Измерение сечений реакций π†, ρ+C, Cu→π†, ρ... при 3-15 ГэВ/с для экспериментов нового поколения

Госткин, Михаил Иванович

Измерение сечений реакций π†, ρ+C, Cu→π†, ρ... при 3-15 ГэВ/с для экспериментов нового поколения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Госткин, Михаил Иванович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Дубна МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Измерение сечений реакций π†, ρ+C, Cu→π†, ρ... при 3-15 ГэВ/с для экспериментов нового поколения»

Автореферат диссертации на тему "Измерение сечений реакций π†, ρ+C, Cu→π†, ρ... при 3-15 ГэВ/с для экспериментов нового поколения"

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1-2012-18

На правах рукописи УДК 539.172.12, 539.172.5

005013ЮЭ

госткин

Михаил Иванович

ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЙ РЕАКЦИЙ л±,р+С, Си-+я±,р... ПРИ 3-15 ГэВ/с ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

? 9 Р-1А? 20(2

Дубна 2012

005013165

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований и Европейском центре ядерных исследований.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Шелков Георгий Александрович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Глаголев Владимир Викторович (ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна) доктор физико-математических наук Болотов Владимир Николаевич (ИЯИ РАН, г. Москва) Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится

2012 г. в

часов на заседа-

нии диссертационного совета Д 720.001.03 при Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова в Объединенном институте ядерных исследований, расположенном по адресу: Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядерных исследований.

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор Батусов Юрий Александрович

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время источником наиболее интересных экспериментальных данных в области физики высоких энергий является большой адронный коллайдер (LHC) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН). Дальнейшее развитие физики в этой области связывают с принципиально новыми ускорительными комплексами, такими как Международный линейный коллайдер ILC [1] и мюонный коллайдер [2]. Эксперименты на мюонном коллайдере позволят провести более точную проверку Стандартной модели, поиск новых частиц и явлений, выходящих за ее рамки (таких как SUSY), детально исследовать явления, которые, возможно, будут открыты на LHC, а также решить многие другие задачи. В настоящее время проект мюонного коллайдера активно разрабатывается в Национальной ускорительной лаборатория имени Ферми, где уже ведутся работы по созданию протонного предускорителя в рамках «Проекта X» [3]. Наряду с техническими трудностями, связанными с охлаждением и удержанием мюонов, существует проблема выбора оптимального материала мишени для генерации потоков пионов высокой интенсивности в мюонном источнике. От успешного решения этой проблемы будут зависеть требования, предъявляемые к мощности протонного предускорителя. Наряду с тяжелыми мишенями (Га, Hg) один из основных вариантов конструкции коллайдера предполагает использование струйной графитовой мишени или мишени на основе карбоновых пленок для получения пучка пионов.

Однако точность, с которой известны сечения образования пионов протонами, в настоящее время недостаточна для оптимального выбора

материала мишени. Точность существующих теоретических моделей также недостаточна для проведения подобных расчетов. В связи с этим, экспериментальное измерение сечений рождения пионов пучками пионов и протонов на углероде с точностью не хуже 10% имеет решающее значение при проектировании мюонного коллайдера.

Точное измерение данных сечений также важно для расчетов потоков и спектров атмосферных нейтрино, так как свойства ядер углерода близки свойствам ядер азота — основной компоненты земной атмосферы. При этом, при энергиях первичных протонов менее 20 ГэВ, основная часть вторичных пионов испускается в диапазоне углов > 15°. В настоящее время потоки и спектры атмосферных нейтрино определяются экстраполяцией измерений выходов пионов в малые углы, и имеют значительную погрешность. Таким образом, прямое экспериментальное измерение сечений рождения пионов на ядрах снизит погрешность определения потоков и спектров нейтрино и даст возможность уменьшить систематическую ошибку в экспериментах по поиску нейтринных осцилляций (таких, как Super Kamiokande).

Сочетание измерений сечений образования адронов (включая более тяжелые частицы, такие как дейтроны) на ядрах углерода с аналогичными измерениями на других ядрах (например меди и др.) позволяет исследовать их зависимость от массы и заряда ядер, что явится критической проверкой теорий, претендующих на полное описание адрон-ядер-ных взаимодействий. Можно отметить повышение интереса к подобным теориям, связанное с планируемой реализацией программ по исследованию ядро-ядерных столкновений (эксперименты на ускорительных комплексах FAIR и NICA), поэтому получение экспериментальных данных хорошего качества по адрон-ядерным взаимодействиям в настоящее вре-

мя является актуальной задачей.

Цель работы

Получение новых экспериментальных данных для проектирования мюонного источника мюонного коллайдера, расчетов нейтринных спектров в экспериментах по поиску осцилляций атмосферных нейтрино и развития теории сильных взаимодействий, включая:

1. измерение дважды дифференциальных сечений образования протонов и заряженных пионов в реакциях + С, Си —► л^,/» + X, при импульсе пучков от 3 до 15 ГэВ/с, в диапазоне углов вылета от 20° до 125° и для поперечных импульсов вторичных частиц от 0.1 до 1.25 ГэВ/с;

2. сравнение выходов и спектров вторичных адронов (включая дейтроны) на различных ядрах в зависимости от их массового числа;

3. разработку и применение методов калибровки в измерении времени пролета в спектрометре больших углов и ионизационных потерь во времяпроекционной камере эксперимента HARP [4].

Диссертация обобщает результаты завершенных работ автора, выполненных в 1999-2011 г.г. в Объединенном институте ядерных исследований и Европейском центре ядерных исследований.

Научная новизна

Впервые с недостигавшейся ранее полнотой измерены сечения рождения протонов и заряженных пионов при взаимодействии пионов и протонов с ядрами углерода и меди в при импульсах пучков 3-15 ГэВ/с и в широком диапазоне углов вылета вторичных частиц. Получены зависимости сечений и множественностей от энергии пучка и массы ядра.

Впервые измерены отношения выходов дейтронов к выходу протонов на различных ядрах в том же диапазоне импульсов пучков.

Практическая значимость

Получены новые экспериментальные данные принципиального научного значения: они необходимы для проектирования мюонного источника ускорителя нового поколения — мюонного коллайдера; эти данные существенны для интерпретации результатов экспериментов по поиску осцил-ляций атмосферных нейтрино.

