Измерение сечения дифракционного глубоконеупругого рассеяния с лидирующим протоном в эксперименте H1 на электрон-протонном коллайдере HERA тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОГО ГЛУБОКОНЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ С ЛИДИРУЮЩИМ ПРОТОНОМ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ Н1 НА ЭЛЕКТРОН-ПРОТОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ HERA

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1-2012-137

На правах рукописи УДК 539.12+539.125.4+539.1.07

Владимир Николаевич

СПАСКОВ

г 4 янв 2013

Дубна 2012

005048538

005048538

Работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий имени В.И. Векслера и A.M. Балдина Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук

Капишин Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: Зотов Николай Петрович

доктор физ.-мат. наук, НИИЯФ МГУ, г. Москва, ведущий научный сотрудник

Поздняков Валерий Николаевич доктор физ.-мат. наук, ЛФВЭ ОИЯИ, г. Дубна, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Институт физики высоких энергий,

г.Протвино

Защита состоится \?.!...."...££....2013 г. в {.(...-Ъ..О. часов на заседании диссертационного совета Д 720.001.02 на базе Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна Московской области, ОИЯИ, ЛФВЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛФВЭ ОИЯИ.

7/ J>7

Автореферат разослан .....2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

/•уВ.А. Арефьев

1 Общая характеристика работы 1.1 Актуальность темы исследования

Во второй половине двадцатого века развитие теоретических и экспериментальных методов привели к созданию Стандартной модели (СМ) в физике элементарных частиц. С тех пор всесторонняя проверка предсказаний СМ является одной из главных научных задач, решаемых физиками во многих экспериментах. Процессы глубоконеупругого рассеяния (ГНР) сиграли и играют ключевую роль в развитии наших представлений о структуре ад-ронов и могут эффективно использоваться для проверки положений квантовой хромодинамики (КХД), одной из составляющих СМ. Одним из открытий, сделанных на коллайдере HERA, было наблюдение в ГНР событий с дифракционной топологией. Поэтому исследование дифракции в ГНР, измерение сечения таких процессов играют ключевую роль в проверке КХД -части стандартной модели и являются актуальными задачами в современной физике частиц.

Термин дифракция в физике частиц был введен1 в пятидесятых годах прошлого столетия из-за наблюдающейся "аналогии" формы дифференциального сечения упругого рассеяния адронов по углу рассеяния с последовательностью чередующихся локальных максимумов и минимумов с характерной формой распределения интенсивности оптической дифракции. Модель полюсов Редже (реджистика), разработанная в 1960-х гг. в рамках аналитической теории 5-матрицы, описала основные свойства мягких (т.е. периферических, идущих с малыми переданными импульсами) взаимодействий адронов с помощью обменов траекториями Редже.

В начале 1990-х гг. на коллайдере HERA (в ер рассеянии), изначально предназначенном для изучения внутренней структуры протона, были обнаружены новые явления, связанные с дифракцией, а именно: в глубоконе-упругом ер рассеянии были обнаружены события, в которых отсутствуют адроны в большом интервале быстрот между рассеянным протоном и продуктами адронизации фотона (Large Rapidity Gap, LRG). Доля таких событий составляет ~10% и не зависит от энергии в системе центра масс реакции. Такие процессы были интерпретированы как дифракционные. При изучении дифракционных процессов было установлено, что обмен происходит бесцветным объектом, имеющим квантовые числа вакуума (в рамках реджеонной теории - это обмен померонной траекторией Р, которой не соответствует ни

'Имена связанные с этими ранними работами таковы: Л.Ландау, И.Померанчук, И.Фейнбеог А.Ахиезер, А.Ситенко, В.Грибов.

одна из известных частиц). Обнаружение дифракции в ГНР стимулировало попытки понять дифракцию частиц с точки зрения КХД, исследовать структуру вакуумного обмена - померона в рамках КХД.

Несмотря на большие достижения в понимании дифракционных процессов, существуют проблемы, которые еще не решены, а именно: универсальность описания дифракционных процессов, таких как инклюзивные процессы или процессы рождения векторных мезонов, очарованных адронов и струй адронов в рамках КХД. В таких процессах квадрат переданного 4-импульса виртуального фотона, масса cub кварков, поперечный импульс адронной струи обеспечивают шкалу жесткости для применения КХД рас-четои. Поэтому тема диссертации "Измерение сечения дифракционного глу-60K0ic:viipyi ого рассеяния с лидирующим протоном в эксперименте HI на '-}Лг:к*1 рон-про'1 онпом коллайдере HERA" важна и актуальна для развития Mf;io,joi; иг;с.к:доиания дифракции и их интерпретации в рамках комбинированно; о подхода, основанного на теории Редже и КХД.

1.2 Цель диссертационной работы

Цг:лью данной диссертационной работы являлось исследование дифракционных процессов в глубоконеупругом ер рассеянии с регистрацией лидирующего протона спектрометром лидирующих протонов (FPS), измерение сечения таких процессов и проверка применимости гипотезы о факторизации процессов в протонной вершине для описания дифракционного ГНР с помощью многоцелевой установки HI на коллайдере HERA.

Дифракционные события на коллайдере HERA надежно идентифицировались в центральных детекторах по наличию большого быстротного интервала между лидирующим протоном и остальными продуктами реакции (LRG метод), но при этом присутствовала часть событий с диссоциацией лидирующего протона. Принципиальной методической задачей являлось прямое измерение импульса лидирующих протонов с помощью FPS (FPS метод). Предполагалось провести сравнение результатов, полученных LRG и FPS методами для выявления общих свойств и отличий, а также для вычисления вклада протонной диссоциации в LRG.

