

^ ,Рв реакции тг~р —> тт°п.

Если нуклоны мшпени поляризованы п вектор поляризации направлен вдоль орта п , то поляризация нуклонов отдачи Р/ определяется соотношением

Р,= • п. (1)

/ 1 + Р- | Рт |

Здесь Р - поляризационный параметр, Рт ~ вектор поляризации нуклонов мишени. Если вектор Рт перпендикулярен орту п (Рт ■ и = 0 ), то вектор поляризации протонов отдачи Р/ можно выразить через параметры вращения спина А и Л следующим образом:

РГРМ= Я(Й • Рт) + А(р; х п) ■ Рт, (2)

Р/ ■ (¡¡и X «) = ~А(Р; ■ Рт) 4- Л(Рг X п) • Рт, (3)

Ргп = Р. (4)

Здесь ;7дг - импульс прогона отдачи. Поляризационные параметры Р. Я и А связаны между собой соотношением

Р2 + Р2 + Л2 = 1. (5)

9

Экспериментально задача измерения параметров А и R состоит в определении поляризации P¡ протонов отдачи, образовавшихся после рассеяния пионов на свободных протонах поляризованной мпшенн. Когда вектор поляризацпп мпшенп Рт лежит в плоскости 7гр-расссянпя, поперечная компонента вектора Pf пропорциональна линейной комбинации параметров А и R:

Pf = РТ(А • cos а 4- R ■ sin а).

Здесь а - угол между импульсом налетающего пиона п вектором поляризации мишени.

В параграфе 1.3. обсуждается использование траекторий нулей амплитуд, полученных в ПВА КА84, СМВ и SM90, с целью выявления тех областей кинематических переменных, где возможно появление дискретных неоднозначностей. Сравнение предсказаний ПВА КА84, СМВ и SM95 в широком интервале пмпульсов пионного пучка удобно выполнять, используя Баррелетовскип метод построения траекторий нулей ттTV-амплитуды . В этом методе поперечная тг TV-амплитуда F(iz; z) = G(z) 4- iH(z) представлена либо как функцпя 2 = cos 9 , либо как функция переменной со, которая связана с переменной z конформным преобразованием и = е10 = 2 ± y/z2 — 1. В случае, если переменная в является реальной величиной, она совпадает с углом рассеяния пиона на нуклоне в системе центра масс.

Рассматриваемое конформное преобразование обладает тем свойством, что каждому значению z в физической области (z = Rc(z); | г |< 1) соответствуют две точки в комплексной плоскости и , лежащие внутри и вне единичной окружности | ш |= 1. При этом значения и и и>~1 соответствуют одному и тому же значению z.

Поперечные амплитуды 7г]У-взапмодействия обладают тем свойством, что для определения их модулей достаточно только данных по измерению дифференциальных сечений dcr/díl и поляризаций Р : | F(±) |2 = da/díl х (1 ± Р) . Из этого уравнення следует, что для определения тех значений переменных, прп которых 7гДг-амплитуда становится равной нулю (нулей амплитуды) , достаточно измерить величины dcr/dCl и Р. При этом возникает неоднозначность порядка 22N в определении самих

шплитуд. Здесь N - число парциальных воли в разложении амплитуд С т Н по парциальным волнам, поскольку из каждой пары сопряженных шачений хг,- пли z* ( или и>, и 1 /ш*) необходимо выбрать либо г,-, либо г*, ;оответствующпе истинном)' значению 7Г./^-амплитуды Р.

1ты

Imw

.5

..о

).5

о 0.5 1.0 L.5

КА84 рх(МэВ/с)

СМВ

- 1.0

9 7 5

-.3 л

1.0 Rew

1.5 1.0 0.5 О

- 0.5

- 1.0

- 1.5

- 1.0

рж(МэВ/с)

-9 -'7 -5 -3 -1

10 Rew

Imw

L.5

5М90 (МэВ/с) Рис.1 .а)-в). Четыре траектории нулей амплитуды А3/2 из работы [5]. По оси абцпсс отложена величина 11е(и>). По оси ординат отложена величина 1т(ш). Окружность М=1 соответствует физической области значений соя (-)(цм). Шкала значений импульсов вдоль траекторий нулей приведена в правой части рисунка в единицах МэВ/с. Точка 7 соответствует ^+=1440 МэВ/с.

-9

-5

-3

Rew

При изменении импульса ппонного пучка, точки, соответствующие по-ожению нулей тгN-амплитуды, описывают в комплексной w-плоскостн раектории, которые называются траекториями нулей тг/У-амплнтуды. !ак показано в работах Барреле н Хелера [G.Holiler, Handbook on Pion-ucleon Scattering // Pliys. Data N 12-1, Karlsruhe, 1979] . для разрешения роблемы неоднозначности Л"Лг-т;шмодействня необходимо прелше все-

го изучить поведение траекторий нулей, находящихся вблизи физпчсског области | и | = 1.

Для случая 7г+;ьрассеянпя таких напболее важных траекторий оказалось четыре. Они построены отдельно для каждого из анализов: ПВЛ КА84 (pnc.la)), ПВА СМВ (рис. 16)) п ПВА SM90 (рис.1в)) в интервал« импульсов пионов 0.20 - 2.00 ГэВ/с [5] и обозначены римскими цифрам! I, II , III и IV. Из рисунка 1 видно, что в интервале импульсов 0.80 - 2.0С ГэВ/с для всех трех анализов траектории с номерами I, II и III подобнь в своих главных деталях, в то время как ход траектории IV в областг > 0,8 — 0,9 ГэВ/с различен для ПВА КА84 и СМВ, с одной стороны и для ПВА SM90, с другой. Отметим, что в ПВА SM90 уже были исполь зованы результаты ПИЯФ по измерению параметров вращения спина А~ и R~ в первой резонансной области упругого 7г~р-рассеяния.

Из приведенного примера видно, что учет поведения траектории нулей 7гЛг-амплитуды, проходящих вблизи физической области, позволяет выявить тот интервал импульсов пионов, где, безусловно, необходимс измерять параметры вращения енпна А и R. Из сравнения хода траекторий на рис.1-3 видно, что одной из таких областей является облает* углов рассеяния назад для пионов с импульсами больше чем ~0.8 ГэВ/с

В параграфе 1.4. рассмотрены методы и результаты других групп пс измерению параметров А и Л. Такие измерения выполнены в областг импульсов пионов 6, 16 и 40 ГэВ/с коллаборациями САКЛЕ-ЦЕРН i CAKJIE-ОИЯИ-ИФВЭ-ИТЭФ, а также в области резонансов Р33(1232; и Рц(1440) коллаборацией Лос-Аламосской национальной лабораториц-Абиленского христианского университета-Калифорнийского универси тета-Университета им. Дж.Вашингтона. Во всех случаях использовала« поляризованная мишень в сверхпроводящем соленоиде и углеродный по ляриметр для измерения поляризации протонов отдачи. В упомянуты) экспериментах треки пионов не регистрировались и точка взапмодей ствия пионов в мишени не восстанавливалась. Это затрудняло опреде ление числа фоновых событий.

В параграфе 1.5. изложен используемый нами подход к выбору обла сти кинематических переменных для измерения параметров А и Л. Пр1 этом учитываются следующие факторы: выбирается область, "подозри

12

тельная" на дискретную неоднозначность тгЛг-амплптуды; значения параметров A, R и Г, предсказываемые в существующих ПВА, должны отличаться от едпницы; величина дифференциального сечения ynpj'roro 7ф-рассеянпя должна быть достаточно большой; должны быть ранее выполнены измерения параметра Р в исследуемой области; энергия протонов отдачи в исследуемой области должна быть больше 100 МэВ; должна обеспечиваться возможность разделения рассеянных пионов и протонов отдачи, если измерения планируются п области инверсных углов; конструкция поляризованной мпшенп должна допускать регистрацию треков рассеянных ппонов и протонов отдачи в выбранном диапазоне углов. В итоге для наших измерений была выбрана область углов рассеяния назад в интервале импульсов рп- = 573-726 МэВ/с в упругом 7г~р-рассеянип н область углов рассеяния назад прп импульсе /?„■+ = 1,43 ГэВ/с в упругом 7г+р-рассеянии.

»

В главе II описан эксперимент по измерению параметров А~ и Вт, выполненный в ПИЯФ.

В параграфе II. 1. приведены характеристики пионного пучка синхроциклотрона ПИЯФ. Установка по измерению параметров А и R размещалась во втором фокусе пионного пучка синхроциклотрона ПИЯФ.

В параграфе 112. описана экспериментальная установка для измерения параметров А и R. Она спроектирована так, чтобы обеспечить максимальную эффективность измерений и безусловную надежность результатов, получаемых впервые в мире. В одной серии измерений однозначно .гогут быть определены только две из трех компонент поляризационного зектора протонов отдачи: А и R. Р и А или Р п R. Нами была выбрана такая постановка эксперимента, когда в одной серии измерений определялась комбинация параметров P¡ = A cos а + R sin а и поляризационный тараметр Р , здесь а - угол между вектором поляризации мишени п нм-1ульсом пионного пучка.