Разработана методика измерения ионизационных потерь во время-проекционной камере эксперимента HARP, что позволило учесть влияние аппаратурных эффектов. Созданы новые методы калибровки камер RPC в случае применения их для прецизионного измерения времени пролета, позволившие достичь собственного разрешения 127 пикосекунд. Данные методы и созданное на их основе программное обеспечение применены при анализе данных эксперимента HARP и могут использоваться в новых экспериментах с аналогичными детекторами.

Измерены выходы и спектры вторичных адронов (включая дейтроны), а также их зависимости от энергии пучка и массового числа ядер мишени. Это новые экспериментальные данные, которые могут быть использованы для развития теории адрон-ядерных реакций, а также применены для уточнения и расширения возможностей программ-генераторов адронных взаимодействий [5].

Автор защищает

1. Результаты экспериментального исследования процессов инклюзивного рождения протонов и заряженных пионов на ядрах углерода и меди при энергии налетающих протонов и пионов 3, 5, 8, 12, 15 ГэВ/с в диапазоне углов вылета 20° - 125°.

2. Измерение отношения выходов дейтронов к выходу протонов в реакциях р, т& +А -» р, d+X при импульсе налетающих протонов 3-15 ГэВ/с, где А = Be, С, Си, Sn, Та, РЬ.

3. Методы калибровки и результаты их применения для измерений ионизационных потерь во времяпроекционной камере эксперимента HARP.

4. Методы калибровки и результаты их применения для измерений времени пролета частиц в спектрометре больших углов эксперимента HARP.

Апробация работы

Результаты работы докладывались (в том числе и автором) на международных конференциях по физике высоких энергий ICHEP-2008, EPS-НЕР-2009, ICHEP-2010, на совещании по физике нейтрино (ЦЕРН, октябрь 2009 г.), на конференциях по камерам RPC в Сеуле (2005 г.) и в Бомбее (2008 г.), на семинарах Объединенного института ядерных исследований и Европейского центра ядерных исследований. Основные результаты опубликованы в журналах «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research», «European Physical Journal С - Particles and Fields», «Journal of Instrumentation».

Присуждена первая премия Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (2008-2009 г.) за цикл работ «Измерение сечений рождения адронов в протон-ядерных и пион-ядерных взаимодействиях на пучках с импульсами 3-15 ГэВ/с» (в составе группы HARP-CDP).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Содержание работы

Во Введении сформулированы цели работы, обоснованы ее новизна, практическая ценность и актуальность.

Первая глава содержит описание экспериментальной установки HARP (рис. 1). Детектор HARP состоит из спектрометра малых углов, спектрометра больших углов и системы мониторирования пучка.

Спектрометр больших углов (2О°<0 <140°)

ТРС + RPCs in solenoid magnet

T9 beam CERN

drift chambers

time-of-fiight scintillators

beam-muon identifier

electron identifier

dipole magnet FTP + RPCs

threshold Cherenkov

cosmics trigger wall

Рис. 1. Экспериментальная установка HARP.

Система мониторирования пучка состоит из 4 многопроволочных пропорциональных камер, которые измеряют координаты и направление пучковой частицы с точностью - 1 мм и - 0.2 мрад, двух пороговых черенковских детекторов и времяпролетной системы из трех сцинтилля-ционных детекторов. Времяпролетная система и черенковские детекторы использовались для идентификации частиц пучка. Кроме того, времяпро-

летная система позволяла определять момент взаимодействия частиц в мишени с точностью 107 пикосекунд.

Спектрометр малых углов построен на основе дипольного магнита; для восстановления треков частиц использовались большие плоские дрейфовые камеры; для идентификации частиц использовались времяпролет-ный спектрометр, пороговый черенковский детектор и электромагнитный калориметр. Расположенная за калориметром мюонная система выполняла функцию идентификации мюонов.

Спектрометр больших углов представлял собой времяпроекционную камеру ТРС, окруженную пластинами резистивных плоскопараллельных камер RPC. Эти детекторы помещены в соленоидальный магнит с равномерным магнитным полем 0.7 Т, параллельным направлению пучка ускорителя.

Используемые мишени помещались внутри ТРС, которая регистрировала треки вторичных заряженных частиц, позволяя определить их импульсы и углы выхода из мишени, а также идентифицировать частицы по ионизационным потерям dE/dx. Система RPC позволяла идентифицировать частицы по времени пролета.

Автор принимал активное участие в разработке концепции проекта HARP с учетом радиационной обстановки в месте расположения детекторов, в моделировании ключевых свойств спектрометрического комплекса, в эксплуатации установки во время набора данных, а также в анализе собранных экспериментальных данных.

Вторая глава посвящена калибровке спектрометра больших углов [Al], [А2], [A3], [А4], [6]. Она состоит из двух разделов. Первый посвящен калибровке ТРС, второй — калибровке RPC. В первом разделе приводятся дизайн ТРС, а также ее проектные и достигнутые характеристики. Из-

за неоптимального задания потенциалов на полеформирующих электродах камеры и неоднородности магнитного поля соленоидального магнита присутствовали искажения (дисторсии) электрического и магнитного поля внутри камеры. Из-за ограниченных сроков проведения эксперимента (1.5 года) полностью устранить эти аппаратурные недостатки не удалось. Остались нескомпенсированными дисторсии двух принципиально разных типов: статические, имеющиеся постоянно, и динамические, возникающие при работе ускорителя вследствие накопления объемного заряда ионов аргона внутри ТРС. Величина дисторсий составляла 8-10 мм (статические) и 10-15 мм (динамические, к концу сброса ускорителя) при радиусе ТРС всего около 400 мм.

Для внесения поправок на дисторсии проведена детальная калибровка ТРС, описанная в работе [А1]. Использовались треки, проходившие через узкие зоны перекрытия камер RPC, что позволяло предсказывать «неискаженные» траектории частиц. В результате были получены поправки, которые сократили статические дисторсии до 100-150 микрон, а динамические - до 200-250 микрон. Треки восстанавливались с систематической погрешностью в пространственной координате не более 300 микрон. Погрешность измерения импульса частиц составила около 2%, а разрешение по поперечному импульсу <т(1/Рт) = 0.20 - 0.25 (ГэВ/с)-1.