1.3 Основные результаты диссертационной работы

В результате исследования дифракционных процессов в глубоконеупругих ер столкновениях на коллайдере HERA были получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:

• Измерены сечения оу^4' и оу^3' в дифракционных процессах глубоконе-упругого ер рассеяния при виртуальности фотона 4 < Q2 < 110 ГэВ2 с лидирующим протоном в конечном состоянии с помощью FPS метода. Экспериментальная погрешность наиболее точных измерений составляет ~10%;

• Впервые измерено сечение адифракционного глубоконеупругого ер рассеяния с лидирующим протоном в конечном состоянии при больших значениях виртуальности фотона Q2 (120 < Q2 < 700 ГэВ2);

• Измерены параметры померонной траектории aIP(t) = q/p(0) + a'IPt и наклона сечения BlP ~ eB'pt), где t - квадрат переданного 4-импульса в протонной вершине реакции. Значение померонного интерсепта а1Р(0) = 1.10 ± 0.02(эксп.) ±0.03(модель) согласуется с измерениями а/р(0), проведенными в процессах мягкого адрон-адронного рассеяния. В то же время наклон померонной траектории а'1Р = 0.04 ± 0.02(эксп.)1^®(модель) ГэВ-2 в процессах дифракционного ГНР меньше, чем для мягких адронных взаимодействий. Параметры померонной траектории не зависят от Q2 в пределах погрешностей. Полученные значения а1Р и В1Р характеризуют дифракционные процессы в жестком рассеянии;

• Получены новые экспериментальные свидетельства универсальности дифракционных партонных распределений в протоне и применимости гипотезы о факторизации процессов в протонной вершине для описания дифракционного ГНР;

• Проведено сравнение сечения crf(3), измеренного FPS (aFPS) и LRG {olrg) методами и вычислен вклад процессов дифракционной диссоциации протона в aLRG. Отношение aLRG/aFPS = 1.20 ± 0.11(эксп.) не зависит от Q2 и ß, что указывает2 на универсальность КХД процессов фотон-партонного рассеяния в реакциях с образованием лидирующего протона в конечном состоянии и с дифракционной диссоциацией протона;

• Разработана методика реконструкции лидирующих протонов в спектрометре FPS с использованием технологии Roman Pot и сцинтилляцион-ных фиберных детекторов.

беременная ß = х/х1Р, где х - переменная Бьеркена, а х!Р - продольная доля импульса протона переданная в дифракционном обмене

1.4 Научная новизна работы

В данной работе представлены новые результаты по измерению сечения дифракционного глубоконеупругого ер -» еХр рассеяния, полученные в эксперименте Н1 на коллайдере HERA. Данные процессы характеризуются образованием в конечном состоянии лидирующих протонов, которые измерялись с помощью спектрометра лидирующих протонов (FPS). Увелечение светимости коллайдера во время периода HERA-2 позволило получить данные со статистической точностью приблизительно в 20 раз превышающей предыдущие FPS измерения (HERA-1 период).

Впервые было измерено сечение аj?^ в дифракционных процессах глубоконеупругого ер рассеяния с лидирующим протоном и конечном состоянии в кинематической области больших Q2 (120 < Q2 < 700 ГэВ2).

Были проведены измерения сечений оу^ и oyJt3) в дифракционных процессах глубоконеупругого ер рассеяния при А < Q2 < 110 ГэВ2 с лидирующим протоном в конечном состоянии с помощью FPS метода. Экспериментальная погрешность наиболее точных измерений составляет ~10%.

Проведенное сравнение сечения ayJ(,i\ измеренного FPS {apps) и LRG (ulrg) методами, позволило вычислить вклад процессов дифракционной диссоциации протона в aLRG. Были получены новые свидетельства универсальности дифракционных партонных распределений в протоне и применимости гипотезы о факторизации процессов в протонной вершине для описания дифракционного ГНР.

1.5 Научно-практическая значимость результатов

Полученные результаты по измерению сечения дифракционного глубоконеупругого ер рассеяния расширяют экспериментальный материал и могут быть использованы для дальнейшего развития и уточнения существующих представлений о природе дифракционного обмена, для развития методов и механизмов, лежащих в основе динамики дифракционных процессов. Также эти результаты могут быть использованы при планировании исследований на других экспериментальных установках и при других экспериментальных условиях.

1.6 Достоверность результатов

Основные результаты, представленные в диссертации, являются официальными результатами коллаборации Н1, что гарантирует их достоверность.

Эти результаты докладывались на международных конференциях, совещаниях и были опубликованы в реферируемых научных изданиях.

Результаты данной работы также согласуются с измерениями, полученными другим, статистически независимым, методом (LRG метод) и с результатами эксперимента ZEUS, одновременно работавшего на коллайдере HERA.

1.7 Личный вклад диссертанта

Автор участвует в эксперименте Hl с 1996 г. и внес личный вклад в выполнение задач, связанных с проведением эксперимента, измерениями и анализом данных. Определяющий вклад, сделанный автором в получение представленных результатов, заключается в следующем:

• Лабораторные тесты и инсталляция горизонтальных и вертикальных регистрирующих станций спектрометра FPS в туннеле коллайдера HERA.

• Разработка и введение в состав программного обеспечения эксперимента Hl программ мониторирования сигналов FPS, моделирования и реконструкции треков лидирующих протонов в горизонтальных и вертикальных детекторах FPS.

• Постоянная поддержка функционирования детекторов и программного обеспечения FPS во время набора статистики эксперимента HI, мони-торирование сигналов и эффективности FPS.

• Калибровка горизонтальных и вертикальных регистрирующих станций FPS, реконструкция энергии и поперечного импульса лидирующих протонов.

• Интеграция программ для реконструкции и анализа FPS событий в объектно-ориентированное программное обеспечение эксперимента HI в рамках пакета ROOT.

• Измерение сечения дифракционных глубоконеупругих процессов FPS методом и анализ характеристик таких прцессов, сравнение экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями КХД и с результатами, полученными другими (статистическими независимыми) методами.

• Подготовка результатов исследования к публикациям.

1.8 Апробация работы и публикации

Результаты, представленные в диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах и рабочих совещаниях коллаборации HI и на семинарах ЛФВЭ ОИЯИ. Результаты были представлены на международных совещаниях и конференциях:

• Low х workshop 011 deep inelastic scattering, diffraction, final states and related subjects, Lowx 2012, (Paphos, Cyprus, 2012).

• Ringberg workshop: New Trends in HERA Physics 2011 (Ringberg Castle, Bavaria, Germany, 2011).

• Low x workshop on deep inelastic scattering, diffraction, final states and related subjects, Lowx 2010, (Kavala, Greece, 2010).

• 18th International Workshop on Deep Inelastic Scattering and Related Subject DIS 2010 (Florence, Italy, 2010).

• 17th International Workshop on Deep Inelastic Scattering and Related Subject DIS 2009 (Madrid, Spain, 2009).

Основные результаты диссертации опубликованы в журналах "Nuclear Instru-ments and Methods"[1] и "The European Physics Journal C"[2],

1.9 Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка библиографии. Объем диссертации составляет 147 страниц, включая 76 рисунков, 11 таблиц и список библиографии из 91 наименования.