Поскольку наши измерения выполнялись впервые в мирэ п сравнить IX с другими такими же измерениями было невозможно, особое внимание эыло уделено уменьшению величин возможных систематических погрешностей. Знак поляризации поляризованной мпшенп изменялся не реже од-

ного раза в сутки, причем величина поляризации мишени измерялась непрерывно в течение всего эксперимента. С целью исключения систематических погрешностей, связанных с ложными асимметриями II ошибками в анализирующей способности рС-рассеяния, используемой при вычислении параметров А и Я, измерялся поляризационный параметр Р. Сравнение с мировыми данными для величины параметра Р позволило оценить величину систематической ошибки наших измерений. В установке регистрировались траектории всех трех частиц вне области магнитного поля катушек Гсльмгольца: пионов пучка, рассеянных ппонов и протонов отдачи, а затем восстанавливалась полная картина первого рассеяния.

Схема экспериментальной установки [3,0,10] для эксперимента в первой резонансной области 7г_р-рассеяния приведена на рис.2.

Основными компонентами установки являются: поляризованная протонная мишень с продольной ориентацией спина п динамической накачкой поляризации, универсальный многопластннчатый поляриметр ПОИСК-1 для протонов с энергиями 100-400 МэВ на основе искровых камер с телевизионным съемом информации [11], четыре магнитострик-цпонные камеры для регистрации треков рассеянных пионов, пропорциональные камеры для регистрации пионов пучка п гцинтплляцпонные счетчики для выработки импульса запуска установки.

Установка работала в линию с минп-ЭВМ, с помощью которой осуществлялась запись информации, контроль за ее качеством и управление работой установки. Далее информация передавалась на ЭВМ ЕС-1046, где

С! ПК1

С7

Рис.2. Схема экспериментальной установки по измерению параметров вращения спина А и Л. Здесь: М - поляризованная мишень; МИК - искровые камеры с магнитострикционным съемом информации; ПОИСК-1 - многопластинчатый протонный поляриметр на основе искровых камер с телевизионным съемом информации; Сг— С7 - сцинтилля-ционные счетчики; ПК1 и ПК2 -пучковые пропорциональные камеры.

происходило сс накопление и предварительная обработка. Полная обработка информации выполнялась послс окончания эксперимента на ЭВМ "Сайбер 172".

В параграфе II.3. описан расчет поляриметра ПОИСК-1 для протонов с энергиями в интервале 100-400 МэВ. Поляриметр является главной составной частью установки для измерения параметров вращения спина А и Л в тгр-рассеянии.

Таблица 3

Характеристики протонных поляриметров ПОИСК-1 и ПОИСК-2

Параметр ПОИСК-1 ПОИСК-2

Анализирующее Графит высокой Графит высокой

вещество чистоты чистоты

Интервал Тр > 0,1 ГэВ Тт > 0.4 ГэВ

энергий протонов

Эффективность 0,035 для Тр = 0,14 ГэВ 0,19 для

анализирующего Тр = 0,60-0,90 ГэВ

рассеяния

Суммарная тол- 43-71 г/см2 61 г/см2

щина

анализатора

Толщина 5 мм; 10 мм; 15 мм; 30 мм

пластин 20 мм

Энергетическое ~ в МэВ ~ 20 МэВ

разрешение (ДЕ)

Интервал углов 5-20° 5-20°

рС-рассеяния

Способ съема Автоматический теле- Автоматический теле-

информации визионный съем визионный съем

Пространственное ~ 0.8 мм ~ 0.5 мм

разрешение ау;<тг

Число искровых 28 20

промежутков

Точность измере- ~ Й мрад ~ 8 мрад

ния угла

рС-рассеяния

Мертвое время < 100 мс < 60 мс

Чувствительный 0.4 х О.в х 0.92 м3 0.6 х 0.0 х 0.82 м3

объем

Поляриметр, используемый в подобном эксперименте, должен удовлс творять следующим общим требованиям:

• иметь максимально высокую эффективность рС-расссянпя;

• измерять поляризацию во всем интервале энергий протонов отдачг попадающих в поляриметр;

• регистрировать углы рС-рассеяния в диапазоне 5° — 20° во всем диа пазоне азимутальных углов (2тг);

• обеспечивать наименьшую ложную аппаратурную асимметрию.

Конструктивная особенность поляриметра ПОИСК-1 определяете

тем, что в зависимости от угла рассеяния пионов изменяется энергия про тонов отдачи, н необходимо измерять асимметрию протонов с энергиям] от минимальной до ~ 400 МэВ . Минимальная энергия протонов, при ко торой метод вторпчного рассеяния работает достаточно эффективно, со ставляет Тр ~100 МэВ, при меньших энергиях величина Арс не превыша ет 0,2-0,3. Важнейшей особенностью данного поляриметра является мно гопластинчатая структура анализатора. Если бы в поляриметре исполь зов алея сплошной блок графита толщиной 30 см, то угол многократное рС-рассеянпя составил бы 2° — 2,5°. Тогда было бы невозможным точ ное определение угла рассеяния, было бы невозможно оценить энергии протона в точке рС-рассеяния и степень неупругости рС-взаимодействия Кроме того, оптимальная толщина блока графпта различна для разньс углов вылета протонов отдачи в пределах перекрываемого поляриметров диапазона. Основные характеристики поляриметра ПОИСК-1 приведень в таблице 3. Поляриметр ПОИСК-1 отработал более 2000 часов в про цессе набора экспериментальных даннах, его эффективность и други( характеристики оказались близкими к расчетным.

В параграфе Н.4. кратко рассмотрена процедура обработки информа цпп и выделение случаев упругого тгр-рассеяппя. Всего выполнено 9 се ансов измерений во втором фокусе ппонного канала синхроциклотрон; ПИЯФ. Для каждого зарегистрированного события на магнитную лент] записывалась следующая информация: горизонтальная и вертикальна: координаты треков пионов, зарегистрированных магнптострпкцпонным! искровыми камерами; горизонтальная и вертикальная координаты тре ков протонов отдачи, зарегистрированных искровыми камерами полярп

16

метра ПОИСК-1; информация о треках ппонов в пучке; разность времен пролета между рассеянными пнонамп п протонами отдачи; периодически записывалась величина поляризации мишени.

Реконструкция кинематики событий осуществлялась с помощью программы, находивши! такие значения импульсов падающего ппона рщ, рассеянного пиона рГ] и протона отдачи ;7,,Л,, относящиеся к точке рассеяния в мишеип, прп которых траектории этих частиц, проведенные через магнитное ноле поляризованной мишени, наилучшим образом совпадают с экспериментально наблюдаемыми треками в трековых детекторах.

После того, как для каждого события были найдены координаты точки рассеяния в мишени и вычислены углы вылета рассеянного ппона и протона отдачи, выполнялось построение распределения событий по отклонению от компланарности Де. Пример такого распределения для импульса ппонов Рл- = 573 МэВ/с приведен на рис. 3.

N(006.)

5 • 101-

110"

.у

-Л,45 -0,30 -0,15

чЛ

Д£

Л-10*

Рис.3. Распределение событий по отклонению от компланарности Де при импульсе пионного пучка р„-= 573 МэВ/с. Угол между импульсом пионного пучка и вектором поляризации мишени составляет а = 4-10°. В дальнейшей обработке использовались события, для которых Ае < 0,15.

Вертикальные стрелки указывают границы отбора по этому критерию. Во всех случаях в дальнейшую обработку поступали только те события, для которых выполнялось условие Де < 0,15.

Только для событий, уже отобранных по критерию компланарности с помощью распределений по отклонению от упругой кинематики, определялась доля случаев упругого расссяння пионов на свободных протонах

0,15 п,яп 0,4Г.

мишснп. Пример такого распределения для импульса пионов Р„- = 573 МэВ/с приведен рис.4. Отложенная по осп абцпсс величина разности между вычисленным и измеренным косинусом угла рассеяния пиона в системе центра масс Д(сов 0г(цм)) получена следующим образом. Сначала программа начального приближения вычисляла с помощью соотношений упругой кинематики значение сой0^(цм) по измеренному искровыми камерами направлению трека рассеянного пиона. Затем для этого же события величина совО^цм) вычислялась по измеренному первыми камерами поляриметра направлению трека протона отдачи. В дальнейшем нз этих двух значений определялось среднее < соа вх(цм)>, а разность Д(соб вх)(цм) использовалась для построения распределений, аналогичных приведенному на рис.4.

N(006.)

Г

О • 10:|

4 • 1и3-

2 • 1»:' -

Рис.4. Распределение событий по отклонению от упругой кинематики

Д(со80„(чл)) при импульсе пи-онного пучка р,- = 573 МэВ/с. Угол между импульсом пионно-го пучка и вектором поляризации мишени составляет а =

Д(сО3 0г(цм))+Ш°- В дальнейшей обработке Ь-1 .,....,. ' использовались события, для ко-

-0,45 -0,30 -0,'о 0,15 и,30 0,4й "ГорЫХ Д(соз6,(ц.м)) < 0,10.

В таких распределениях виден ппк, соответствующий случаям упругого 7ф-рассеяния, ц фоновая подложка, обусловленная рассеянием пионов на сложных ядрах. Вертикальными стрелками указаны границы отбора по этому критерию. В области упругого пика соотношение фон/эффект составляло 0,15-0,20. Набор полезных событий осуществлялся за несколько серий измерений.

Для дальнейшей обработки отбирались только те события, для которых Л(соя От (им)) и Ае лежат в области пика упругого тф-рассеяния.

Всего же для отбора событий п процессе обработки использовалось 3G различных критериев.

