Измерение сечений рождения заряженных пионов на установках Московской мезонной фабрики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

КАРАВИЧЕВА Татьяна Львовна

ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЙ РОЖДЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ПИОНОВ НА УСТАНОВКАХ МОСКОВСКОЙ МЕЗОННОЙ ФАБРИКИ

01.04.16. - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

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

Москва - 1999

Содержание

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

Глава 1. Экспериментальная установка PLASMAS........................14

1.1. Основные требования к экспериментальной методике...................17

1.2. Детекторы установки PLASMAS.............................................19

1.3.Методы идентификации и измерения энергии пионов....................21

1.3.1. Метод идентификации пионов............................................23

1.3.2. Метод измерений энергии пионов сцинтилляционной

«пробежной» структурой детекторов.................................23

1.4. Пучок...............................................................................24

1.5. Организация триггера первого уровня и система сбора данных.......25

1.5.1. Организация триггера первого уровня..............................27

1.5.2. Система сбора данных..................................................28

1.5.2.1. Интеллектуальный крейт-контроллер СС51А................30

1.5.2.2. Работа с блоком логической обработки сигналов L0-1.....32

1.5.2.3. Подбор задержек...................................................33

1.6. Организация приема и On-line обработки данных........................34

1.6.1. Архитектура системы.......................................................34

1.6.2. Подсистема сбора и управления данными и экспериментом.....36

1.6.2.1. Программа -монитор микро-ЭВМ контроллера СС51А.....37

1.6.2.2. Программа считывания данных READOUT....................39

1.6.2.3. Программа управления данными и экспериментом............41

1.6.2.4. Организация взаимодействия программ...........................44

1.6.2.5. Программирование модуля LO-1..................................44

1.6.2.6. Программирование задержек и генератора.......................45

1.6.2.7. Прием данных от системы сбора данных..........................46

1.6.3. Организация on-line обработки данных................................47

1.7. Методика проведения эксперимента и алгоритмы обработки

данных..............................................................................47

1.7.1. Обработка экспериментальных данных установки

PLASMAS.....................................................................48

1.7.2. Вычисление отношения выхода 7i+ и п мезонов.....................54

ГЛАВА 2. Экспериментальная установка CLAMSUD....................56

2.1. Общее описание спектрометра................................................56

2.2. Оптические свойства спектрометра...........................................59

2.3. Методика измерения импульса и идентификация частиц................61

2.4. Детекторы фокальной плоскости.............................................64

2.4.1. Дрейфовые камеры...........................................................67

2.4.2. Сцинтилляционные детекторы............................................71

2.5. Пучковые детекторы.............................................................73

2.6. Организация триггера и система сбора и обработки данных............76

2.6.1. Организация триггера......................................................76

2.6.2. Системы сбора и обработки данных установки CLAMSUD.......79

2.6.3. Архитектура программного обеспечения..............................80

2.7. Обработка экспериментальных данных.....................................86

2.7.1. Идентификация частиц...................................................87

2.7.2. Восстановление траектории и угла вылета частицы из спектрометра...............................................................91

2.7.3.Эффективность регистрации и идентификации пионов............92

2.7.4. Вычисление двойных дифференциальных сечений рождения

пионов.......................................................................94

Глава 3. Система тестирования модулей электроники...................96

3.1. Тестирование модулей ЗЦП и ВЦП..........................................96

3.1.1. Тестирование модулей ВЦП...............................................97

3.1.2 .Тестирование модулей ЗЦП/АЦП........................................97

3.2. Тестирование счетчиков импульсов..........................................99

3.3. Тестирование крейт-контроллера СС51А...................................99

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований рождения заряженных пионов в реакции рСи-> я*Х при энергии протонов 175-305МэВ.....................................102

4.1. Исследование относительного выхода положительных и отрицательных я-мезонов при околопороговых энергиях.............102

4.1.1. Экспериментальные результаты измерения отношения

выхода к и 7г" мезонов на установке PLASMAS......................107

4.2. Экспериментальные результаты измерения сечения и углового распределения рождения п+- мезонов на установке CLAMSUD......114

Заключение...........................................................................122

Приложение..........................................................................126

Литература............................................................................127

Введение

Для изучения многонуклонных корреляций и импульсных распределений нуклонов в ядрах, весьма перспективным направлением является исследование реакции подпорогового рождения частиц. Значительный интерес представляют эксперименты с подпороговым рождением пионов при взаимодействии протонов с ядрами.