2 Содержание диссертации 2.1 Введение

Во введении сформулированы цели диссертационной работы, дана краткая характеристика темы и описана структура диссертации. Во введении отмечается актуальность темы исследования, научная новизна работы, личный вклад автора в получение представленных результатов.

2.2 Дифракционное глубоконеупругое рассеяние в ер столкновениях

В первой главе кратко описаны механизмы дифракционных и ГНР процессов в ер столкновениях, описана кинематика таких процессов и приведена необходимая терминология. Дан обзор существующих экспериментальных данных и теоретических подходов для описания свойств дифракционных процессов в физике высоких энергий.

2.3 Постановка эксперимента

Во второй главе дается краткое описание коллайдера HERA и установки HI. Более подробно описаны детекторы установки HI, которые были использованы в представленных измерениях: центральный трековый детектор (CTD), задняя пропорциональная камера (ВРС), калориметры SpaCal и LAr.

Также кратко описаны способы идентификации дифракционных событий на коллайдере HERA: метод большого быстротного интервала (LRG метод), основанный на анализе структуры событий в пространстве быстрот (псевдобыстрот), и метод лидирующего протона (FPS метод), основанный на регистрации лидирующего протона (рассеянного на малый угол с импульсом близким первоначальному) спектрометром лидирующих протонов (FPS).

Более подробно описывается спектрометр FPS, состоящий из четырех станций (Рис. 1), который был установлен в передней области детектора Hl на расстоянии 64-90 метров от точки ер стокновения, чтобы расширить аксептанс HI детектора в этой области и измерять импульс лидирующих протонов, рассеянных на углы меньше 1 мрад. Спектрометр состоял из двух

FPS

90V 81V 80Н 64Н

proton Г ||R" В'- ВМ | ф|.М_<» ВО QIJ Q10tl.ll В» HI*»

Q Ь"- «В-EHEwEZZl П * Ot^Zl GQ CZ]

FNC I ■

S6 S5 S4 S3 S2 SI

LPS

Рис. 1: Схематичное изображение расположения станций спектрометров лидирующих протонов LPS (детектор ZEUS) и FPS (детектор HI).

горизонтальных станций (64Н, 80Н), расположенных на расстоянии 64 и 80

_Н1 ZEUS

метров от точки взаимодействия и двух вертикальных (81V, 90V), расположенных на расстоянии 81 и 90 метров (Рис. I)3. Протон, рассеянный в результате столкновения на маленький угол, пройдя через пучковые магниты HERA, на расстоянии приблизительно 60м от точки взаимодействия имел отклонение несколько сантиметров от центральной орбиты протонного пучка и его импульс измерялся с помощью спектрометра. Каждая станция содержала многослойные сцинтилляционные фиберные детекторы, свет с которых собирался на многоканальные позиционно-чувствительные фотоумножители (РБРМ.ПЧФУ). Сцинтилляционные пластины перекрывали чувствительную область фиберных детекторов и использовались для триг-герного сигнала. Чтобы обеспечить необходимую апертуру пучка протонов при инжекции в HERA, фиберные детекторы устанавливались в подвижных плунжерных сосудах, т.н. Римских горшках (Roman Pots), которые находились в выведенном положении во время формирования пучка и настройки его орбиты. Когда достигались устойчивые параметры пучка, детекторы вводились как можно ближе к циркулирующему пучку протонов. Координаты расположения магнитов, с известным магнитным полем вдоль пучковой трубы, позволяли не только регистрировать рассеянный протон, но и восстанавливать импульс и угол рассеяния лидирующего протона. Между точкой столкновения и FPS станциями были размещены только дипольные и квад-рупольные магниты. Это позволяло независимо восстанавливать энергию рассеянного протона в обеих проекциях X и Y. Магнитная оптика между FPS и HI детектором использовалась как спектрометр.

На первом этапе реконструкции трека сработавшие фиберы в координатном детекторе группировались в кластеры, совместимые с треком. Каждая станция FPS состояла из двух идентичных фиберных детекторов, расположенных на расстоянии 60 мм друг от друга. Каждый кластер в первом детекторе объединялся с каждым кластером во втором детекторе, чтобы получить проекцию трека. Наклон этих проекций использовался, чтобы выбрать треки лидирующих протонов. Типичное распределение угла наклона с узким пиком, соответствующим трекам лидирующих протонов, показано на Рис. 2а. Две проекции объединялись в локальный трек. На Рис. 2Ь показано распределение реконструируемых треков в одной станции в плоскости XY.

Все локальные треки в чувствительной области детектора использовались для восстановления глобальных треков для каждой пары вертикальных и горизонтальных FPS станций с учетом коррекции на положение детекторов. Большое расстояние между двумя станциями позволяло измерять наклон

3В период HERA-2 первая станция распологалась на расстоянии 61 метр от точки взаимодействия

-и> ■ ■ I ................ ..................

-ло -zs -м -13 -Ii -в о л те

Local Tracks X / mm

Slope I гай

Рис. 2: Типичное распределение наклона реконструируемых треков в одной станции (а) и распределение треков в плоскости XY (Ь).

глобальных треков с точностью до нескольких мкрад. Для периода HERA-2, после модернизации FPS детектора, эффективность реконструкции трека лидирующего протона, пересекающего обе горизонтальные станции, составила 48%.

Интерсепт X и наклон X' глобальных треков в горизонтальной проекции были связаны с энергией Е и углом вх рассеянного протона с помощью двух линейных уравнений:

X = ах(Е) + Ъх(Е)-6х , X'= сх{Е) + dx(E) ■ вх .

Функции преобразования ах(Е), ЪХ{Е), Чс {Е) и dx(E) определялись из Мон-те Карло моделирования рассеянных протонов в центральных точках Z = +85 ми2 = +72 м для вертикальных и горизонтальных станций соответственно. Функции преобразования вычислялись относительно номинальной орбиты пучка. Фактическая орбита пучка изменялась для различных протонных заполнений в кольце HERA и, поэтому, прежде чем использовать параметры треков для восстановления энергии, требовалась калибровка положений детектора относительно пучка протонов.