Отобранные события разбивались па несколько интервалов по величине cos От(цм) и для каждого интервала независимо вычислялись параметры А, В н Р. Процедура вычислений подробно описана в работах [3,4,8].

В параграфе II.5. приведены результаты измерении параметров Л и R в виде таблиц и оценивается величина систематических ошибок. Измерения параметров вращения спина А п R выполнены для упругого л~р-рассеяния в первой резонансной областп (¿и,.Рц и Dn-резонансы) при импульсах пионного пучка рт~ = 573, 655, 686 и 726 МэВ/с. Результаты измерений опубликованы в работах [3,6,8] и приведены в табл.4.

Измерения проведены для углов рассеяния назад cos 6^(цм) от -0,4G до -0,80, где до наших измерений парцпально-волиовые анализы предсказы-зали резкую зависимость параметров А н R от импульса. Одновременно : восстановлением величины параметров А п П. определялась величина юляризацип Р в упругом ж~р-рассеявши. В целом значение каждого из гараметров A, R и Р измерено прп 22 значениях кинематических переленных р; cos 0т(цм).

Таблица 4 Результаты измерений

Р, = 573 МэВ/с.

со s0„(um) Угол о А R Р

-0,56 10° 0,01(0,38) 0,77(0,16) 0,64(0,19)

-0,65 10° -0,04(0,33) 0,85(0,11) 0,52(0,17)

-0,63 -35° 0,53(0,20) 0,47(0,22) 0,70(0,13)

-0,72 -35° -0,03(0,26) 0,73(0,11) 0,68(0,11)

-0,80 -35° 0,01(0,23) 0,82(0,07) 0,56(0,10)

Р* = 655 МэВ/с.

cos 0„(цм) Угол а А R Р

-0,46 10° -0,26(0,21) 0,94(0,06) 0,27(0,15)

-0,56 10° 0,06(0,27) 0,93(0,05) 0,16(0,18)

-0,60 10° -0,14(0,24) 0,94(0,05) -0,12(0,13)

-0,72 -35° -0,03(0,20) 0,98(0,02) -0,21(0,09)

-0,79 -35° 0,29(0,24) 0,95(0,07) -0,10(0,14)

Pz = 686 МэВ/с.

cos 0г(цм) Угол Q Л I! Р

-0,47 10" 0,17(0,18) 0,98(0,03) -0,06(0,13)

-0,56 10° -0,09(0,16) 0,93(0,04) -0,35(0,10)

-0,65 10° 0,45(0,14) 0,82(0,09) -0,36(0,08)

-0,64 -35° 0,16(0,14) 0,86(0,05) -0,49(0,07)

-0,72 -35° 0,19(0,12) 0,87(0,04) -0,46(0,07)

-0,79 -35° -0,13(0,20) 0,86(0,06) -0,50(0,08)

= 726 МэВ/с

COS 0,г(цм) Угол а А R Р

-0,47 10° 0,51(0,20) 0,44(0,27) -0,74(0,08)

-0,56 10° 0,25(0,15) 0,61(0,12) -0,75(0,07)

-0,66 10° 0,31(0,13) 0,50(0,13) -0,81(0,08)

-0,65 -35" 0,18(0,17) 0,32(0,17) -0,93(0,08)

-0,72 -35° 0,07(0,13) 0,48(0,09) -0,87(0,05)

-0,79 -35° -0,02(0,19) 0,58(0,11) -0,82(0,08)

В круглых скобках в табл.4 приведены статистические погрешности Неодинаковая точность в определении параметров А и R объясняется тем, что в эксперименте измеряется их линейная комбинация Л cos а + Л sin о: и с лучшей точностью определяется тот параметр, который дает наибольший вклад в эту сумму. Для однозначного определения А и R при каждом значении импульса выполнены две серии измерений для а = 10° и а = -35°, при этом для угла 0я-(цм)~ 130° (сой01Г(цм) = -0,64) измерения выполнены при обоих значениях а, что позволило отобрать единственное решение. В качестве примера процедуры однозначного выбора решения для А и R в табл. 5 приведены по два набора решений для каждого из значений а для 0х(цм) = 130° и импульса Рх = 686 МэВ/с.

Из таблицы 5 видно, что в пределах ошибок согласуются два первых решения для разных величин а. В этих решениях величина параметра А положительна и не превышает 0,5 , а величина параметра R положительна п близка к единице. Вторые решения для разных значений а предсказывают разные знаки для параметра А. Сравнение двух серий измерений при угле 7гр-рассеяния вя(цм)~ 130° использовалось для выбора решений при всех остальных исследованных углах. После опубликования наших результатов были выполнены измерения параметров А и R в ЛАМПФ в соседнем интервале импульсов ппонного пучка. Результаты ЛАМПФ совпали с нашими данными там, где импульсные интервалы перекрываются.

Таблица 5

Выбор решения для и tp при Рт = 686 МэВ/с

Р, = 686 МэВ/с.

Первые решения

eos 9„(цм) Угол а Л II ' Р

-0,65 10° 0,45(0,14) 0,82(0,09) -0,36(0,08)

-0,04 -35° 0,16(0,14) 0,86(0,05) -0,49(0,07)

Вторые решения

-0,65 10° 0,70(0,11) -0,55(0,14) -0,46(0,09)

-0,64 -35° -0,72(0,08) -0,46(0,12) -0,51(0,07)

Далее в параграфе II.5. подробно рассмотрены основные источники систематических ошибок в эксперименте и выполненна оценка пх величины. В ходе обработки данных измерений наряду с параметрами А и R вычислялся поляризационный параметр Р . Результаты для одного значения импульса пионов представлены на рпс.5 имеете с данными наших предыдущих измерений, выполненных с использованием поляризованной мшненн с вертикальной ориентацией вектора поляризации протонов [V.S.Bekrenev et al.// Nucí. Pliys., 1981, A364, p.515]. Результаты измерений сравниваются с предсказаниями ПВА ПИЯФ92 и новым анализом Вирджинского политехнического института SP98.

Рис.5. Сравнение наших результатов для параметра Р~ (черные кружки) при импульсе пленного пучка рт- — 573 МэВ/с с предсказаниями ПВА и результатами работы [V.S.Bekrenev et al.,I981¡. Штрих-пунктирная линия -предсказания ПВА ПИЯФ92, сплошная линия с утолщениями-предсказания - нового (1998 г) анализа Вирджинского

©7г(им)политехНического института SP98. Конрад) сыми Крестами обозначены результаты измерений [V.S.Bekrenev et al.,1981], полученные с использованием поляризованной протонной мишени с вертикальным направлением вектора поляризации.

Из рис.5 видно удовлетворительное согласие экспериментальных данных между собой и с предсказаниями ПВА. Сопоставление результатов

21

двух независимых: измерений параметра Р показывает, что если и существует систематическое расхождение, то оно не превышает величины 0,10 - 0,15. Это согласуется с выполненными оценками возможных систематических ошибок.

Глава III посвящена описанию эксперимента по измерению параметров А+ и выполненного на ускорителе ИТЭФ.

D параграфе III.1. приведены характеристики используемого пионно-го пучка протонного синхротрона ИТЭФ. Число положительных пионов в пучке составляло ~ 4 х 105 тг4"/сброс при интенсивности в ускорителе ~ 2 х 1011 р/сброс. Время растяжки сброса 1-2 с, частота цпклов ускорителя 9-18 цикл/мин.

В параграфе III.2. кратко описана установка СПИН-JIM коллаборации ПИЯФ-ИТЭФ, включающая поляризованную иропандиоловую мишень, поляриметр ПОИСК-2 п трековые детекторы для регистрации пионов.

Рис.6. Схема экспериментальной установки СПИН-ЛМ для измерения параметров Л, Я и Р.

Здесь; Т - поляризованная мишень; ПОИСК-2 - многопластинчатый протонный поляриметр на основе искровых камер с телевизионным съемом информации; МИК - проволочные искровые камеры с магнитострикцион-ным съемом информации; Сюг, С1 — Сю - сцинтилляционные счетчики; НС-пучковые гибридные камеры.

В установке СПИН-ЛМ [2,13] для регистрации треков рассеянных пионов использовалось 9 магнптострпкцпонных камер. Плоскости камер располагались параллельно ппонному пучку. Система пнонных камер перекрывала угол 20° по горизонтали п угол 30° по вертикали. Две первые

камеры располагались вплотную к кожуху поляризованной мишени и работали в области рассеянного магнитного поля.

Траектории кинематически сопряжепных протонов отдачи регистрировались поляриметром ПОИСК-2, содержащим 20 искровых камер размером 0,53x0,53 м2 со сплошными электродамп [13,14.15]. Поскольку поляриметр располагался на значительном расстоянии от поляризованной мишени ~1,4 м, перед поляриметром размещалась система из четырех двухкоордпиатных проволочных искровых камер с магпитострихциои-ным съемом информации размером 0,25x0,25 м2, которая служила как для уточнения точки рассеяния пиона в мшпенп, так и для более точного определения угла вылета протона отдачи. Мастернып импульс, который давал разрешение на считывание трековой информации с гибридных, магнптострикцпонных и оптических камер (всего 76 координат), формировался при наличии совпадений счетчиков, указанных на рис.6. ао/ X С! X С2 X ^ X ^ X С5 X С6 X [Су + С8 + Сд] х иГо ■

Установка позволяла регистрировать до 12 соб/с. Запись информации производилась на МЛ, ее обработку в линию и контроль за набором событий обеспечивала ЭВМ ЭРА-347.