Основная часть раздела посвящена описанию разработанной методике калибровки измерений ионизационных потерь dE/dx в ТРС и применению этой методики в условиях эксперимента HARP.

Удельная ионизация dE/dx вычислялась, как отношение просуммированных зарядов сигнальных пластин к эффективной длине трека. С целью достижения наилучшего разрешения по dE/dx исключались заряды с двух сигнальных пластин, имеющих максимальный заряд. Во время набора

данных регистрировались атмосферное давление и температура плоскости сигнальных пластин, что позволило рассчитать поправки на изменение температуры и давления газа в ТРС.

Наблюдаемая удельная ионизация (dE/dx)о корректировалась на давление и температуру согласно полученной формуле:

йЕ/dx = (dE/dx)o/(Pl [1 + Р2 ■ (f - ft)]), (1)

где g = Т/Р и ft = 0.318. Параметр ft получен, как отношение характерных температуры То = 25°С = 298°К и давления Ро = 938 гПа. Параметр (dE/dx)o означает измеренную удельную ионизацию без коррекции на зависимость от Г/Р, a dE/dx - скорректированная величина, приведенная к характерным условиям £ = ft.

Для определения коэффициентов Р1 и Р2 использовались измерения (dE/dx)о отрицательных пионов в диапазоне импульсов 0.45-0.80 ГэВ/с, для которых ионизационные потери близки к минимальным.

Численно (dE/dx)о в уравнении (1) определяется из аппроксимации распределения ионизационных потерь функцией Гаусса, причем диапазон dE/dx обрезан для больших dE/dx на уровне 50% от максимума пика (рис. 2).

Ожидаемая линейность функции dE/dx(g) подтверждается данными для шести секторов ТРС (рис. 3).

Выбор значения ft = 0.318 определяется тем, что он позволяет уменьшить корреляцию между параметрами Р1 и Р2. Параметр Р1 численно равен ионизационным потерям dE/dx при £ = 0.318. Для восьми различных наборов данных этот параметр варьируется в пределах ±5% от среднего значения. Эти вариации представляют собой внутреннюю «амплитудную нестабильность» ТРС установки HARP.

Рис. 2. Аппроксимация распределения ионизационных потерь функцией Гаусса.

Принципиальным достижением коррекции ионизационных потерь для каждого трека согласно формуле (1) явилось устранение зависимости ионизационных потерь от давления и температуры. Более того, они стали представлять собой нормированную величину: минимальная ионизация ¿Е/с1х становится близка к единице. Проведение коррекций отдельно для каждого набора данных позволило устранить эффект долговременного дрейфа сбора заряда с сигнальных пластин.

Кроме того, была проведена коррекция ионизационных потерь на зависимость от полярного угла в, которая возникает из-за исключения сигнальных пластин с двумя максимальными зарядами. Предложенная попра-

Рис. 3. Зависимость удельных ионизационных потерь от£ = Т/Р (К/гПа) для 6 секторов ТРС.

вочная функция имеет вид:

dE/dx = (dE/dx)0/(CO + С1/ sin6» + С2/ sin2 в),

где СО, Cl, С2 - секторозависимые коэффициенты. Величина (dE/dx)0 означает ионизационные потери, скорректированные на зависимость от температуры и давления, но до коррекции на зависимость от полярного угла. Величина dE/dx — окончательное значение после всех коррекций.

Предложенные автором коррекции позволили превзойти разрешение (22-25%), ранее достигнутое в коллаборации HARP-CDP. В результате вышеуказанных коррекций достигнуто разрешение dE/dx ^ 16%, что близко к теоретическому пределу для данной конструкции детектора. Изме-

рения ёЕ/йх позволяли разделять пионы и протоны до импульсов около 800 МэВ/с (рис. 4(а)).

Рис. 4. Результаты калибровки измерения: (а) ионизационных потерь в ТРС, (Ь) времени пролета в спектрометре больших углов.

Во втором разделе описываются принцип работы RPC, дизайн и электроника считывания RPC HARP, условия эксплуатации; приводится детальное описание калибровки системы RPC [A3].

Ключевыми поправками были коррекции на суточные колебания температуры и на зависимость времени регистрации сигнала от его амплитуды. Поправка на суточные колебания температуры достигала 500 и более пикосекунд и определялась отдельно для каждого из 240 каналов. Поправка на зависимость времени от амплитуды сигнала достигала нескольких наносекунд и вычислялась в два этапа. На первом этапе корректировался основной эффект, предполагавшийся одинаковым для всех каналов, на втором этапе устранялись отдельно для каждого канала меньшие эффекты. Следует отметить, что измеряемое время пролета по величине составляло несколько наносекунд, а поправки сравнимы с измеряемым временем пролета. Поэтому выполненный расчет поправок обеспечил дости-

жение высокоэффективной идентификации частиц по времени пролета.

Другие поправки, в основном, учитывают особенности распространения сигналов вдоль поверхности камеры. В частности, корректировалось измеренное время прихода сигнала в зависимости от координаты точки попадания частицы в камеру. Эта зависимость связана как с распространением сигнала вдоль пластин RPC, так и с распространением сигнала в кабелях электроники. Величины этих поправок достигали 200 пикосекунд.

Собственное временное разрешение RPC определялось с помощью треков, проходящих через области перекрытий RPC. В результате калибровок, проведенных по созданной методике, собственное разрешение RPC составило в среднем 127 пикосекунд. Этот результат наряду с [7], [8] можно отнести к лучшим в мире на момент опубликования в литературе.

Время пролета частицы ?tof вычислялось по формуле

'ТОГ = ÎRPC - Agt - !0 .

где îrpc - время, измеренное RPC после всех коррекций, itgt - время прихода пучковой частицы на мишень, измеренное пучковыми счетчиками, a to -константы, характеризующие каждый из каналов RPC. Значение t0 определялось при помощи треков л~ с 0.25 GeV/c < рт < 0.9 GeV/c по формуле

* _ t * .expected

'0 - 'RPC - 'tgt - 'X0F

„expected

где iT0F - время пролета, вычисляемое из импульса пиона, измеренного вТРС.