Для калибровки горизонтальных станций использовались события дифракционного фоторождения р°-мезонов (ру* р р° р'тг+п~), где сравнивались переменные конечного состояния события полностью реконструируемого в центральном детекторе и в FPS. Калибровка положения детекторов относительно пучка протонов делалась для каждого заполнения протонов в кольце HERA. На Рис. 3 приведен р^-б&ланс между лидирующим

Рис. 3: Рх,„-баланс между лидирующим протоном и р°-мезоиом. Данные профитированы функцией Гаусса: а) средняя величина цх = 0.013 ± 0.014 ГэВ, ах = 0.037 ± 0.002 ГэВ; Ь) = -0.0026 ± 0.0037 ГэВ, ау = 0.096 ± 0.005 ГэВ.

протоном р, измеренным в FPS, и /-мезоном, измеренным в центральном детекторе. Видно, что баланс между импульсами лидирующего протона и р°-мезона сохранялся с хорошей точностью. Неопределенность в измерениях поперечного импульса составляла 10 МэВ для рх и 30 МэВ для ру при различных параметрах пучка протонов (положение и наклон в точке взаимодействия).

2.4 Анализ и обработка экспериментальных данных

В третьей главе описаны условия отбора дифракционных ер событий в ГНР и представлены результаты измерения сечений в дифракционном глубоко-неупругом ер еХр рассеянии. Описаны алгоритмы оценки и введения коррекций на смещаюшие факторы измерений, разбиения кинематической области на интервалы, расчета аксептансов и определения систематики измерений. Все алгоритмы были отлажены с помощью Монте Карло моделирования ер событий, сгенерированных МК генератором RAPGAP.

Данные, используемые в этом анализе, соответствуют интегральной светимости 156.6 пб-1 и были зарегистрированы детектором Н1 в е~р взаимодействиях (светимость 77.2 пб-1) и е+р взаимодействиях (светимость 79.4 пб"1) во время периода HERA-2 с 2005 по 2007 гг. Во время этого периода коллайдер HERA оперировал электронным и протонным пучками с энергиями Ее = 27.6 ГэВ и Ер = 920 ГэВ, что соответствует энергии в системе центра масс ер столкновения л/s = 319 ГэВ.

Отбор событий дифракционного ГНР, используемых в данном анализе, производился на основании совпадения триггерных сигналов FPS и сигналов в электромагнитном SpaCal или LAr калориметрах. Лидирующий протон измерялся в FPS, а рассеянный электрон реконструировался в SpaCal или LAr калориметрах.

Для подавления фоновых событий, вызванных синхротронным излучением и взаимодействием протонов с остаточным газом в пучковой трубе, для подавления фоновых процессов фоторождения и событий, в которых электрон теряет значительную энергию на электромагнитное излучение, применялись следующие условия отбора ГНР событий:

• Реконструированная z координата вершины события должна лежать в пределах 35 см Зст) от средней позиции. По крайней мере один трек, выходящий из вершины взаимодействия и восстановленный в CTD, обязан иметь поперечный импульс выше 0.1 ГэВ.

• Энергия Ее> и полярный угол ве> рассеянного электрона определялись из SpaCal (LAr) кластера, координаты которого соответствовали координатам трека от заряженной частицы, восстановленного в ВРС (CTD), и вершиной взаимодействия, восстановленной в CTD. Электрон должен удовлетворять условиям 154° < ве> < 176° и Ёе> > 8 ГэВ в SpaCal калориметре или 9е> < 154° и Ее> > 10 ГэВ в LAr калориметре.

• Величина Е — pz, вычисленная из энергий и продольных импульсов всех реконструированных частиц, включая электрон, должна лежать между 35 ГэВ и 70 ГэВ. Для ГНР событий с нейтральными токами эта величина должна быть равна двойной энергии электронного пучка, если пренебречь эффектами детектора и электромагнитным излучением.

Для лидирующего протона, измеренного в FPS, применялись следующие требования:

• Измерение ограничено областью с высоким FPS аксептансом: горизонтальная и вертикальная проекции поперечного импульса лежат в диапазонах -0.63 < рх < -0.27 ГэВ и \ру\ < 0.8 ГэВ, соответственно, и энергия лидирующего протона Ер> больше 90% протонной энергии пучка Ер.

• Величина E + pz, полученная суммированием по всем восстановленным частицам, включая лидирующий протон, должна быть ниже 1900 ГэВ. Для ГНР событий с нейтральными токами эта величина должна быть

равна двойной энергии протонного пучка, если пренебречь эффектами детектора. Это требование применялось, чтобы подавить случаи, где ГНР события, реконструированные в центральном детекторе, совпадают со случайным фоновым треком от гало пучка в FPS.

и г ~

g - —(- H1 FPS + (а)

ui - — Beam halo

а ~ ВЙ Syst. uncert

в -

» -

2 -

E+Pz (GeV)

Рис. 4: (а) Распределение E + pz для FPS ГНР событий (кресты) и для ГНР событий, реконструированных в центральном детекторе Н1, случайно совпадающих с гало протонов, дающему сигнал в FPS (гистограмма). Приведены систематические неопределенности (окрашенные полосы). (Ь) Энергетическое распределение лидирующего протона, реконструированного в FPS (кресты). Фон от гало пучка вычтен из данных. Распределение RAPGAP Монте Карло (гистограмма) приведено с экспериментальными систематическими неопределенностями (окрашенные полосы).

Чтобы оценить фон от гало пучка, величину Е + pz для всех восстановленных частиц в центральном детекторе в ГНР событиях (без требования трека в FPS) суммировали с величиной Е + pz, измеренной в FPS от событий, записанных со случайным триггером. Получающееся фоновое распре-

деление было нормализовано на распределение FPS ГНР данных в диапазоне Е + pz > 1900 ГэВ, где фон от гало пучка доминировал. В области Е + pz < 1900 ГэВ фон составлял в среднем 13 %. Спектр Е + pz для

-j- H1 FPS

-Rapgap MC

•" Syst. uncert.

Kl (GeV2)

Рис. 5: (а) Распределения (а)х/Р , (b)fc ,(с)ру , (d) |i|, реконструированные в FPS (точки). Фон от гало пучка вычтен из данных. Гистограмма RAPGAP Монте Карло моделирования (сплошная линия) приведена вместе с экспериментальными систематическими неопределенностями (окрашенные полосы).

лидирующего протона и ГНР событий гало протонов приведен на Рис. 4а. Фон определялся, используя распределение E + pz, реконструированное как функция переменных х, Q2 и t. Сравнение FPS данных после вычитания фона и результатов моделирования RAPGAP представлено на Рис. 4Ь для энергии лидирующего протона Ер> и на Рис. 5 для переменных х1Р,рх,ру и |t|.