Специальная программа обработки накапливаемой информации "в линию" выполняла анализ регистрируемых в поляриметре ПОИСК-2 событий с выделением случаев рассеяния протонов отдачи на графитовых пластинах и строила заданные оператором распределения. Эта же программа вычисляла эффективность пскровых промежзтков поляриметра.

Система приоритетов обеспечивала гарантированную запись поступа-ощей информации на МЛ за счет принудительного ограничения времени заботы анализирующих программ при возрастании скорости потока дан-1ых. При реальных загрузках обеспечивался анализ всех 100% событий три использованпп лишь 30% процессорного времени.

Окончательная обработка данных выполнена после завершения эксперимента на вычислительном комплексе ОФВЭ ПИЯФ.

В параграфе Ш.З. приведен расчет и характеристики поляриметра ЮИСК-2 для протонов с энергиями в интервале Тг = 400-1600 МэВ. 3 поляриметре ПОИСК-2 использованы пскровые камеры с телевпзион-1ым съемом информации п многоиластпнчатая структура углеродного

анализатора. Его характеристики приведены в таблице 3.

Энергия протона в точке рС-расссянпя оценивалась по длине его пробега в веществе от точки тгр-рассеянпя в поляризованной мишени. Неопределенность в вычислении энергии рассеявшихся протонов не превышала ~ 20 МэВ. Это соответствует точности, с которой известна величина и энергетическая зависимость анализирующей способности рС-рассеяния в этой области энергий.

Поляриметр ПОИСК-2 отработал более чем 1000 часов в процессе набора экспериментальных данных, его характеристики оказались близкими к расчетным.

В параграфе Ш.4. кратко описана методика обработки полученной информации, которая во многом сходна с использованной при обработке эксперимента в ПИЯФ.

В параграфе Ш.5. приведены результаты измерений параметров А+ и и выполнена оценка величины систематических погрешностей. После обработки записанной информации с учетом всех критериев отбора для вычисления параметров оставлено 5562 события. В таблице 6 для двух угловых интервалов приведены полученные значения А, Р и | Л |. Для параметра Я определена только абсолютная величина, как это следует из соотношения (5): |Я| = \/1 - А2 - Р2.

Таблица б

cos(0^) А+ Р+ |Я+|

-0,604 127° -0,14(0,20) 0,52(0,10) 0,84(0,07)

-0,675 133° -0,58(0,20) 0,47(0,11) 0,67(0,19)

В таблице приведены лишь статистические погрешности. Поскольку параметры Л и i? в исследуемой области измерялись впервые, то сравнение с предыдущими экспериментами оказалось возможным провести только для параметра Р4, который измерялся одновременно с измерением параметров А и Я. На рис.7 результаты наших измерений параметра Р+ для импульса ппонного пучка р = 1,43 ГэВ/с сравниваются с результатами работы [J.F.Martin et al. // Nucí. Phys., 1975, B59, p.253] для импульса рт+ = 1,439 ГэВ/с и работы [M.G.Albrow et al. // Nucí. Phys., 1970, B25, p.9] для импульса ря+ = 1,46 ГэВ/с. Видно, что результаты наших измерений согласуются в пределах ошибок с предыдущими измерениями. Это указывает на то, что систематические ошибки в измерении параметра Р+ невелики.

Р+

0.8

0.6'

0.4

0.2

0.2

• - this work □ - Martin et ol. Д - Albrow cl ol.

à V

i 4 F

100

120

140

"î

©„■(цм)

.. i . . (град) 160 180

Рис.7. Результаты измерения поляризации Р+ в упругом гг+р-рассеянни при импульсе пион-ного пучка р,+ = 1,43 ГэВ/с. Кружками отмечены наши результаты, квадратами — данные из работы [J.F.Martin et al., 1975], треугольниками обозначены данные из работы [M.G.Albrow et al.,1970].

Поскольку вычисления параметров Р+ и выполнены с использованием одного и того же статистического материала, то, следовательно, систематические ошибки измерения параметра А+ также невелики.

-1,0

Рис.8. Результаты измерения параметра вращения спина А+ в упругом тг+р-рассеянии на угол 0»(цм) = 127°. Сплошная линия - предсказания ПВА ЭМ90 для зависимости параметра А+ от импульса, штриховая линия — предсказания ПВА СМВ, пунктирной линией показаны предсказания ПВА КА84.

На рис.8 и рис.9 полученные нами результаты (табл.С) для параметра А+ сравниваются с предсказаниями трех ПВА, которые были выполнены до нашего эксперимента. В выбранном для измерений угловом интервале предсказания ПВА для параметра Л+ имеют наибольшее различие в нн-

о

о

тсрвале импульсов пионов от 1,2 до 1,8 ГэВ/с. Из сравнения полученных результатов измерений параметра вращения спина Л4 с предсказаниями ПВА следует, что в пределах ошибок имеется согласие с предсказаниями ПВА Вирджинского политехнического института SM90. Разногласие с предсказаниями ПВА КА84 и ПВА СМВ превышает три стандартных отклонения.

Рис.9. Результаты измерения параметра вращения спина А+ в упругом ¡г+р-рассеянии на угол ©„(им) = 133°. Сплошная линия - предсказания ПВА вМ90 для зависимости параметра А+ от импульса, штриховая линия - предсказания ПВА СМВ, пунктирной линией показаны предсказания ПВА КА84.

Глава IV посвящена обсуждению результатов измерений.

В параграфе IV.1. выполнено сравнение результатов измерений параметров А~ ий"с предсказаниями существующих ПВА. Показано, что полученные в эксперименте зависимости параметров Л~ и от импульса пионного пучка и от угла рассеяния пионов позволяют сделать однозначный выбор решений ПВА в первой резонансной области я~р-рассеяния.

Из наших измерений следует (см. рис.10 а), что в первой резонансной области 7г~р-рассеяння для углов рассеяния пионов в заднюю полусфер}' (0х(цм) > 120°) параметр Л~ имеет положительный знак и его абсолютная величина превышает 0,5. Это полностью исключает те решения ПВА, существовавшие до наших измерений, которые предсказывали для Я~ отрицательные значения в этой области кинематических переменных.

Из рис.10 б видно, что параметр А" имеет положительный знак и по абсолютной величине не превышает 0,3-0,5 во всей исследованной области.

1,0.

A"

0,5

| р,(ГэВ/с)

■ 0,5

- 1,0

Г у

\ [ 1 ft fjEb

1 10.2 0.4 V I 1 0.8

II б)

Рис.10 а-б). Результаты измерения параметров R- и А" в упругом 7г~р-рассеянии на угол 0„(цм) = 130°.

Ромбами показаны результаты наших измерений при (о = +10"), квадратами - наши результаты при (а = -35°), треугольниками - результаты, полученные в ЛАМПФ.

Сплошная линия - предсказания ПВА SM95, штрих-пунктирная линия - предсказания ПВА ПИЯФ, штриховая линия - предсказания ПВА СМВ, пунктирная линия - предсказания ПВА КА84.

D параграфе IV.2. на рнс.8 п рпс.9 приведены наши данные в сравнении с предсказаниями ПВА для зависимости А+ от импульса. Очевидно, что предсказания ПВА КА84 п СМВ противоречат полученным нами результатам (расхождение превышает три стандартных отклонения), в то время как предсказания анализа SM90 согласуются с ними в пределах ошибок. На рис.11 результаты наших измерений [16,17] сравниваются с предсказаниями ПВА для угловой зависимости параметра А+ при импульсе ппонного пучка Рг+ = 1,43 ГэВ/с. Из рпс.11 видно, что различия в предсказаниях ПВА наиболее существенны в интервале углов ОДцм) = 120 - 150°, который н был выбран нами для измерений после предварительного анализа экспериментальной ситуации. Наши результаты противоречат предсказаниям ПВА КА84 п СМВ для угловой зависимости А+ и согласуются как с величиной, так и с угловой зависимостью параметра А+, предсказанной ПВА SM90. Предсказания ПВА SM95 также совпадают в пределах ошибок с нашими результатами для А+.

1,0-

Рис.11. Результаты измерения параметра А+ в упругом тг+р-рассея1п при импульсе пнонного пучка р„+ = 1,43 ГэВ/с. Кружками показаны результаты наших измерений. Сплошная линия - предсказания ПВА 5М90, сплошная линия с кружками — предсказания ПВА БМЭБ, штриховая линия -предсказания ПВА СМВ, пунктир-ф ная линия - предсказания ПВА Наши результаты в пределах ошибок согласуются как с предсказаниями ПВА БМЭО, выполненного до наших измерений, так с предсказаниями ЭМ95, который использовал результаты наших измерений.

В работе [5] нами была реализована попытка выяснить, действительно ли причиной разногласия нашпх результатов н предсказаний глобальных анализов КА84 и СМВ является с дискретная неоднозначность процедуры ПВА.

- 0,5

-1,0

150 ®г(цм) (град.)

-0,5

-1,0

Рис.12. Сравнение результатов измерений параметра А+ в упругом л'+р-рассеянии при импульсе пионного пучка р„+ =1,43 ГэВ/с с предсказаниями СМВ из авторской работы (сплошная линия) и предсказаниями, полученными нами в работе [5] (штриховая линия) после инверсии точки р,+ =1,43 ГэВ/с траектории IV (рис.1 б) ) относительно физической области.