Разрешение по времени пролета складывалось из собственного разрешения RPC (127 пикосекунд), точности измерения времени попадания пучковой частицы на мишень (107 пикосекунд) и более мелких вкладов (- 50 пикосекунд). Суммарно разрешение по времени пролета составляло

175 пикосекунд. Такое разрешение обеспечило разделение пионов и электронов в диапазоне импульсов 150-200 МэВ/с, где энергетические потери пионов и электронов в газе ТРС сравнимы, что не позволяет провести идентификацию по dE/dx. В этом диапазоне она возможна только с использованием RPC. Разделение пионов и протонов осуществлялось вплоть до импульсов 1.5 ГэВ/с на пролетной базе порядка 50-100 см. (рис. 4(b)). Это достижение ставит времяпролетную систему HARP в число лучших устройств подобного типа.

В третьей главе описана разработанная при участии автора методика обработки экспериментальных данных и представлены полученные экспериментальные результаты [А5], [А6]. Приводятся обсуждение экспериментальных результатов и сравнение их с результатами других экспериментов.

Представлены результаты измерений дифференциальных сечений (Per/{dp ■ dQ.) рождения т& и протонов во взаимодействиях 7г± и протонов с мишенями из углерода и меди. Измерения проводились при импульсах пучковых частиц 3, 5, 8, 12 и 15 ГэВ/с в диапазоне поперечных импульсов вторичных частиц от 100 МэВ/с до 1.25 ГэВ/с. Угловой аксептанс по полярному углу измерений составлял 20 -г 125 градусов от оси пучка.

Для каждой из комбинаций типа мишени, сорта вторичной частицы, типа и импульса пучковой частицы представлено до 96 значений дифференциального сечения (8 интервалов по углу рассеяния и 12 по поперечному импульсу вторичной частицы). В качестве примера на рис. 5 приведены дифференциальные сечения рождения протонов и заряженных пионов в интервале углов вылета 20° - 30° на углеродной мишени для протонов с импульсами 3, 8, 15 ГэВ/с. Сечения приведены в зависимости от поперечного импульса, причем «отрицательные» импульсы соответствуют

отрицательно заряженным частицам. Характерная погрешность измеренных сечений 3 + 10%. Полученные результаты существенно превосходят в большинстве интервалов имеющиеся в литературе как по полноте, так и по точности измерений и включены в международную базу данных Durham Hepdata [9].

На рис. 6 представлено сравнение полученных результатов с результатами экспериментов Е802 [10] (верхний рисунок), Е910 [11] (центральный рисунок) и «коллаборация HARP» [12] (нижний рисунок) на ядрах меди. Сравнение с экспериментом Е802 показано в терминах Лоренц-инвариантного сечения в зависимости от поперечной массы. Результаты хорошо согласуются с большинством ранее опубликованных существенно менее полных данных. В то же время имеется значительное (до полутора раз) расхождение с результатами, опубликованными коллаборацией HARP в 2007-2009 гг.

Помимо дифференциальных сечений представляются также некоторые «интегральные» характеристики взаимодействия адронных пучков с ядрами: интегральное сечение рождения пионов в зависимости от атомной массыядра мишени (рис. 7), средняя множественность рождения частиц в пересчете на одно неупругое взаимодействие (рис. 8), а также зависимость сечений от энергии пучковых частиц [А5], [А6], [13], [14], [15], [16], [17]. Данные по углероду и меди получены и использованы автором в диссертации, остальные данные также получены с участием автора. Данные по углероду и меди, непосредственно полученные автором, хорошо согласуются с общим ходом зависимостей выхода и множественности пионов от атомного номера ядра мишени, измеренных коллаборацией с участием автора.

HARP-CDP p + С (p.TtV) + X

+3.0 GeV/c ^20° < 0 < 30°

• 71 op

-0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Charge-signed pT (GeV/c)

1.2 <y < 1.4 •

t»

E802 14.6 GeV/c CDP 15.0 GeV/c

-0.8 -0.4 0 0.4 0.8

Charge-signed - mn] (GeV/c2)

HARP-CDP p + С -» (P,TC\JO + X

+8.0 GeV/c -2O°<0<3O°

• it op

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.

Charge-signed pT (GeV/c)

400 350 ~300 250

¿200 Q

■g. 150 тз

% 100 50 0

« ♦

0 ♦

<> I ♦

♦

о . 0«

0.8 < cos Э < 0.9

о ЕЭ10 12.3 GeV/c • CDP 12.0 GeV/c

-1.0 -0.5 0 0.5 1.0 Charge-signed pion momentum (GeV/c)

HARP-CDP p + С -> (p.itV) + X

+15.0 GeV/c -2O°<0<3O°

• 71 о p

> ©

СЭ

* к

. i... i... i... i... ..................

"-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Charge-signed pT (GeV/c)

2000

1800

О 1WK1

О 1400

-о 1200

_о 1000

® 800

н.

е 400

■о

200

p + Cu -»(;tV) + X

+8.0 GeV/c . HARP-CDP

20" <©<30° о HARP Collab.

Л 4 Й

■1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Charge-signed p (GeV/c)

Рис. 5. Сечения рождения адронов на угле- Рис. 6. Сравнение с экспериментами Е802, роде. Е910 (BNL) и «HARP Collaboration» на яд-

рах меди. 16

HARP-CDP

Secondary тс*

3 GeV/c beam

I 0.2<p<1.0 GeV/c (200 - 3O°<0<9O°

1000 l.D protons

: о л*

g1 800 E. -

О 600 -

400 ^- CU ^ 0 9

"Г С О Vo

О Г I_I_,__i_j_.1.1.

5 10 15 20 25 30 35 40

Л 2^3

1400 1200 1000 Q 8О0

е боо

400

HARP-CDP

Secondary тс*

0.2 < р < 1.0 GeV/c 30° < 0 < 90°

□ protons • it"

Си

15 GeV/c beam

10 15 20 25 30 35 40

Рис. 7. Зависимость выхода пионов от ядра мишени.

Интегральное сечение вычисляется по формуле:

„ d2cr Арт

= • L о ) • №Асо*в) (2)

dp ail <sin6>

где (fajidp-dÇl) - измеренные дифференциальные сечения рождения пионов, суммирование проводится по всем диапазонам поперечного импульса и полярного угла, Ар? и ДcosO - ширины соответствующих диапазонов, а величина < sinO > - усредненная по каждому диапазону. Интегральное сечение приводится для рождения пионов в переднюю полусферу (30° < в < 90°) при импульсах пионов от 0.2 до 1 ГэВ/с. На рис. 7 и 8 сечение и множественность показаны в зависимости от величины Л2/3, которая приблизительно пропорциональна площади ядра.