Для столкновения свободных нуклонов пороговая энергия имеет значение около 290 МэВ, в протон-ядерном столкновении абсолютный порог снижается до значения около 140 МэВ. Подпороговым рождением обычно называют рождение пионов при энергии пучка ниже порогового значения для столкновения свободных нуклонов. Интерес к этому классу реакций обусловлен возможностью изучения в них как свойств самой ядерной материи при малых межнуклонных расстояниях, так и свойств (масс, ширин распада) рожденных мезонов в ядерной среде, а также динамики реакции. В этом процессе неизбежно должны проявиться и коллективные свойства ядра. Предложено значительное число моделей, претендующих на описание этого процесса, однако в настоящее время полной и законченной теории рождения я-мезонов на ядрах еще не существует. Трудности возникают как из-за отсутствия систематических экспериментальных данных в некоторых энергетических областях, так и вследствие неоднозначности интерпретаций наблюдаемых закономерностей. Изучение подпорогового рождения пионов позволяет более детально исследовать не только механизм их рождения, но и роль вторичных взаимодействий (перезарядки, поглощения пионов), особенно для тяжелых ядер.

Большинство экспериментальных данных [1,4-12] по инклюзивному подпороговому рождению пионов имеются в основном лишь для нескольких ядерных мишеней в ограниченной области энергии протонов. В эксперименте [10] двойные дифференциальные сечения были измерены при

энергиях протонов 180 и 201 МэВ. Полностью отсутствуют данные по измерению пионов низких энергий ( Тп<20 МэВ) и энергетической зависимости сечения рождения пионов на ядрах с малым шагом по энергии протонов.

В цикле совместных экспериментов ИЯИ РАН и ЛЯП ОИЯИ, выполненных в интервале энергий протонов 240-550 МэВ [3-5], в спектре

о

пионов, образованных на медной мишени под углом 90 , была обнаружена нерегулярность в энергетической зависимости отношения сечений образования мягкой и жесткой частей спектров заряженных пионов при энергии протонов около 350 МэВ. Было показано, что эта нерегулярность связана с обогащением мягкой (20-40 МэВ) части спектра пионов. Эта аномалия в спектре пионов была подтверждена в измерениях в Сакле на ускорителе "Сатурн "[6]. Обнаружено, что ширина резонансной структуры весьма мала, около 5 МэВ [7]. В лаборатории ядерных проблем ОИЯИ выполнены измерения [8] рождения пионов род углами 90 , 115° и 125° при нескольких энергиях протонов вблизи 350 МэВ. Оказалось, что вид аномалии в зависимости от энергии протонов различен для различных углов рождения. Резонансное поведение обнаруживает только пионы с энергией до 60-70 МэВ. Отношение выхода пионов с энергиями 20-60 МэВ к выходу пионов с энергией большей 60 МэВ имеет резонансный характер с шириной 5-7 МэВ. Уже при 115 резонанс сглаживается, а при 125° он имеет вид перегиба при резонансной энергии. Эти данные в сочетании с уже известными ранее позволили выдвинуть новые соображения о природе аномального рождения пионов [2,9]. Из ограниченности кинетической энергии пионов, обнаруживающих резонансную зависимость, значением 6070 МэВ предложена гипотеза об определяющем распаде АА - резонансного состояния ядра с энергией возбуждения 350 МэВ с испусканием двух пионов. Показано, что изменение вида резонансной зависимости при различных углах объясняется интерференцией между резонансной и нерезонансной реакцией (р,2тг). Исследования рождения пионов при