На рпс.12 из работы [5] приведено сравнение наших результатов для А+ с двумя вариантами предсказаний ПВА СМВ. Сплошной линией показаны предсказания ПВА СМВ из авторской работы, а штриховой линией - полученные нами [5] предсказания ПВА СМВ(шу.) после инверсии точ-

28

ки Pj.+ = 1,43 ГэВ/с траектория нулей амплитуды, обозначенной римской цифрой IV на рпс.1 6), относительно физической области.

Как видно из рис.12 предсказания ПВА CMB(inv.) в пределах ошибок описывают величину и угловую зависимость экспериментальных данных. Аналогичный результат был получен для ПВА КА84.

На примерах, рассмотренных в параграфе IV.2. диссертацпп, показана необходимость учета поведения траекторий нулей амплитуды прп планировании дорогостоящего эксперимента по измерению параметров А и R. Так, если бы измерения параметров А+ и R+ были выполнены при этом же импульсе ппонного пучка, но в области углов (0х(цм)~1О5-11О°), соответствующих максимуму дифференциального сечения упругого тг+р-рассеяния при импульсе пионного пучка р^ = 1,43 ГэВ/с, то скорость счета событий была бы выше и измерения потребовали бы меньших усилий. Однако в этой области углов нет проблемы инверсии траекторий нулей амплитуды (см. рпс.1 а-в), и после измерений параметров А и R было бы практически невозможно сделать выбор между предсказаниями разных ПВА.

В параграфе IV.3. рассмотрены другие области кинематических переменных, где необходимо выполнить измерения параметров А и R для окончательного решения проблемы дискретной неоднозначности 7ГN-амплптуды. Из этого рассмотрения следует, что для полного решения проблемы дискретных неоднозначностей 7гД7-амплитуды экспериментально значимыми будут измерения параметров вращения спина по крайней мере в двух областях импульсов пионного пучка Р* = 0,9-1,1 ГэВ/с и Рт = 1,65-2,2 ГэВ/с. Из данных, приведенных в Review of Particle Properties, видно, что указанные области импульсов как раз соответствуют второй резонансной области тг~р-рассеянпя и, соответственно, первой п третьей резонансным областям тг+р-рассеяния, где параметры вращения спина А и Я еще никем не измерялись.

НА ЗАЩИТУ ВЫДВИГАЮТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

о В результате исследований, выполненных диссертантом и соавторами, впервые в мире измерены параметры вращения сппна А и Л в первой и второй резонансных областях тгАг-рассеяппя. Обеспечена надежность полученных экспериментальных данных, для оптимального планирования измерений использована вся доступная из литературы информация.

о Разработана и создана установка для измерения параметров вращения спина А и Ли одновременного измерения поляризационного параметра Р. Установка включает поляризованную пропандиоловую мишень с динамической накачкой поляризации, протонный поляриметр, трековые детекторы для регистрации пионов пучка и рассеянных пионов, сцин-тилляционные счетчики, систему электроники, комплекс программ для записи и обработки информации. Созданная установка позволяет измерять параметры А, Л и Р во всей резонансной области 7гр-рассеяния в широком интервале углов.

о Впервые в эксперименте по измерению параметров вращения спина определялись траектории всех трех частиц, т.е. пионов пучка, рассеянных пионов и протонов отдачи. Обеспечена точность измерения углов не хуже 0,5°, восстанавливались координаты точки взаимодействия в веществе поляризованной мишени. Это повысило надежность выделения случаев упругого рассеяния.

о Разработан и создан млогопластинчатый углеродный поляриметр ПОИСК-1, оптимизированный для измерения поляризации протонов с энергиями в диапазоне Тр — 100-400 МэВ. Для регистрации треков протонов использовались искровые камеры с телевизионным съемом информации. Конструкция поляриметра позволяла в ходе эксперимента оптимизировать геометрию углеродных пластин в зависимости от энергии регистрируемых протонов отдачи. Величина полного пробега протонов с энергией Тр <300 МэВ использовалась как дополнительный критерий при отборе случаев упругого 7ф-рассеяния.

о Разработан и создан многопластинчатый углеродный поляриметр ПОИСК-2, оптимизированный для измерения поляризации протонов с энергиями в диапазоне Тр = 400-1600 МэВ. Для регистрации треков проза

тонов попользовались искровые камеры с телевизионным съемом информации. Использованпе многопластипчатой структзгры позволило надежно выделить однотрековые события и определять энергию протона в точке анализирующего рС-рассеяния.

о Развит подход к планированию измерений параметров вращения спина Л и Л на основе рассмотрения предсказаний парцнально-волновых анализов, построения траекторий нулей тгУУ-амплптуды, определенной из этих анализов, и выявления областей кинематических переменных, где возможны ветвления этих траекторий.

о Планирование измерений параметров А и R выполнено в резонанс-eiou области 7гр-взанмодействия (до импульсов пионного пучка Рт = 2 ГэВ/с). Для измерений выбрана область углов рассеяния назад в интервале импульсов пионов рж- = 573-726 Мэв/с и область углов рассеяния назад вблизи максимума сечения упругого 7г+р-рассеянпя (рж+ = 1,43 Г'эВ/с).

о Выполнена оптимизация экспериментальной установки с целью од-юзначного определения величин параметров А и R в выбранных обла-:тях кинематических переменных при минимальных затратах ускорительного времени.

о Параметры А~ и R~ измерены в экспериментах на пионном пуч-:е синхроциклотрона ПИЯФ в области резонансов 5ц(1535), Рц(1440) и ?1з(1520) при 22 значениях кинематических переменных (р, cos <Э(цм)). )то позволило определить импульсную и угловую зависимости параме-ров А~ п R~ и практически разрешить вопрос о дискретной неодно-начности ttjV-амплитуды в области импульсов = 573-726 МэВ/с. )ти результаты использованы в новых ПВА: ПИЯФ92, SM90, SM95.

о Выполнены измерения параметров А+ и | R+ | на пионном пучке скорителя ИТЭФ в области резонансов 53i(1900), F35(1905), Лц(1910), J33(1920), Г>з5(1930), D33(1940) и Р37(1950). Это позволило сделать выбор :ежд}' противоречащими друг другу ПВА КА846 СМВ и ПВА SM90. [аши результаты показали правильность предсказаний ПВА SM90 и ключены в новый ПВА SM95, который подтвердил вывод предыдуще-э ПВА SM90 этой же группы об отсутствии Д-резонансов 5',ц (1900), зз(1920) и 0зз(1940) в упругом канале.

31

о Во всех случаях одновременно с измерением параметров А и Л измерялся поляризационный параметр Р. Из сравненпя результатов наших измерений параметра Р с измерениями, выполненными другпм методом, следует, что спстематичесая ошибка наших измерений, связанная с измерением поляризации протонов отдачи, не превышает указанных для параметров А п Л статистических ошибок.

о Полученные нами результаты позволяют утверждать, что различия в траекториях нулей (в интервале пмпульсов пионного пучка = 1,21,8 ГэВ/с), построенных для амплитуд А3/>2, получаемых в ПВА КА84, СМВ и БМ90, связаны с дискретной неоднозначностью процедуры ПВА. Наши измерения параметра А+ позволили снять проблему дискретной неоднозначности в этом интервале пмпульсов.

о Метод планирования эксперимента с учетом характерных особенностей траекторий нулей 7Г^-амплитуды, нацеленный на получение однозначного физического результата при минимальном количестве измерений, оправдал себя при измерениях параметра А+ во второй резонансной области 7г+р-рассеяния.

о Из выполненного анализа предсказаний трех глобальных ПВА КА84, СМВ и БМ95 для параметров вращения спина Л и Л, а также и-поведения соответствующих траекторий нулей тг./У-амплитуды следует что для окончательного разрешения возможных дискретных неоднозначностей в резонансной области тпУ-взапмодействия необходимо измерит! параметры А и й в области импульсов пионов р~ = 0,8-1,1 ГэВ/с пр, = 1,8-2,2 ГэВ/с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

[1] В.В.Сумачеа. Обзор экспериментальной ситуации в упругом ппоп-протопном рассеянии. // Труды третьего международного симпозиума "Ппон-пуклоппые и нуклон-нуклонные взаимодействия", ЛИЯФ, Гатчина, 17-22 апреля 1989 года. С.150-172.

[2] В.В.Абаев, И.Г.Алексеев, В.С.Бекренев, Ю.А.Белоглазое, П.Е.Будковский, В.П.Канавец, А.И.Ковалев, Н.Г.Козленко, Л.И.Королева, С.П.Круглое, А.А.Кулбардие, Л.В.Лапочкина, И.И.Лееинтоа, И.В.Лопатин, В.И.Мартынов, Б.В.Морозов, В.М.Нестеров, В.В.Платонов, В.В.Рылъцов, В.А.Сахаров, Д.Н.Свирида, А.В.Сосков, А.Д.Сулимое, В.В.Сумачев,

В.Ю. Траутиан, Е.А. Филимонов. Проект эксперимента по измерению параметров вращения еппна ЛпЛп упругом тгр-рассеянпп в области энергий (1000 - 2000) МэВ. // Препринт ИТЭФ 34-90, 1990, 20 с.