В данном анализе требовалось, чтобы абсолютная величина квадрата переданного 4-импульса в протонной вершине |i| лежала в диапазоне 0.1 <

|г| < 0.7 ГэВ2 и Х1Р < 0.1. Измерение разделялось на область промежуточных Я2 (4 < О? < 110 ГэВ2, 0.03 < у < 0.7)4 и область больших С?2 (120 < (22 < 700 ГэВ2, 0.03 < у < 0.8) для данных с рассеянным электроном, реконструированным в ЭраСа1 и ЬАг калориметрах, соответственно. Данный анализ содержал около 68200 событий в области промежуточных С?2 и около 400 событий в области больших С}2.

Измерение сечения

В данном разделе описана методика измерения сечения. Дифференциальное сечение инклюзивного дифракционного процесса, как функция четырех кинематических переменных, может быть выражено через структурные функции и следующим образом:

где приведенное сечение аопределяется выражением:

(2)

Вклад в сечение, вносимый фотонами с продольной поляризацией ча-

сто предполагается пренебрежимо малым, что является достаточно хорошим приближением при небольших значениях у.

Дифференциальное сечение дифракционного глубоконеупругого ер рассеяния, с учетом коррекций сечения к значению в центре бина, в данном анализе вычислялось следующим образом:

dV

ер->еХр

dßdQ2dxIPdt

Npisjt, gjp, ß, Q2) ■ (1 ~ /bg(*, sip, Q2,E + pz)) x AFPS(t, xip) ■ eFps ■ L • AHi(ß, Q2)

(3)

BCC{tc,xIP,c,ßc,Q2c)

RadCor(xIP,ß,Q2)

где Ndis - число отобранных ГНР событий в данных (~ 69000), Jbg - доля фоновых событий (~ 0.13), AFps и Ат - аксептанс FPS и Н1 детекторов, eFPS - эффективность реконструкции трека в FPS детекторе 0.48), L -интегральная светимость (156.6 пб"1), RadCor - радиационные поправки , ВСС - коррекции сечения к значению в центре бина.

Систематические погрешности измерения сечений включали в себя неопределенности МК моделирования и точности оценки характеристик детектора.

4 переменная у называется неупругостью процесса. Величина ее равна доле энергии начального электрона, переданной виртуальному фотону в системе покоя протона.

Систематические погрешности, показанные на рисунках, получены добавлением в квадрате всех вкладов, кроме неопределенности нормировки, что дает среднюю погрешность для данных 8%. Неопределенность нормировки сечения составляет 4.3% и 6% для оу3'4' и измерений. Полная экспериментальная погрешность наиболее точных измерений сечений а?^ и оу3'3' составляет ~ 10% и представляет квадратичную сумму статистической, систематической и нормировочной погрешностей измерений.

Результаты и их интерпретация

Зависимость дифракционного ГНР от переменных ß,Q2,xIP и t изучалась в терминах приведенного сечения a?W(ß,Q2,xIP,t) и Q2,xJP). Ре-

зультаты для оу*'4' получены в трех областях по t: 0.1 < |i| < 0.3 ГэВ2, 0.3 < \t\ < 0.5 ГэВ2, 0.5 < |i| < 0.7 ГэВ2, которые интерполировались к величинам |i| = 0.2,0.4,0.6 ГэВ2, используя измеренную t зависимость при каждом значении ß, Q2 и х1Р. На Рис. 6 показано приведенное сечение xIParW как функция хц> для различных значений \t\,ß и Q2. Для средних и больших величин ß зависимость от х1Р падает или постоянна. Такое

поведение согласуется с доминантным вкладом померонного обмена, описанным в рамках теории Редже линейной траекторией a[P(t) = а/Р(0) + a'IPt с интерсептом а/Р(0) > 1. При низких ß сечение растет с увелечени-

ем х;Р при самых больших xjP, что интерпретируется как вклад реджеона (IR) с интерсептом ajP(0) < 1. Это наблюдение согласуется с предыдущим Hl FPS анализом.

В рамках параметризации Редже определены параметры померонной траектории. Чтобы описать зависимость сечения от xjP и t, структурную функцию параметризуют в форму

F2D{4)(ß, Q2, хц., t) = flP(XlP, t)Ff(ß, Q2) + nm ■ fm(xIP, t)F™(ß, Q2), (4)

которая предполагает факторизацию xjP и t зависимостей в протонной вершине от зависимостей ß и Q2 для померона и реджеона без интерференции между этими двумя вкладами. Зависимости х/р и t параметризуются, используя факторы потока померона fIP и реджеона fm, согласно Редже феноменологии:

fiPixiP, t) = Л/Р • (x/p)2ajp(fbl ; fm(xIP, t) = • ^ä^pr • (5)

В рамках Редже теории реджеон имеет линейную траекторию ащ(Ь) = 0) +

amt так же, как и померон. При фитировании экспериментальных

FiD(4)

2 данных с помощью уравнения 4 рассмотрены следующие свободные

■> 01

(?) 0.05 0

а 0.1

^0.05 X

о 0.1

о

0.1

о 0.1

о 0.1

0.05

о

• |Ц=0.2 йеУ О |1|=0.4 веЧ2 А Ц|=0.6 веУ2

Н1 РРБ

- Кедде Ш1Р+11Ч

г |3=0.0018 : 5.1 вем'^ ¡,0 ¡1= 0.0056 (1= 0.018 0=0.056 р= 0.18 Р= 0.56

44 о^еввх ■ 1 • 1

1 8.8 ЭеУ2 £

•

£ о . . . ,

г 15.3 ЙеУ2 $ 1

оо ж* ,2322? :о—о ^ , ,

- 26.5 веЧ2 г N

£ - , яй, 'о 0 Осд> . п * . I

- 46 веУ2 и. г ^ - ^ к.

г(Э2= 80 бвУ2 г г г

- , I ,1 - . 1 ,1 - . I .1 - , 1

10"2 10"1 10*2 10"1 10*2 10 10"2 «Г 10 10'

1 10"2 101 Х|о

Рис. 6: Приведенное сечение ждхт,?'4' как функция Х[р для различных величин Значение погрешности соответствует сумме статистической и систематической погрешностей в квадратурах. Неопределенность нормировки сечения 4.3 % не показана. Сплошные кривые представляют результаты феноменологического фита Редже, включая обмен по-мероном (1Р) и реджеоном (Ш).