Впервые измерено отношение выхода дейтронов к выходу протонов в реакциях р,л± + А —» p,d + X при импульсе налетающих протонов 3-15 ГэВ/с, где А = Be, С, Си, Sri, Та, РЬ. Идентификация дейтронов проводилась только по ионизационным потерям dE/dx согласно специально

HARP-CDP

Secondary it*

1.4

1.2 i

.9- 0.8; 3

2 о.б ;

0.4 J 0.2 ■ oi

: 0.2 < p < 1.0 GeV/c 730° < 0 < 90°

ГС protons

-_0 Jt*

: • я

Си

№ О

3 GeV/c beam

.0.0

0 DD

1 i . i I i

10 15 20 25 30 35 40 .2/3

1.6 1.4 1.2

£ 1

.О

о. 0.8 3

2 0.6

0.4

0.2

HARP-CDP

Secondary it*

■ 0.2 <р< 1.0 GeV/c 15 GeV/c beam

ГЗО°<0<9О°

TD protons

Си

: с *

: «с -.1.1,1,1 . I , I . I ,

0 5 10 15 20 25 30 35 40 л2/3

Рис. 8. Зависимость множественности пионов от ядра мишени.

но разработанной методике. На рис. 9 приведено распределение по логарифму измеренных ионизационных потерь. Можно отметить удовлетворительное разделение протонов и дейтронов. Сравнение результатов для шести мишеней в угловом диапазоне 30° - 45° приведено на рис. 10. Указанное отношение возрастает примерно в 4 раза при переходе от легких к тяжелым ядрам. Экспериментальные данные не согласуются с предсказаниями СЕАИТ4 [18], [19], в базу данных которого необходимо внести изменения для использования при планировании новых экспериментов и обработки данных.

tog(dE/dx)

Рис. 9. Измеренные ионизационные потери вторичных частиц для бериллиевой мишени. Пики соответствуют пионам, протонам, дейтронам.

0.5

Е 0.4 "ф

о 0.3

о.

2 0.2

э ®

0.1

Particle momentum at the vertex (GeV/c)

0.7 0.8 0.9

Рис. 10. Отношение выходов дейтронов и к выходу протонов в реакциях р+А —» р,ё + Х при импульсе налетающих протонов 8 ГэВ/с; А = Ве, С, Си,8п, Та, РЬ.

Заключение

Основные результаты и выводы

1. Впервые систематически измерены инклюзивные дважды дифференциальные сечения образования протонов и заряженных пионов в реакциях л-*,/? + С,Си —> л-*,р + X. Измерения проведены при импульсе пучков от 3 до 15 ГэВ/с, в диапазоне углов вылета от 20° до 125° и для поперечных импульсов вторичных частиц от 0.1 до 1.25 ГэВ/с. Достигнута точность 3-10%. В результате были получены наиболее полные из всех известных в настоящее время экспериментальные данные об образовании заряженных пионов и протонов в этих реакциях. Эти сведения включены в международную базу данных Durham Hepdata и могут быть использованы, в том числе, для уточнения предсказаний программ - генераторов адронных взаимодействий, при проведении других экспериментов.

2. Результаты, полученные на ядрах углерода, необходимы для выбора наилучшего материала мишени в мюонном источнике при проектировании ускорительного комплекса нового поколения — мюонного коллайдера. В настоящее время графитовая мишень рассматривается как один из основных вариантов и окончательный выбор будет определяться возможностью достижения требуемой интенсивности потока пионов при заданной мощности протонного драйвера.

3. Измеренные в данной работе сечения образования вторичных ад-ронов на ядрах углерода позволят достичь более высокой точности расчетов потока и спектра атмосферных нейтрино, открывают возможность снижения систематической ошибки при интерпрета-

ции результатов экспериментов по поиску нейтринных осцилляции, а также могут быть использованы при планировании новых нейтринных экспериментов.

4. Измеренные сечения и множественности пионов на ядрах углерода и меди, непосредственно полученные автором, являются наиболее полными и точными в настоящее время и согласуются с общим ходом зависимостей выхода и множественности пионов от различных ядер мишени, измеренный коллаборацией с участием автора. Измерения выполнены для различных типов налетающих частиц (р, я-*), при импульсе пучка от 3 до 15 ГэВ/с в диапазоне углов вылета от 20° до 125°. Впервые систематически измерено отношение выходов дейтронов к выходу протонов на различных мишенях. Эти результаты позволяют извлечь новую информацию об адрон-ядерных взаимодействиях и будут использованы для развития теории сильного взаимодействия.

5. Предложена методика и проведена калибровка измерения ионизационных потерь во времяпроекционной камере эксперимента HARP. Данная методика позволила устранить влияние ряда аппаратурных эффектов, снижающих точность измерения (паразитные сигналы в электронике, зависимость коэффициента усиления от температуры и т.д.) В результате достигнуто разрешение dE/dx - 16 %, что близко к теоретическому пределу для данного типа камер.

6. Разработаны методы и проведена калибровка измерения времени пролета в спектрометре больших углов эксперимента HARP. Так как в эксперименте HARP впервые в мировой практике для измере-

ния времени пролета вторичных частиц были использованы камеры RPC, это потребовало создания новых методов калибровки, учитывающих особенности прецизионного измерения времени при помощи этих камер. Достигнуто собственное разрешение камер RPC 127 пикосекунд, что позволило определять время пролета с точностью 175 пикосекунд. В сочетании с измерением ионизационных потерь в камере ТРС это дало возможность надежно идентифицировать частицы в спектрометре больших углов эксперимента HARP.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Al. Ammosov V.,..., Gostkin М. et al. The HARP Time Projection Chamber: Characteristics and physics performance // Nucl. Instrum. Meth. 2008. Vol. A588. Pp. 294-317.

A2. Ammosov V.,..., Gostkin M. et al. Rebuttal to: Comments on 'The HARP Time Projection Chamber: Characteristics and physics performance' // Nucl. Instrum. Meth. 2008. Vol. A588. Pp. 321-322.