[3] В.В.Абаев, Л.А.Бажанов, В.С.Бекренев, Ю.А.Белоглазое,

A.И.Ковалев, Н.Г.Козленко, С.П.Круглое, А.А.Кулбардие, И.В.Лопатин,

B.В.Поляков, В.В.Сумачев, И.И.Ткач, В.Ю.Траутман,

Э.П. Федорова-Коваль, Е.А.Филимонов, А.В.Шведчиков. Измерение параметров вращения еппна Л и А в упрзтом 7г~р-расссянпп при энергиях 450 и 560 МэВ. // Ядерная физика, 1988. Т.48. С.1338-1348.

[4] В.В.Сумачев, В.В.Абаев, И.Г.Алексеев, Н.А.Бажанов, В.С.Бекренев, К).А.Белоглазое, М.Б.Бобченко, П.Е.Будковский, В.В.Журкии, В.П.Канавец, А.И.Ковалев, Н.Г.Козленко, Л.И.Королева, С.П.Круглое, А.А.Кулбардие, И.В.Лопатин, В.И.Мартынов, Б.В.Морозов, В.М.Нестеров, В.В.Платонов, В.В.Рылъцов, В.А.Сахаров, Д.Н.Свирида. А.Д.Сулимое. В.Ю.Траутман. Е.А.Филимонов. В.А.Щедрое. Измерение параметра зращения еппна А+ в упругом 7Г+;ьрассея1ши прп импульсе пионпого пуч-ха 1,43 ГэВ/с. // Препринт ПИЯФ-1992, Гатчина, 1994. 20 с.

[5] V. V.Sumachev, V.V.Abaev. N.A.Bazhanov, Yu.A.Beloglazov, E.A.Filimonov, A.I.Kovalev, N.G.Kozlenko. S.P.Kruglov, A.A.Kulbardis, I.V.Lopatin, V.A.Shchedrov, V.Yu.Trautman. LG.Alekseev, D.M.Bohehenko, P.E.Budkovsky, V.P.Kanavets, L.I.Koroleva, V.I.Martynov, B.V.Morozov. V.M.Nesterov. V.V.Platonov, V.V.Ryltsov, V.A.Sakharov. A.D.Sulimov,

D.N.Svirida, V. V.Zhurkin. Measurements of the spin rotation parameters A and R in the elastic pion-proton scattering in the second resonance region (0.9-1.9) GeV/c. // Proceedings of the VI Workshop on High Energy Spin Physics, Protvino, Sept.18-23, 1995. V.II. Pp.100-113.

[6] I.V.Lopatin, V.V.Abaev, N.A.Bazhanov, V.S.Bekrenev, Yu.A.Beloglazov, E.A.Filimonov, A.I.Kovalev, N.G.Kozlenko, S.P.Kruglov, A.A.Kulbardis, L. V.Lapochkina, V. V.Polyakov, V.A.Shchedrov, A.V.Shvedchikov, V.V.Sumachev, I.I.Tkach,

V. Yu. Trautman. Measurements of the spin rotation parameters R and A in 7rp elastic scattering and a test of ttN partial-wave analysis in the region of low-lying Pn, Su and Z>i3-resonances. // Nucl.Phys., 1994. V.A567. Pp.882892.

[7] V.S.Bekrenev, Yu.A.Beloglazov, E.P.Fedorova-Koval,

E.A.Filimonov, V.G.Gaditsky, A.I.Kovalev, N.G.Kozlenko, S.P.Kruglov, A.A.Kulbardis, I.V.Lopatin, V.V.Polyakov, V.V.Sumachev, I.I.Tkach, V.Yu.Trautman. First measurements of the spin rotation parameters R and A in тгр elastic scattering in the region of low-lying pion-nucleon resonances. // J.Phys.G: Nucl.Phys., 1987. V.13. Pp.L19-L22.

[8] И.В.Лопатин, В.В.Абаев, И.А.Бажанов, В.С.Бекренев, Ю.А.Белоглазое, А.И.Ковалев, Н.Г.Козленке, С.П.Круглое,

A.А.Кулбардис, Л.В.Лапочкина, В.В.Поляков, В.В.Сумачев, И.И.Ткач, В.Ю.Траутман, Е.А.Филимонов, А.В.Шведчиков,

B.А.Щедрое. Измерение параметров вращения спина Л и А в упругом ir~p рассеянии в области Рц, 5ц, Оу-резонансов и порога образования rj мезона. // Препринт ПИЯФ-1816, Гатчина, 1993, 21 с.

[9] V.V.Sumachev. Measurements of the spin rotation parameters A and R in тгр elastic scattering at 573-725 MeV/c and baryon spectroscopy development in the resonance region below 2 GeV/c. // Proceedings of the National Conference on Physics of Few-Body and Quark-Hadronic Systems, Kharkov, Ukraine, June 1-5, 1992. Pp.27-33.

[10] А.В.Ануфриев, В.С.Бекренев. Ю.А.Белоглазое. Г.Е.Гаерилов, В.Г.Гадицкий, С.П.Круглое, А.А.Кулбардис. И.В.Лопатин, В.В.Сумачев, И.И.Ткач, Э.П. Федорова-Коваль. Е.А.Филимонов. Установка для измерения параметров вращения спина R п А в упругом п~р-рассеянии. // Препринт ЛИЯФ-1160, Ленинград, 198G, 29 с.

[11] А.В.Ануфриев, В.С.Бекренев, Ю.А.Белоглазое. В.Г.Гадицкий,

С.П.Круглое, А.А.Кулбардис, И.В.Лопатин, В.В.Сумачев, Э.П. Федорова-Коваль, Е.А.Филимонов. Поляриметр из оптических искровых камер с телевизионным съемом информации. // Препринт ЛИЯФ-1151, Ленинград, 1985 г., 30с.

[12] С.П.Круглое, В.В.Сумачев. Анализирующая способность углерода и алюминия и основные требования к искровым камерам для измерения поляризации протонов. // Всесоюзное Совещание по поляризационным явлениям в ядерной физике, Харьков, 19-21 окт., 1967г. С.61-64.

[13] Н.А.Бажанов, В.С.Бекренев, Ю.А.Белоглазое, А.И.Ковалев, Н.Г.Козленке, С.П.Круглое, А.А.Кулбардис, Л.В.Лапочкина, И.В.Лопатин, А.Б.Старостин, В.Ю.Траутман, В.В.Сумачев, Е.А.Филимонов, В.А.Щедрое. И.Г.Алексеев, М.Б.Бобченко, П.Е.Будковский, В.В.Журкин, В.П.Канавец, Л.И.Королева, В.И.Мартынов, Б.В.Морозов, В.М.Нестеров, В.В.Платонов, В.В.Рылъцов, В.А.Сахаров, Д.Н.Свирида, А.Д.Сулимое. Установка для пзмеренпя параметров вращения еппна An Rb упругом пион-протонном рассеянии "СПИН-ЛМ". // Препринт ИТЭФ No 52-94, 1994, 22 с.

[14] Yu.A.Beloglazov, V.V.Sumachev, I.G.Alekseev, D.N.Svirida. Polarimeter for protons with energies 0.4-1.6 GeV on base of the spark chambers with automatic television data acquisition. // Proceedings of the VI Workshop on High Energy Spin Physics, Protvino, Sept.18-23,1995. V.II. Pp.203-206.

[15] I.G.Alekseev, Yu.A.Beloglazov, V.V.Sumachev, D.N.Svirida. Optimum multi-plate carbon polarimeters for protons in the energy range 0.1-0.4 and 0.4-1.6 GeV. // Proceedings of the 12th Int. Symp. on High-Energy Spin Physics (SPIN96), Sept. 10-14, 1996. Amsterdam. The Netherlands. Pp.828829.

[16] В.В.Абаев, И.Г.Алексеев, Н.А.Бажанов, В.С.Бекренее, Ю.А.Белоглазое, М.Б.Бобченко, П.Е.Будковский, В.В.Журкин,

B.П.Канавец, А.И.Ковалев, Н.Г.Козленко, Л.И.Королева,

C.П.Круглое, А.А.Кулбардис, И.В.Лопатин, В.И.Мартынов, Б.В.Морозов, В.М.Нестеров, В.В.Платонов, В.В.Рылгщов, В.А.Сахаров, Д.Н.Свирида, А.Д.Сулимое, В.В.Сумачев. В.Ю.Траутман. Е.А.Филимонов, В.А.Щедрое. Измерение параметра вращения спина А+ в упругом 7г+р-рассеянпи при 1,43 ГэВ/с. // Ядерная физика, 1995. Т.58. С.1635-1641.

[17] V.V.Abaev, N.A.Bazhanov, Yu.A.Beloglazov, E.A.Filimonov, A.I.Kovalev, N.G.Kozlenko, S.P.Kruglov. A.A.Kulbardis, I.V.Lopatin, V.A.Shcliedrov, V.Yu.Trautman, I.G.Alekseev, B.M.Dobchenko, P.E.Dudkovsky, V.P.Kanavets, L.I.Koroleva, V.I.Martynov, B.V.Morozov, V.M.Nesterov. V.V.Platonov, V.V.Ryltsov, V.A.Sakharov, A.D.Sulimov,

D.N.Svirida, V. V.Zhurkin. Measurements of the spin rotation parameters A+ in the elastic scattering of positive protons on a longitudinally-polarized proton target in the second resonance region. // Pliys.Lett., 1995. V.B351. Pp.585-590.