параметры, интерсепт а/р(0) и наклон а1Р померонной траектории, экспоненциальный параметр Др для £/р -» 1, померонная структурная функция ^(/3,0?) в каждом (/3, О2) бине и параметр щн, описывающий нормировку реджеонного вклада. Реджеонная структурная функция С,}2) в каж-

дом (/?, С)2) бине берется из параметризации пионной структурной функции. Поведение структурной функции при больших х1Р и низких /3 чувстви-

тельно к реджеонным параметрам а/р(0), ат и Вщ. Эти параметры брались из ранее опубликованных данных: ащ(0) = 0.50, ат = 0.3 ГэВ-2 и Вщ = 1.6 ГэВ-2. Полученные результаты для свободных параметров приведены в таблице 1. Экспериментальные погрешности параметров фита определены как квадратичная сумма статистических и систематических погрешностей. Модельные погрешности определены путем вариации фиксированных парамет-

ров фита, делая их свободными друг за другом при каждом повторении. Влияние малого вклада в сечение оу^ также включено в модельную погрешность. Полученный результат для а1Р(0) согласуется с предыдущи-

Параметр Значение

а/р(0) п'1Р В,р n¡R 1.10 ± 0.02(эксп.) ±0.03(модель) 0.04 ± 0.02(эксн.)^(модель) ГэВ"2 5.73 ± 0.25(эксп.)«;^(модель) ГэВ-2 [0.87±0.10(эксп.)±°;°°(модель)] ■ Ш~3

Таблица 1: Центральные значения параметров, полученные в результате фитироваиия структурной функции F2 (4 в рамках параметризации Редже, и их экспериментальные и модельные погрешности.

ми Hl измерениями с использованием LRG и FPS методов и с измерениями, полученными коллаборацией ZEUS. Также полученный результат согласуется в пределах погрешностей с измерениями а1Р(0) = 1.08, проведенными в процессах мягкого адрон-адронного рассеяния. В то же время, наклон по-меронной траектории меньше, чем величина а[Р ~ 0.25 ГэВ"2, полученная в мягком адрон-адронном рассеянии, что характеризует дифракционные процессы в жестком рассеянии.

Для проверки факторизации в протонной вершине или Редже факторизации изучались зависимости а/Р(0), а1Р и В,Р от Q2, повторяя фит, описанный выше, в трех различных диапазонах по Q2. Результаты фитироваиия, показанные на Рис. 7, указывают на то, что нет сильной зависимости от Q2. Экспериментальные погрешности определены как квадратичная сумма статистической и некоррелированной систематической погрешностей. При фитировании параметр нормировки пт брался фиксированным, согласно таблице 1.

Предполагая, что ¿-зависимость сечения [da/dt ос ет) пропорциональна экспоненте, параметр наклона В измерен как функция х1Р при различных фиксированных значениях Q2 и ß. При этом не наблюдалось существенной зависимости параметра наклона В от Q2 и ß для данных с х,Р < 0.025. Поэтому в рамках погрешностей ¿-зависимость сечения в области низких xip (доминирующий вклад померона) может факторизоваться от Q2 и ß зависимостей. Так как не наблюдалось существенной зависимости параметра наклона В от Q2 или ß, усредненный по этим переменным параметр В сравнивался с результатом параметризации ¿-зависимости, полученным при фитировании F2 в рамках параметризации Редже. Результат, как функция

H1 FPS HERA II H1 FPS HERA II

Q2 (GeV2)

Рис. 7: Результаты Редже фитирования в трех различных диапазонах по Q2 для (а) а/р(0), (Ь) а,Р и (с) В1Р. Экспериментальные погрешности измерений изображены вертикальными отрезками. Длина отрезка соответствует сумме статистической и некоррелированной систематической погрешностей в квадратурах. Белые линии и окрашенные полосы показывают результат экспериментальной неопределенности стандартного фитирования по всему Q2 диапазону.

х1Р, показан на Рис. 8, на котором также показаны предыдущие Hl FPS результаты. На рисунке видно небольшое уменьшение параметра В с 6 ГэЕГ2 до ~5 ГэВ"2 при значениях xjp > 0.05, где вклад реджеона существенный. Уменьшение параметра наклона указывает на то, что размер области взаимодействия уменьшается для IR обмена по сравнению с IP обменом.

Приведенное сечение <т?(3)(/3, Q2, xjp) определялось как интеграл сечения оу^(/3, Q2, xjp,i) в диапазоне limin| < 1*1 < 1 ГэВ2, который является областью измерения Н1 при использовании LRG метода. В данном анализе приведенное сечение cr?{3\ß, Q2, х/р) получено при экстраполяции FPS данных из области измерения 0.1 < |i| < 0.7 ГэВ2 в область измерения LRG метода, используя i-зависимость в каждом (ж/р, /3, Q2) интервале.

Результаты измерения сечения полученные с помощью Hl FPS де-

тектора, сравнивались с результатами, полученными с помощью спектромет-

CM ■>

ф о

03

H1 • H1 FPS HERA II

— Regge Fit IP+IR О H1 FPS HERA I

10

-3

Рис. 8: Параметр наклона В, полученный при фитировапии функцией da/dt ос ев\ показан как функция х,Р. Экспериментальные погрешности измерений изображены вертикальными отрезками. Длина внутреннего отрезка соответствует величине статистической погрешности, а длина внешнего отрезка - сумме статистической и систематической погрешностей в квадратурах. Сплошная кривая представляет результат феномологическо-го фита Редже к данным, включая обмен помероиом и реджеоном. Пунктирная кривая представляет предсказание вне х,Р диапазона, используемого при фитировапии Также приведены ранее опубликованные Hl FPS результаты (неокрашенные круги).

ра лидирующих протонов (LPS) коллаборации ZEUS. В пределах погрешностей не наблюдалось сильной зависимости отношения Hl FPS данных к ZEUS LPS данным от переменных xIP, ß, Q2.