взаимодействии протонов с ядрами были проведены на ускорителе CELCIUS (Уппсала, Швеция) [13] и на мезонной фабрике TRIUMF [И]. В этих работах обнаружено усиление выхода пионов низкой энергии при энергии протонов около 350 МэВ. Измерения сечений рождения п+

о

мезонов под углом 90 при взаимодеиствии протонов с ядрами меди в диапазоне энергий от 340 до 364 МэВ проведенные на Московской мезонной фабрике позволили подтвердить существование узкой резонансной структуры в функции возбуждения ядра при энергии протонов 348-350 МэВ[14,34]. Можно предположить, что аналогичная резонансная зависимость будет наблюдаться и при энергии протонов 175 МэВ. В этом случае узкое А -резонансное состояние ядра с энергией возбуждения 175 МэВ распадается с испусканием одного пиона.

В ряде экспериментов [10,17] по рождению пионов при энергии налетающих протонов 201 МэВ наблюдается значительное отличие в зависимости сечений рождения положительных и отрицательных пионов от массы мишени. Отношение g(7t+)/g(7i") изменяется от ~3 для тяжелых мишеней до ~12 на №. Наблюдаемое отличие этих отношений от вычисляемых по модели рождения пионов только в элементарном нуклон-нуклонном взаимодействии может быть связано со вторичным NN взаимодействием, поглощением, перерассеянием, перезарядкой пионов[17].

Область энергии протонов вблизи порога рождения пионов на свободном нуклоне имеет ряд преимуществ. В этой области энергий при достаточно больших углах испускания основной процесс рождения л-мезона в свободном нуклон-нуклонном соударении либо полностью запрещен, либо существенно подавлен. Фермиевское движение внутриядерных нуклонов уменьшает это ограничение. При энергии пионов менее 50МэВ взаимодействие медленных пионов с ядерной материей достаточно слабое (сечение пион- нуклонного взаимодействия приблизительно равно Юмбн), информация о внутренней структуре ядра ожидается менее замаскированной каскадными процессами. В указанном

интервале энергий могут также проявиться корреляционные эффекты, связанные с наличием порогов образования пион-нуклонных и дибарионных резонансов [16,22,56-59].

Эффективность проведения экспериментов с использованием интенсивных пучков во многом определяется характеристиками и возможностями электроники физических установок и применением достижений вычислительной техники. Это способствует сокращению сроков проведения экспериментов, повышению эффективности использования дорогостоящего оборудования, постановке принципиально новых методик, освобождению исследователей от рутинных операций. Информационные потоки от экспериментальных установок определяются исходными параметрами, обусловленными ускорителями, физикой и детекторами. Скорость поступления событий есть прямой результат комбинации между максимальной частотой столкновений в секунду на квадратный сантиметр, сечением физического процесса и измеренным или оцененным фоном от ускорителя. Размер события зависит не только от числа каналов, но также сильно зависит от возможности эффективно сжимать данные на этапе считывания данных.

Создание и использование многомашинных измерительно-вычислительных комплексов в практике физических исследований имеет более чем 30 летнюю историю [29,32,33,47,54,77-79]. Переход на качественно новый уровень как самих ЭВМ, так и на использование сетевой технологии позволил более комплексно удовлетворить требования физического эксперимента, необходимой составляющей которого является система сбора и обработки данных в реальном времени.

Основные достижения в автоматизации научных исследований отражены в материалах Всесоюзных и Международных конференций, совещаний [77-78]. В настоящее время в различных центрах ядерных исследований широко используется модульная электроника в стандарте КАМАК, УМЕ, БАЗТВШ и др. Чаще всего для построения систем

реального времени применяются процессоры семейства Motorola 68К и Intel, однако все они постепенно заменяются PowerPC. На верхних уровнях управления и для разработки новых программ применяются мощные рабочие станции. В области сетевых технологий чаще всего используется Ethernet-технология для поддержки загрузки программного обеспечения, протоколы TCP/IP. В качестве операционных систем реального времени используются OS-9, LynxOs, VxWorks или их аналоги. Кроме того, некоторые встроенные системы записываются в ППЗУ и исполняются на миниконтроллерах Motorola (МС683хх) или Intel под управлением коммерческих ОСРВ или автономно. Однако, несмотря на достигнутые успехи в этой области, в экспериментальной физике проблема автоматизации эксперимента продолжает оставаться весьма актуальной.