[18] V. V.Sumachev. Spin rotation parameter A and R measurements and the problems of the ir^-amplitude unambiguous reconstruction in the second resonance region. // Proceedings of the 12th Int. Symp. on High-Energy Spin Physics (SPIN96), Sept. 10-14, 1996. Amsterdam. The Netherlands. P.657.

[19] V.V.Sumachev, V.V.Abaev, N.A.Bazhanov, Yu.A.Beloglazov,

E.A.Filimonov, A.I.Kovalev, N.G.Kozlenko, S.P.Kruglov, A.A.Kulbardis, I.V.Lopatin, A.V.Shvedchikov, V.Yu.Trautman, I.G.Alekseev, B.M.Bobchenko, P.E.Budkovsky, V.P.Kanavets, L.I.Koroleva, V.I.Martynov, B.V.Morozov, V.M.Nesterov,

V.V.Ryltsov, A.D.Sulimov, D.N.Svirida, V.V.Zhurkin. The spin rotation parameters A and R as a test of ttN partial wave analysis in the first and second resonance regions (0.45-1.9 GeV). // Proceedings of the VII Workshop on High-Energy Spin Physics, July 7-12, 1997, Dubna, Russia. E2-97-413, 1997. Pp.283-287.

> ' '

/ г '

47 , ( ^

Российская Академия наук Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова

Президиум ВАК России

(решение от " " 19 12 г., №

присудил ученую степень ДОК А чХ': *

Начальник управления ВАК Т1:^

На правах рукописв

УДК, 539.126.34

' 7

Сумачев Викторин Владиславович

Измерение параметров вращения спина А и Я в упругом 7гр-рассеянии в области пион-нуклонных резонансов

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................4

ГЛАВА I. Обзор экспериментальной ситуации и выбор области измерений.

1.1. Спектр барионных резонансов с нулевой странностью.........11

1.2. Эксперименты, необходимые для однозначного определения спектра барионных резонансов с нулевой странностью....................20

1.3. Использование метода траекторий нулей 7гАг-амплитуды при планировании экспериментов по измерению параметров А и R...........25

1.4. Краткий обзор ранее выполненных измерений параметров вращения спина А и R......................................................30

1.5. Выбор области кинематических переменных (р, cos в) для измерений параметров А и R..............................................35

ГЛАВА II. Эксперимент по измерению параметров А~ и R~ в упругом рассеянии отрицательно заряженных пионов протонами.

II. 1. Пионный пучок синхроциклотрона ПИЯФ....................41

И.2. Экспериментальная установка для измерения параметров вращения спина А и R......................................................46

11.3. Расчет поляриметра ПОИСК-1 для протонов с энергией в интервале Тр = 100-400 Мэв и его характеристики.........................57

11.4. Набор экспериментальных данных, обработка информации. . 65

11.5. Результаты измерений параметров А~ и R~ в первой резонансной

области упругого 7г р-рассеяния.....................................79

ГЛАВА III. Эксперимент по измерению параметров А+ и R+ в упругом рассеянии положительно заряженных пионов протонами.

III. 1. Пионный пучок ускорителя ИТЭФ...........................90

111.2. Экспериментальная установка СПИН-JIM...................96

111.3. Расчет и характеристики поляриметра ПОИСК-2 для протонов с энергией в интервале Тр = 400-1600 МэВ..........................108

111.4. Набор экспериментальных данных, обработка информации. 114

111.5. Результаты измерений параметров А+ и R+ во второй резонансной области упругого 7г+р-рассеяния.................................120

ГЛАВА IV. Обсуждение результатов измерений.

IV. 1. Сравнение результатов измерений параметров А~ и R~ с предсказаниями парциально-волновых анализов..........................125

IV.2. Сравнение результатов измерений параметров А+ и R+ с предсказаниями парциально-волновых анализов.........................147

ГУ.З. О необходимости измерений параметров А~, R~, А+, R+ в других областях кинематических переменных...........................153

Заключение...................................................161

Литература....................................................167

Введение

Целью настоящей работы являлось разработка и практическое осуществление экспериментов по надежному измерению параметров вращения спина А и Я. Эти измерения в первой резонансной области 7г~р-взаимодействия и во второй области 7г+р-взаимодействия выполнены впервые в мире.

Измерение параметров вращения спина А ж Я в упругом пион-протонном рассеянии является частью комплексной программы исследования взаимодействия пионов с нуклонами, которая начала реализо-вываться в начале 70-х годов в ПИЯФ имени Б.П. Константинова РАН. К тому времени были выполнены первые фазовые анализы и стала очевидна необходимость систематических измерений наблюдаемых в пион-нуклонном рассеянии для однозначного восстановления пион-нуклонных амплитуд. В свою очередь без использования пион-нуклонных амплитуд невозможно восстановление спектра пион-нуклонных резонансов и однозначное описание процессов электромагнитного взаимодействия адронов.

Для осуществления программы исследования пион-нуклонного взаимодействия в ПИЯФ был создан высокоинтенсивный пионный канал, позволяющий получать пионы с импульсами вплоть до Рж =750 МэВ/с, изготовлены сцинтилляционные и трековые детекторы, разработан комплекс программ для обработки результатов измерений и выполнения фазового анализа, сконструированы жидководороднодейтериевая и поляризованные мишени.

Измерение параметров вращения спина А я. Я стало практически возможным в 70-е годы после разработки сверхпроводящих соленоидов и поляризованных протонных мишений с горизонтальным расположением

вектора поляризации свободных протонов мишени, конструирования высокоэффективных поляриметров протонов отдачи с автоматическим съемом информации и появления мощных вычислительных машин для обработки результатов измерений.

Для выполнения экспериментальной задачи измерения параметров А~ и ВТ в первой резонансной области упругого рассеяния отрицательных пионов на протонах в ПИЯФ была изготовлена установка, включающая пропандиоловую мишень в сверхпроводящем соленоиде, многопластинчатый углеродный поляриметр ПОИСК-1 для протонов с энергиями Тр =100-400 МэВ, проволочные искровые камеры для регистрации треков рассеянных пионов и сцинтилляционные счетчики триггерной системы. Треки протонов в поляриметре регистрировались с помощью автоматической телевизионной системы съема информации.

После успешного завершения экспериментов по измерению параметров А~ и К" для упругого 7гр-рассеяния в первой резонансной области, была предложена новая программа измерений параметров вращения спина А и В, во второй резонансной области (Рж = 0,9-1,9 ГэВ/с). Она изложена в докладе на третьем международном симпозиуме " Пион-нуклонные и нуклон-нуклонные взаимодействия" (Гатчина, 17-22 апреля 1989 года) [1]. В дальнейшем эта программа [2] получила поддержку научно-технического совета Института теоретической и экспериментальной физики (г.Москва). В ПИЯФ был сонструирован и изготовлен новый протонный поляриметр ПОИСК-2 , оптимизированный для измерения поляризации протонов с энергиями Тр — 400-1600 МэВ. Созданная в ПИЯФ установка была перевезена в ИТЭФ и явилась основой установки СПИН-ЛМ коллаборации ПИЯФ-ИТЭФ. К настоящему времени сотрудничеством ПИЯФ-ИТЭФ выполнены измерения параметров вращения спина А+ и

В+ при импульсе пионов (Рж+ = 1,43 ГэВ/с) , соответствующем максимуму сечения упругого 7г+р-рассеяния во второй резонансной области. До нашего эксперимента измерений параметров А и Я во второй резонансной области 7г^-взаимодействия не проводилось.

За всю историю измерений параметров вращения спина А ж Я было выполнено пять экспериментов, для этой цели были сконструированы и использовались всего три экспериментальные установки, включая описываемую в данной работе. Этими экспериментами являются в порядке появления публикаций: эксперимент коллаборации САКЛЕ-ЦЕРН при импульсах Рж = 6 и 16 ГэВ/с (год публикаций 1972) [3]; эксперимент колаборации САКЛЕ-ИФВЭ-ОИЯИ-ИТЭФ при импульсах пионов 40 и 45 ГэВ/с (год публикаций 1976) [4]; эксперимент группы ПИЯФ в интервале импульсов пионов, перекрывающем область Рп, 5ц и Р>1з резонансов (год публикации 1988) [5]; эксперимент в области, включающей Рзз(1232) резонанс и частично Рц(1440) резонанс, выполненный коллаборацией в составе Лос-Аламосской национальной лаборатории-Абиленского христианского университета-Калифорнийского университета-Университета им.Дж.Вашингтона (год публикации 1993) [6]; эксперимент коллаборации ПИЯФ-ИТЭФ во второй резонансной области тт+р -взаимодействия(год публикации 1994) [7]. Два из этих пяти экспериментов представлены в настоящей диссертации.

Диссертация содержит введение, 4 главы основного текста, включающие 18 параграфов, заключение и список литературы. Параграфы каждой главы имеют независимую от других глав нумерацию.

Во введении формулируются цели работы, ее актуальность и кратко изложено ее содержание.

Глава I посвящена обзору экспериментальной ситуации в резонансной

области 7г]У-рассеяния и планированию наших измерений.

В параграфе 1.1. рассмотрены разультаты глобальных парциальяо-волновых анализов (ПВА) для спектра Аг* и А резонансов. Оказалось, что в ПВА Вирджинского политехнического института 1995 года БМ95 так лее, как и в предыдущей версии БМ90, не обнаружены резонансы £>1з(1700), ¿31(1900), Рзз(1900), имевшие в выполненных до этого анализах высокий рейтинг (***). Не найдены и некоторые более слабые резонансы: Р31(1900), р17(1990), Р31(1750) и Р>33(1940). Таким образом, несмотря на то, что при выполнении глобальных ПВА использовались десятки тысяч экспериментальных точек, необходимы дополнительные качественно новые эксперименты.