A3. Ammosov V., ..., Gostkin M. et al. The HARP resistive plate chambers: Characteristics and physics performance // Nucl. Instrum. Meth. 2009. Vol. A602. Pp. 639-643.

A4. Ammosov V., ..., Gostkin M. et al. The HARP resistive plate chambers: Characteristics and physics performance // Nucl.Instrum.Meth. 2007. Vol. A578. Pp. 119-138.

А5. Bolshakova A.,..., Gostkin M. et al. Cross-sections of large-angle hadron production in proton and pion-nucleus interactions IV: Copper nuclei and beam momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c // Eur. Phys. J. 2009. Vol. C64. Pp. 181-241.

A6. Bolshakova A.,..., Gostkin M. et al. Cross-sections of large-angle hadron production in proton- and pion-nucleus interactions VI: carbon nuclei and beam momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c // Eur. Phys. J. 2010. Vol. C70. Pp. 573-633.

Цитированная литература

1. International linear colider, Reference Design report II ILC-re-port-2007-001.

2. Collider: A Feasibility Study (Muon Collaboration) // FNAL-Con-f-96/092 (1996).

3. Project X as a Proton Driver for a Neutrino Factory and/or a Muon Collider // Muons, Inc., FNAL (2010).

4. Catanesi M. G., ..., Gostkin M. et al. Proposal to study hadron production for the neutrino factory and for the atmospheric neutrino flux // CERN-SP-SC-99-35,CERN-SPSC-P-315. 1999.

5. Bolshakova A., ..., Gostkin M. et al. HARP-CDP hadroproduction data: Comparison with FLUKA and GEANT4 simulations II Eur. Phys. J. 2010. Vol. C70. Pp. 543-553.

6. Ammosov V.,..., Gostkin M. et al. Multi-gap glass resistive plate chambers in HARP // Nucl.Phys.Proc.Suppl. 2006. Vol. B158. Pp. 56-59.

7. Shao M., Li L. A study on the intrinsic time resolution of the MRCP used in the STAR-TOF // IntJ.Mod.Phys. 2007. Vol. E16. Pp. 2476-2483.

8. Akindinov A. et al. The MRPC detector for the ALICE Time Of Flight System: Final Design and Performance // Nucl.Phys.Proc.Suppl. 2006. Vol. B158. Pp. 60-65.

9. Durham Hepdata // http://durpdg.dur.ac.uk/HEPDATA/.

10. Abbott T. et al. Measurement of particle production in proton induced reactions at 14.6-GeV/c // Phys. Rev. 1992. Vol. D45. Pp. 3906-3920.

11. Chemakin I. et al. Inclusive soft pion production from 12.3 and 17.5 GeV/c protons on Be, Cu, and Au // Phys. Rev. 2002. Vol. C65. P. 024904.

12. Catanesi M. G. et al. Large-angle production of charged pions with 3-12.9 GeV/c incident protons on nuclear targets // Phys. Rev. 2008. Vol. C77. P. 055207.

13. Bolshakova A., ..., Gostkin M. et al. Cross-Sections of Large-Angle Hadron Production in Proton- and Pion-Nucleus Interactions I: Beryllium Nuclei and Beam Momenta of +8.9 Gev/c and -8.0 Gev/c // Eur. Phys. J. 2009. Vol. C62. Pp. 293-317.

14. Bolshakova A., ..., Gostkin M. et al. Cross-sections of large-angle hadron production in proton- and pion-nucleus interactions II: Beryllium nuclei and beam momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c // Eur. Phys. J. 2009. Vol. C62. Pp. 697-754.

15. Bolshakova A., ..., Gostkin M. et al. Cross-Sections of Large-Angle Hadron Production in Proton- and Pion-Nucleus Interactions. III. Tantalum Nuclei and Beam Momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c II Eur. Phys. J. 2009. Vol. C63. Pp. 549-609.

16. Bolshakova A., ..., Gostkin M. et al. Cross-Sections of Large-Angle Hadron Production in Proton- and Pion-Nucleus Interactions V: Lead Nuclei and Beam Momenta from ±3 Gev/c to ±15 Gev/c // Eur. Phys. J. 2010. Vol. C66. Pp. 57-117.

17. Bolshakova A., ..., Gostkin M. et al. Cross-sections of large-angle hadron production in proton- and pion-nucleus interactions VII: tin nuclei and beam momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c // Eur. Phys. J. 2011. Vol. C71. P. 1719.

18. Agostinelli S. et al. G4-a simulation toolkit // Nucl. Instrum. and Meth. A. 2003. Vol. 506, no. 3. Pp. 250 - 303.

19. Allison J. et al. Geant4 developments and applications // Nuclear Science, IEEE Transactions on. 2006. Vol. 53, no. 1. Pp. 270-278.

nojiyneHo 27 <J)eBpana 2012 r.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 27.02.2012. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,75. Уч.-изд. л. 1,31. Тираж 100 экз. Заказ № 57584.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Госткин, Михаил Иванович, Дубна

Объединенный институт ядерных исследований

61 12-1/722

На правах рукописи

Госткин Михаил Иванович

Измерение сечений реакций + С, Си 7при 3-15 ГэВ/с для экспериментов нового поколения.

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к. ф.-м. н.