Актуальность работы. В связи с преимуществами исследования процесса инклюзивного подпорогового рождения пионов на ядрах, а также из-за отсутствия данных по выходам пионов низких энергий (Тя<20МэВ), измерение энергетической и угловой зависимости сечения рождения пионов на ядрах с малым шагом по энергии протонов является актуальным для изучения процесса образования тс-мезонов в этой области энергий и для получения новых данных о структуре ядра. Поскольку величина сечения вблизи абсолютного порога весьма мала (несколько нанобарн), для проведения таких измерений необходимы интенсивные пучки протонов, которые доступны на Московской Мезонной фабрике. В настоящее время экспериментальные данные по полным и особенно по дифференциальным сечениям рождения заряженных пионов на ядрах имеются в основном лишь в надпороговой области энергий первичных протонов. Для проведения исследований с использованием интенсивных пучков возрастающее значение имеют работы по автоматизации ядерно-физических исследований, проводимых на линейном ускорителе ММФ. Необходимость набора большой статистики (особенно в условиях недостатка пучкового времени) предъявляет жесткие требования к быстродействию детекторов

частиц, системам сбора данных и требует создания эффективных систем отбора полезных событий, так как основная загрузка в детекторах может быть обусловлена фоновыми процессами. С учетом этих требований возникает необходимость создания систем на основе нового поколения микропроцессоров, средств сопряжения и связи на основе интеграции системной и сетевой технологий.

Основной целью диссертационной работы является получение экспериментальных данных по рождению %+ и 7г"-мезонов при соударении протонов низких энергий (170 -305 МэВ) с ядрами меди:

р+Си—» 71±+Х

на установках PLASMAS и CLAMSUD Московской Мезонной фабрики. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Определение требований к методике измерения рождения тг-мезонов на ядрах в околопороговой области энергии протонов (175-305 МэВ).

2. Разработка систем быстрого отбора полезных событий, что позволяет повысить эффективность работы экспериментальных установок.

3. Разработка автоматизированной системы настройки и контроля системы предварительного отбора событий с экспериментальных установок.

4. Создание систем сбора и "on-line" обработки данных с экспериментальных установок PLASMAS и CLAMSUD.

5. Разработка программного обеспечения для "off-line" обработки физической информации и анализ экспериментальных данных.

Научная новизна диссертационной работы. Экспериментальные данные, полученные в экспериментах, имеют достаточно высокую степень новизны. Для реакций взаимодействия протонов с ядрами меди измерены энергетические зависимости отношения сечений (Ntc4" /N71") рождения % -мезонов под углом 105° к оси пучка при энергиях протона от 175-305 МэВ. Впервые получены энергетические спектры пионов при энергиях протонов ниже 180 МэВ. В области энергии протонов 175-305 МэВ получены данные

по сечению рождения заряженных пионов низких энергий. При энергии протонов 248 МэВ получены угловые распределения пионов низких энергий.

Практическая ценность работы. Получены экспериментальные данные по рождению л+ и 7г"-мезонов при соударении протонов низких энергий (170 — 305 МэВ) с ядрами меди. Создана многопроцессорная система сбора и обработки данных, построенная на основе VME шины с использованием VME процессоров Motorola 68020, 68000 , аппаратуры КАМАК и компьютера Macintosh-II, что позволило провести исследования по рождению 7г+-мезонов с использованием магнитного спектрометра CLAMSUD. Разработана и создана распределенная система сбора и обработки информации на основе интеллектуального контроллера СС51А, аппаратуры КАМАК и трех компьютеров IBM PC, что способствовало успешному проведению эксперимента на установке PLASMAS. Развитая методика идентификации пионов и организация систем сбора и обработки данных используется для подгото