В параграфе 1.2. рассмотрен вопрос о том, какие наблюдаемые должны быть измерены для однозначного определения 7гЛ,г-амплитуд ы. Если среди измеряемых характеристик процесса л-Л'-рассеяния отсутствуют параметры вращения спина А и Я, то при восстановлении амплитуды с помощью процедуры ПВА могут возникнуть дискретные неоднозначности.

В параграфе 1.3. обсуждается использование траекторий нулей амплитуд, полученных в ПВА КА84, СМВ и БМ90, с целью выявления областей кинематических переменных подозрительных на появление дискретных неоднозначностей. Показано, что поведение траекторий нулей, построенных для амплитуд, полученных в ПВА КА84, СМВ и ЭМЭО, существенно различается.

В параграфе 1.4. рассмотрены методы и результаты измерений параметров А и К в области импульсов пионов б, 16 и 40 ГэВ/с, а также измерений в области резонансов Р33(1232) и Рц(1440). Во всех случаях использовалась поляризованная мишень в сверхпроводящем соленоиде и

углеродный поляриметр для измерения поляризации протонов отдачи. В упомянутых экспериментах треки пионов не регистрировались и точка взаимодействия пионов в мишени не восстанавливалась. Это затруднило определение числа фоновых событий.

В параграфе 1.5. изложен используемый нами подход к выбору области кинематических переменных для измерения параметров А и Я. Приэтом учитываются следующее: поведение траекторий тгТУ-амплитуды; значения параметров А, Я и Р, предсказываемые в существующих ПВА; величина дифференциального сечения упругого 7гр-рассеяния; наличие ранее выполненных измерений параметра Р в исследуемой области; энергия протонов отдачи; возможность разделения рассеянных пионов и протонов отдачи, если измерения планируются в области инверсных углов. В итоге для наших измерений выбрана область углов рассеяния назад в интервале импульсов рж- = 573-726 МэВ/с в упругом 7г~р-рассеянии и область углов рассеяния назад при импульсе рж+ = 1,43 ГэВ/с в упругом 7г+£>-рассеянии.

В главе II описан эксперимент по измерению параметров А~ и Я~, выполненный в ПИЯФ.

В параграфе II. 1. приведены характеристики пионного пучка синхроциклотрона ПИЯФ. Установка по измерению параметров А и Я размещалась во втором фокусе пионного канала.

В параграфе II.2. описана экспериментальная установка для измерения параметров А и Я. Она спроектирована так, чтобы обеспечить максимальную эффективность измерений и безусловную надежность результатов, получаемых впервые в мире.

В параграфе II.3. описан расчет поляриметра ПОИСК-1 для протонов с энергиями в интервале 100-400 МэВ. Углеродный поляриметр имеет

многопластинчатую структуру, в нем использованы искровые камеры с телевизионным съемом информации.

В параграфе II.4. кратко рассмотрена процедура обработки информации и выделение случаев упругого 7гр-рассеяния. Всего использовалось 36 критериев отбора событий.

В параграфе II.5. приведены результаты измерений параметров А~ и R~ и оценивается величина систематических ошибок.

Глава III посвящена описанию эксперимента по измерению параметров А+ и R+, выполненного на ускорителе ИТЭФ.

В параграфе III. 1. приведены характеристики используемого пионного пучка протонного синхротрона ИТЭФ.

В параграфе III.2. кратко описана установка СПИН-JIM коллаборации ПИЯФ-ИТЭФ, включающая поляризованную пропандиоловую мишень, поляриметр ПОИСК-2 и трековые детекторы для регистрации пионов.

В параграфе III.3. приведен расчет и характеристики поляриметра ПОИСК-2 для протонов с энергиями в интервале Тр = 400-1600 МэВ. В поляриметре ПОИСК-2 использованы искровые камеры с телевизионным съемом информации и многопластинчатая структура углеродного анализатора.

В параграфе III.4. кратко описана методика обработки полученной информации, которая во многом сходна с использованной при обработке эксперимента в ПИЯФ.

В параграфе III.5. приведены результаты измерений параметров А+ и R+ и выполнена оценка величины систематических погрешностей.

Глава IV посвящена обсуждению результатов измерений.

В параграфе IV. 1. выполнено сравнение результатов измерений параметров А~ и R~ с предсказаниями существующих ПВА. Показано, что

полученные в эксперименте зависимости параметров А~ и Л~ от импульса пионного пучка и от угла рассеяния пионов позволяют сделать однозначный выбор решений ПВА в первой резонансной области 7г~р-рассеяния.

В параграфе IV.2. наши результаты измерений параметров А+ и сравниваются с предсказаниями ПВА, выполненных до наших измерений. Показано, что в интервале импульсов пионного пучка рж+ = 1.2-1.8 ГэВ/с правильными являются предсказания ПВА ЭМ90, а соответствующий участок траектории нулей амплитуды должен лежать внутри единичной окружности.

В параграфе IV.3. рассмотрены другие области кинематических переменных, где необходимо выполнить измерения параметров А и Л для окончательного решения проблемы дискретной неоднозначности 7гМ-амплитуды, восстановленной из парциально-волновых анализов.

В заключении приведены основные результаты, вынесенные на защиту.

В списке литературы перечислены 64 ссылки. Основные результаты опубликованы в работых, имеющих следующие номера в списке литературы: 1, 2, 5, 7, 18, 21, 25, 26, 30, 35, 37, 42, 46, 51, 52, 55, 61, 63, 64.

ГЛАВА I. Обзор экспериментальной ситуации и выбор области измерений.

1.1. Спектр барионных резонансов с нулевой странностью

К настоящему времени (июль 1998 года) опубликованы три фундаментальных парциально-волновых анализа (ПВА) экспериментальных данных по изучению упругого пион-нуклонного рассеяния. Это ПВА группы Карлсруэ-Хельсинки (КА84, 1984 год) [8], ПВА группы Карнеги-Меллон-Беркли (СМВ, 1979 год) [9] и ПВА Вирджинского политехнического института (SM95, 1995 год) [10] (новая версия этого анализа SP98 опубликована в 1998 году). Кроме того, в 1992 году опубликованы результаты квазидвухчастичного (изобарного) анализа, выполненного в университете штата Кент (KSU92, 1992 год) [11]. В 1992 году был опубликован ПВА ПИЯФ [12] для интервала энергий пионов 160 - 600 МэВ. Сравнение спектров барионных резонансов (с нулевой странностью), полученных в ПВА [8-11], приведено на рис.1-3 и в таблицах 1 и 2. В работе Г.Хелера [13] (стр.221) отмечено, что имеет место группирование полюсов 7гДг-резонансов около некоторых точек в комплексной плоскости. Так, для шести N* резонансов £11(1650),Рп(1710),Р13(1810), Аз(1700), А5(1670) и Fi5(1688) полюса располагаются вблизи точки (1670-50i) МэВ, а для семи других вблизи точки (2120-170i) МэВ [13]. Поэтому с экспериментальной точки зрения полезно ввести понятие первой, второй и т.д. резонансных областей, включив в одну область резонансы с близким расположением полюсов и близкими массами [1,13]. Эти области несколько смещены по величине массы для А резонансов относитель-

но областей N* резонансов. В первую область N* резонансов (см. табл.1) представляется естественным включить 5ц(1535),Рц(1440) и £>1з(1520) резонансы [1,13]. Во вторую область следует включить, соответственно, 5И(1650), 5ц(1712), Рп(1710), Pi3(1720), Аз(1700), Аб(1675) и ^5(1680) резонансы. N* резонансы с большими массами образуют третью и, возможно, четвертую резонансные области. Из известных на сегодня А резонансов (табл.2) в первую резонансную область следует включить 531(1620),Рз1(1750),Рзз(1600),1)зз(1700) и Р3б(1750) резонансы, выделив Рзз(1232), как и нуклон, в отдельную (нулевую) группу [1,13]. Тогда во вторую область попадают следующие А резонансы: 53i(1900),P3i(1910),Р33(1920),Р»зз(1940),Р>35(1930),Р35(1905) и Р37(1950). А резонансы с большими массами оказываются в третьей или четвертой резонансных областях. В таблицах 1 и 2 резонансные области обведены рамками.

На рис.1-3 приведены квантовые числа, массы и ширины резонансов, относящихся к первой, второй и третьей резонансным областям. Квантовые числа резонансов отложены на оси ординат вверх от оси абцисс для N* -резонансов и вниз от оси абцисс для А -резонансов. Массы отложены по оси абцисс. Каждому резонансу сопоставляется отрезок прямой, его середина отмечена вертикальной черточкой и определяет массу резонанса, а длина отрезка определяет ширину резонанса. При этом отрезками сплошных линий отмечены резонансы, найденные в соответствующем ПВА, а отрезками штриховой линии обозначены резонансы, отсутствующие в соответствующем ПВА, но имеющиеся в таблицах Review of Particle Properties [14]. В таблицах 1 и 2 приведены массы и ширины всех резонансов, полученные при выполнении ПВА КА84, СМВ и SM95, а также при выполнении изобарного анализа KSU92.B анализе SM95 в

двух случаях, для Рц(1710), (****), и Р33(1600), (***)