Шелков Георгий Александрович

Дубна - 2012

Содержание

Введение ................................... 3

1. Выводы к введению .......................... 7

Глава 1. Экспериментальная установка — HARP................9

1.1. Исследуемые мишени .........................9

1.2. Мониторирование пучка Т9 ....................11

1.3. Спектрометр малых углов .....................15

1.4. Спектрометр больших углов ....................16

1.5. Выводы к первой главе .......................19

Глава 2. Калибровка спектрометра больших углов.......20

2.1. Времяпроекционная камера ТРС .................20

2.2. Резистивные плоскопараллельные камеры RPC..........41

2.3. Выводы ко второй главе ......................88

Глава 3. Измерение сечений рождения адронов..........89

3.1. Метод определения сечений. ....................89

3.2. Инклюзивные сечения рождения адронов на углероде и меди. 92

3.3. Зависимость сечения от энергии пучка..............94

3.4. Зависимость сечения и множественности от ядра........95

3.5. Отношение выходов дейтронов и протонов............114

3.6. Сравнение с другими экспериментами...............119

3.7. Выводы к третьей главе.......................124

Заключение .................................125

Литература .................................128

Введение

Актуальность работы

В настоящее время источником наиболее интересных экспериментальных данных в области физики высоких энергий является большой адронный коллайдер (LHC) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН). Дальнейшее развитие физики в этой области связывают с принципиально новыми ускорительными комплексами, такими как Международный линейный коллайдер ILC [1] и мюонный коллайдер [2]. Эксперименты на мюонном коллай-дере позволят провести более точную проверку Стандартной модели, поиск новых частиц и явлений, выходящих за ее рамки (таких как SUSY), детально исследовать явления, которые, возможно, будут открыты на LHC, а также решить многие другие задачи. В настоящее время проект мюонного ко л лай-дера активно разрабатывается в Национальной ускорительной лаборатория имени Ферми, где уже ведутся работы по созданию протонного предускори-теля в рамках «Проекта X» [3]. Наряду с техническими трудностями, связанными с охлаждением и удержанием мюонов, существует проблема выбора оптимального материала мишени для генерации потоков пионов высокой интенсивности в мюонном источнике. От успешного решения этой проблемы будут зависеть требования, предъявляемые к мощности протонного предуско-рителя. Наряду с тяжелыми мишенями (Та, Нд) один из основных вариантов конструкции коллайдера предполагает использование струйной графитовой мишени или мишени на основе карбоновых пленок для получения пучка пионов.

Однако точность, с которой известны сечения образования пионов протонами, в настоящее время недостаточна для оптимального выбора материала мишени. Точность существующих теоретических моделей также недостаточна для проведения подобных расчетов. В связи с этим, экспериментальное

измерение сечений рождения пионов пучками пионов и протонов на углероде с точностью не хуже 10% имеет решающее значение при проектировании мюонного коллайдера.

Сочетание измерений сечений образования адронов (включая более тяжелые частицы, такие как дейтроны) на ядрах углерода с аналогичными измерениями на других ядрах (например меди и др.) позволяет исследовать их зависимость от массы и заряда ядер, что явится критической проверкой теорий, претендующих на полное описание адрон-ядерных взаимодействий. Можно отметить повышение интереса к подобным теориям, связанное с планируемой реализацией программ по исследованию ядро-ядерных столкновений (эксперименты на ускорительных комплексах FAIR и NICA), поэтому получение экспериментальных данных хорошего качества по адрон-ядерным взаимодействиям в настоящее время является актуальной задачей.

Цель работы

рии сильных взаимодействий, включая:

1. измерение дважды дифференциальных сечений образования протонов и заряженных пионов в реакциях тг^р + С;Си —7г±,р + X, при импульсе пучков от 3 до 15 ГэВ/с, в диапазоне углов вылета от 20° до 125° и для поперечных импульсов вторичных частиц от 0.1 до 1.25 ГэВ/с;

3. разработку и применение методов калибровки в измерении времени пролета в спектрометре больших углов и ионизационных потерь во время-проекционной камере эксперимента HARP [4].

Научная новизна

Практическая значимость

интерпретации результатов экспериментов по поиску осцилляций атмосферных нейтрино.

Разработана методика измерения ионизационных потерь во времяпроек-ционной камере эксперимента HARP, что позволило учесть влияние аппаратурных эффектов. Созданы новые методы калибровки камер RPC в случае применения их для прецизионного измерения времени пролета, позволившие достичь собственного разрешения 127 пикосекунд. Данные методы и созданное на их основе программное обеспечение применены при анализе данных эксперимента HARP и могут использоваться в новых экспериментах с аналогичными детекторами.

Автор защищает

1. Результаты экспериментального исследования процессов инклюзивного рождения протонов и заряженных пионов на ядрах углерода и меди при энергии налетающих протонов и пионов 3, 5, 8, 12,15 ГэВ/с в диапазоне углов вылета 20° - 125°.

2. Измерение отношения выходов дейтронов к выходу протонов в реакциях р, 7г± + А —>■ р, d + X при импульсе налетающих протонов 3-15 ГэВ/с, где А = Be, С, Си, 5п, Та, РЬ.

Апробация работы

Результаты, выносимые автором на защиту, опубликованы в работах [6-11].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

1. Выводы к введению

Результаты, полученные на ядрах углерода, необходимы для выбора наилучшего материала мишени в мюонном источнике при проектировании ускорительного комплекса нового поколения — мюонного коллайдера. В настоящее время графитовая мишень рассматривается как один из основных вариантов и окончательный выбор будет определяться возможностью достижения требуемой интенсивности потока пионов при заданной мощности протонного драйвера.

Измеренные в данной работе сечения образования вторичных адронов на

ядрах углерода позволят достичь более высокой точности расчетов потока и спектра атмосферных нейтрино, открывают возможность снижения систематической ошибки при интерпретации результатов экспериментов по поиску нейтринных осцилляций, а также могут быть использованы при планировании новых нейтринных экспериментов.

Глава 1

Экспериментальная установка — HARP

Экспериментальная установка HARP [4],[6],[8],[9] была спроектирована для измерений с точностью нескольких процентов дифференциальных по углу и энергии сечений рождения заряженных адронов в зависимости от типа пучковой частицы (7Г±, протоны) и типа вторичных частиц (7Г±, протоны, дейтроны). Измерения проводились систематически в широких диапазонах различных параметров: атомного номера вещества мишени (от водорода до свинца), импульса пучковых частиц (от 1.5 до 15 ГэВ/с), импульса вторичных частиц (от 100 МэВ/с до нескольких ГэВ/с), угла рассеяния (от 2 до 140 градусов).

Схема экспериментальной установки HARP приведена на рисунке 1.1. Детектор HARP состоит из спектрометра малых углов, спектрометра больших углов и системы мониторирования пучка. В эксперименте использовалась декартова система координат, с осью направленной вдоль пучка. Полярный угол 0 отсчитывался относительно направления оси азимутальный угол ф определялся вращением по часовой стрелке вокруг оси Начало координат находилось в центре мишени.