При сравнении сечений полученных FPS и LRG методами, учи-

тывалось разное определение сечений в этих двух случаях. При измерении сечения реакции ер -> еХГ LRG методом система У включала продукты протонной диссоциации с массой Му < 1.6 ГэВ, тогда как при измерении сечения FPS методом, система Y определялась как протон. Отношение сечений, измеренных FPS и LRG методами, показано на Рис. 9 как функция Q2, ß и х1Р. В пределах некоррелированных погрешностей (6% ) нет существенной зависимости от Q2,ß или х№. Величина отношения сечений LRG/FPS составила 1.18±0.01(стат.) ±0.06(некорр.сист.) ±0.10(норм.). Доминантный вклад в погрешность вносит нормировка FPS и LRG данных. Результат, в пределах погрешностей, согласуется с величиной 1.23±0.03(стат.)±0.16(сист) полученной в предыдущих опубликованных FPS и LRG данных. Объедине- '

-1.5 Е

£.1.3 е

Н1

(I

1.1

0.9

Ml

■ Н1 LRG/FPS HERA II • H1 LRG/FPS HERA I

0.7

,1.5

10

_ 1.5

1.3

10

Q2 (GeV2)

H1

\ й

1.1

Н1

. 1.3

1.1

0.9

Н1 LRGIFPS HERA II H1 LRG/FPS HERA I

0.7

10

10

"0.9

Н1 LRG/FPS HERA II H1 LRG/FPS HERA I LRG/FPS HERA II Norm, uncert.

0.7

10

10

Ii

Рис. 9: Отношение сечений, полученных при использовании Hl LRG данных (Му < 1.6ГэВ, \t\ < 1ГэВ2) и при использовании FPS данных (Му < mp, < 1ГэВ2). Приведены результаты для HERA-II периода (данный анализ) и для HERA-I периода (ранее опубликованные данные. Результаты показаны как функция (а) Q2, (b)ß и (с) х,Р после усреднения по другим переменным. Экспериментальные погрешности измерений изображены вертикальными отрезками. Длина внутреннего отрезка соответвтвует статистической погрешности. Длина внешнего отрезка соответствует сумме статистической и некоррелированной систематической погрешностей в квадратурах. Неопределенность нормировки 8.5% видна как окрашенная полоса па рисунке (с). Пунктирная линия на рисунке (с) представляет результат фитирования данных в приведенной области при условии, что нет зависимости от х1Р.

ние ранее полученного результата с данным измерением приводит к более точному значению отношения сечений: = 1,20 ± 0-11 (эксп-)>

где экспериментальная погрешность является комбинацией статистической, некоррелированной систематической и нормировочной погрешностей измерений.

Хорошее согласие между LRG (с учетом протонной диссоциации) и FPS данными подтверждает, что два метода дают согласующиеся результаты, несмотря на их очень разную систематику. Отсутствие зависимости отношения дифракционных сечений по переменным Q2 и /3, измеренных LRG и FPS методами указывает на универсальность КХД процессов в реакциях фотон-

• H1 FPS HERA II, MY=mp - H1 2006 DPDF Fit B, IP+IR ..... IP only

■ (3=0.0018 - Q'=5.1 GeV2 , i T'I P= 0.0056 «tr* 0.018 (5= 0.056 ; p= 0.18 ; p= 0.56

8.8 GeV2 J .... 1 . 1

15.3 GeV2 , I .1 •Л

26.5 GeV2

46 GeV2 i .1 • о

80 GeV2 I . i . i .1 m

200 GeV2 -• 1 , 1 t -uJ--- 1 *S , I , I —t-J--1 ±

0 -i-J-i-U_ I |_L± .I I .I ■ I .I .lb ' i"

10 10' 10"2 101 102 101 10"2 10"' 10'2 101 102 101

Рис. 10: Приведенное сечение xIPa?(3\p,Q2,xIP) для \t[ < 1ГэВ2 как функция х1Р для различных значений 0 и Q2. Экспериментальные погрешности измерений изображены вертикальными отрезками. Длина отрезка соответствует сумме статистической и систематической погрешностей в квадратурах. Сплошная кривая представляет результат предсказания HI 2006 DPDF Fit В к LRG данным, уменьшенный на фактор 1.20 для коррекции на вклады от процессов протонной диссоциации. Полная неопределенность нормировки 6% не показана. Пунктирные кривые указывают на вклад померопа в этой модели.

партонного рассеяния с образованием лидирующего протона в конечном состоянии и с дифракционной диссоциацией протона. Результат подтвердил, что вклады от протонной диссоциации в измерении LRG меняют Q2,/3 или х1Р зависимости незначительно и, поэтому не могут сильно влиять (до различия в нормировочном параметре) на дифракционные партонные плотности, извлеченные из LRG данных.

Зависимость сечения стг°(3) от переменных х1Р и Q2 представлены на Рис. 10,11. Данные FPS сравнивались с предсказаниями КХД в следующем за лидирующим порядке теории возмущений (NLO), полученными из параметризации HI 2006 DPDF Fit В для описания HI LRG сечений, включая вклады процессов с обменом помероном и реджеоном. Нормировка предсказаний HI 2006 DPDF Fit В уменьшена на фактор 1.20 для корректировки LRG сечений

• H1 FPS HERA II, MY=mp — H1 2006 DPDF Fit B, IP+IR ..... IP only

Х|Р=0.0025 1 ¿=0.0018 х,р=0.0085 х,р=0.016 xff=0.025 х(р=0.035 | , 1 х,р=0.05 Х|р=0.075 • ✓

|3=0.0056 * 1 . 1 I .1

Р=0.018 i £ 1 : 1 .г

Р=0.056 >

Р=0.18 ? г id l,,i. J-J-

-U— Р=0.56 ', i ■. I •п . 1 ,1 .1 .1 .1 .1 л \ 1 J

t, i . i r. i i r. ' ' . i r, _u—L_J-i-J—L-J-I_I—

10 102 10 102 10 10! 10 102 10 102 10 10г 10 10

Q (GeV )

Рис. 11: Приведенное сечение xIP<T?i3\/3, Q\ xIP) для |t| < 1ГэВ2 как функция Q для различных значений х,Р и /3. Экспериментальные погрешности измерений изображены вертикальными отрезками. Длина отрезка соответствует сумме статистической и систематической погрешностей в квадратурах. Сплошная кривая представляет результат предсказания HI 2006 DPDF Fit В к LRG данным, уменьшенный на фактор 1.20 для коррекции на вклады от процессов протонной диссоциации. Полная неопределенность нормировки 6% не показана. Пунктирные кривые указывают на вклад померопа в этой модели.