1.1. Исследуемые мишени

В эксперименте HARP измерения проводились с мишенями, изготовленными из разных материалов различной толщины. В данной работе использовались данные, полученные на углеродной и медной мишенях толщиной равной 5% ядерной длины (5% Л¿ni). При построении зависимостей сечения от ядра использовались также данные, полученные на бериллиевой, оловян-

drift chambers

Спектрометр больших углов (2О<0 <140°)

ТРС + RPCs in l\ solenoid magnet L*

ТЭ beam CERN

time-of- flight :cin!i lators

bci.m-m uort identifier

electron identifier

cosmics trigger wall

threshold Cherenkov

dipole magnet FTP + RPCs

Рис. 1.1. Экспериментальная установка HARP

ной, танталовой и свинцовой мишенях.

Медная мишень представляет собой диск, изготовленный из меди высокой чистоты (99.99%), с плотностью 8.91 г/см3, радиусом 15.1 мм и толщиной 7.52 ±0.05 мм.

Углеродная мишень представляет собой диск, изготовленный из углерода высокой чистоты (99.99%), радиусом 15.13 мм и толщиной 18.95 мм. Измеренный вес мишени был 25.656 граммов, что приводит к плотности мишени 1.88 г/см3, на 17% меньше величины, приводимой в таблицах, и равной 2.27 г/см3. В далыпейшем для нормировки будет использовано измеренное значение плотности материала углеродной мишени. Число набранных событий на углеродной и медной мишенях было вполне достаточно для получения значений дифференнциальных сечений с проектной статистической точностью.

1.2. Мониторирование пучка Т9

Эксперименты проводились на пучке Т9 в восточном экспериментальном зале протонного синхротрона ЦЕРН (Женева). Этот канал позволяет получать пучки с импульсами в диапазоне 1.5—15 ГэВ/с и монохроматичностью Ар/р ~ 1%. Так как изначально в канале присутствуют положительно и отрицательно заряженные частицы, изменяя параметры магнитооптической системы тракта, возможно формирование пучков положительно или отрицательно заряженных частиц. В дальнейшем положительно заряженным частицам будем приписывать импульс положительного знака, а частицам с отрицательным зарядом — отрицательный импульс.

rpc

трс

itc

.....F^- "Т"......""""

\ target

mwpc

halo а

tds

'О П

halo в

bgb

вс а

tofb

TOFA

ftp

Рис. 1.2. Система мониторирования пучка.

Система мониторирования пучка приведена на рисунке 1.2. Она состоит из 4 многопроволочных пропорциональных камер MWPC, которые измеряют координаты и направление пучковой частицы с точностью ~ 1 мм и ~ 0.2 мрад, двух пороговых черенковских детекторов ВСА и ВСВ (длиной 5 и 3 метра) и времяпролетной системы из трех сцинтилляционных детекторов TOFA, TOFB, TDS. Кроме того, для подавления фона от частиц из гало пучка применялись сцинтилляционные детекторы HALOA и HALOB, представляющие собой сцинцилляционные пластины с отверстием в центре. Детектор BS (пучковый сцинтиллятор) служил триггерным счетчиком, кото-

рый являлся общим временным репером для всех временных измерений эксперимента HARP. Временные измерения TOFA, TOFB и TDS служили для определения времени попадания пучковой частицы в точку взаимодействия в мишени, которое служило референсом для измерения времени пролета вторичных частиц в камерах RPC и времяпролетной стенке спектрометра малого угла. Поэтому очень важно определить этот референс как можно точнее. Координата относительно центра мишени и собственное разрешение каждого счетчика приведены в таблице 1.1. Времяпролетная система позволяла определять момент взаимодействия частиц в мишени с точностью 107 пикосекунд. ITC - внутренний триггерный цилиндр - служил для определения попадания вторичной частицы в спектрометр больших углов, FTP - передняя триггер-ная плоскость - служила для определения попадания вторичной частицы в спектрометр малых углов.

Таблица 1.1. Координата z пучковых счетчиков и их разрешение.

счетчик положение [м] разрешение [псек]

TOFA -25.395 101

TOFB -4.030 130

TDS -1.145 138

Времяпролетная система и черенковские детекторы использовались для идентификации частиц пучка. Идентификация пучковых частиц обеспечивалась двумя пороговыми черенковсими детекторами, заполненными азотом, и времяпролетными измерениями на базе 24.3 метра. Таблица 1.2 показывает по каким критериям проводилось разделение пучковых частиц.

В пионном пучке присутствовала некоторая доля мюонов, образовавшаяся в тракте из распадов пионов, и электронов из конверсии фотонов из распа-

Таблица 1.2. Идентификация частиц.

Импульс пучка [ГэВ/с] Разделение р/7г+ Разделение 7г/е

±3.0 время пролета ВСВ (1.05 бар)

±5.0 время пролета ВСА (0.60 бар)

±8.0 ВСА (1.25 бар) ВСВ (1.50 бар)

±12.0 и ±15.0 ВСА (3.50 бар) ВСВ (3.50 бар)

да 7г°. Только при импульсах 3 и 5 ГэВ/с было возможно идентифицировать электроны и обеспечить разделение 7г/е.

Рисунок 1.3 (а) показывает относительную скорость /3, измеренную вре-мяпролетной системой, для заряженных частиц с импульсом +8.9 ГэВ/с, отдельно для протонов и пионов, идентифицированных в черенковских детекторах. Разрешение на скорость пучка составляло о(г>)/г> ~ 0.3 % для частиц, движущихся со скоростью света. Рисунок 1.3 (Ь) показывает сигнал в одном пучковом черенковском детекторе для протонов и пионов идентифицированных путем отсутствия сигнала в другом пучковом черенковском детекторе. При всех импульсах пучка разделение пионов и протонов проводилось с фоном не более 0.1%.

Доля мюонов и электронов в пионном пучке была экспериментально определена [12, 13] при помощи мюонного идентификатора и электромагнитного калориметра и представлена в таблице 1.3 для всех импульсов. Для определения сечения взаимодействия пионов, доля мюонов и электронов должна быть вычтена из потока налетающих пионоподобных частиц. Для пучков с импульсами 3 и 5 ГэВ/с вычитание доли электронов не требовалось, так как

Рис. 1.3. (а) Скорость /3, измеренная времяпролетной системой для протонов (заштрихованная гистограмма) и пионов, для частиц идентифицированных в пучковых черенков-ских детекторах; (Ь) Отсчеты АЦП для светов