на вклады от процессов протонной диссоциации, как определено выше. На Рис. 10 виден рост сечения с увеличением х1Р, что указывает на существенный вклад реджеона в этой области. На Рис.11 показана зависимость сечения а?{3) от Q2 при фиксированных значениях х1Р и /3. Нарушение скейлин-га (dcr?(3)/ d\nQ2 > 0) наблюдается по всему кинематическому диапазону, кроме самых высоких /3 = 0.56. Это наблюдение согласуется с предыдущими измерениями HI при использовании LRG метода и подразумевает большую глюонную компоненту в DPDF5. Исходя из предсказаний КХД, нарушение скейлинга может быть приписано померонному вкладу даже при больших значениях х1Р, где реджеонный вклад значителен. Зависимость сечения по Q2 параметризована, фитируя данные при фиксированных значениях х1Р и

5DPDF - дифракционная функция распределения партонов (описывается уравнениями эволюции

DGLAP).

/3 функцией

х1Ра?®(р, Хп>, <32) = ао{0, х1Р) + Ъо{0, х1Р) ЩО^/ЮеУ2) , (6)

так, что Ьо{Р,хцр) является производной сечения по 1п<52 умноженного на ж/р. Этой функцией профитированы данные, для которых значения ж/р в центре бина удовлетворяют ж/р < 0.035 и для которых интервал по /3 содержит, по крайней мере, 3 точки. Вклад реджеонного обмена при ж/р = 0.035 меньше 15%. Получающиеся производные по 1п Споказаны на Рис. 12. Хотя

H1 FPS HERA II

1

Р

Рис. 12: Производная сечения х[Ра,?(3) по In Q2 для различных фиксированных значений х\р и /?. Экспериментальные погрешности измерений изображены вертикальными отрезками. Длина внутреннего отрезка соответствует статистической погрешности. Длина внешнего отрезка - сумме статистической и систематической погрешностей в квадратурах. Сплошная кривая представляет результат предсказания Hi 2006 DPDF Fit В при xjp = 0.016, уменьшенный на фактор 1.20 для коррекции па вклады от процессов протонной диссоциации.

данные по оу*'3' при различных значениях ж¡Р покрывают разные области по Q2, производные сечения по InQ2 подобны, когда рассматриваются как функция /3. Это подтверждает применимость гипотезы о факторизации процессов в протонной вершине для описания текущих данных. Результаты, полученные FPS методом, согласуются с предсказаниями, полученными из HI 2006 DPDF Fit В для HI LRG данных (Рис. 12).

2.5 Заключение

В заключении приведены основные результаты работы, представленные к защите.

Измерены сечения a?W(ß,Q2,xIP,t) и <J?{3\ß,Q2,xjP) в дифракционных процессах глубоконеупругого ер рассеяния при виртуальности фотона 4 < Q2 < 110 ГэВ2 с лидирующим протоном в конечном состоянии с помощью FPS метода. Экспериментальная погрешность наиболее точных измерений составляет ~10%. Впервые было измерено сечение оу'^\ß,Q2,xIP) дифракционного глубоконеупругого ер рассеяния с лидирующим протоном в конечном состоянии при больших Q2 (120 < Q2 < 700 ГэВ2). Измерены параметры померонной траектории a/p(í) = a¡P{Q) + aIPt и наклона сечения B¡P (ж ~ eB,pt). Значение померонного интерсепта a¡P(0) = 1.10 ± 0.02(эксп.) ±0.03(модель) согласуется с измерениями а/Р(0), проведенными в процессах мягкого адрон-адронном рассеяния. В то же время наклон померонной траектории а'1Р = 0.04 ± 0.02(эксп.)1о;об(м°Дель) ГэВ"2 в процессах дифракционного ГНР меньше, чем в мягких адронных взаимодействиях. Параметры померонной траектории не зависят от Q2 в пределах погрешностей. Полученные значения а'1Р и B¡P характеризуют дифракционные процессы в жестком рассеянии. Получены новые экспериментальные свидетельства универсальности дифракционных партонных распределений в протоне и применимости гипотезы о факторизации процессов в протонной вершине для описания дифракционного ГНР. Проведено сравнение сечения <T^3\ß,Q2,xiP), измеренного FPS (&fps) и LRG {отс) методами и вычислен вклад процессов дифракционной диссоциации протонов в оща- Отношение alrg/^fps = 1.20 ± 0.11(ея;р.) не зависит от Q2 и ß, что указывает на универсальность КХД процессов фотон-партонного рассеяния в реакциях с образованием лидирующего протона в конечном состоянии и с дифракционной диссоциацией протона. Разработана методика реконструкции лидирующих протонов в спектрометре FPS с. использованием технологии Roman Pot и сцинтилляци-онных фиберных детекторов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] Р. Van Esch,..., V. Spaskov et al., Nucl. Instrum. Meth. A 446 (2000) 409 [hep-ex/0001046]

[2] F. Aaron,..., V. Spaskov et al. [HI Collaboration], Eur. Phys. J. С 71 (2011) 1578 [arXiv: 1008.1731].

Получено 18 декабря 2012 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 19.12.2012. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,68. Уч.-изд. л. 1,07. Тираж 100 экз. Заказ № 57872.

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

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Лаборатория физики высоких энергий

имени В.И. Векслера и A.M. Балдина

На правах рукописи

П4У(П S hVI VA

Спасков Владимир Николаевич

Измерение сечения дифракционного глубоконеупругого рассеяния с лидирующим протоном в эксперименте Н1 на электрон-протонном коллайдере HERA.

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат. наук Капишин М.Н.

Дубна 2012

Оглавление

Введение 5

1 Дифракционное глубоконеупругое рассеяние в ер столкновениях 12

1.1 Глубоконеупругое ер рассеяние и КХД............................12

1.1.1 Кинематика ................................................13

1.1.2 Сечение и структурные функции ........................14

1.1.3 Кварк-партонная модель ..................................15

1.1.4 Квантовая хромодинамика ................................17

1.1.5 Факторизация в КХД и уравнения эволюции............19

1.1.6 Адронизация................................................23

1.2 Дифракция..........................................................23

1.2.1 Дифракция в мягких адронных взаимодействиях ... 24

1.2.2 Дифракция в ГНР..........................................29

1.2.3 Сечение дифракционного рассеяния и дифракционные структурные функции......................................31

1.2.4 Факторизация в дифракционном ГНР и модель структурного померона............................................31

1.2.5 Дифракционные партонные распределения..............33

2 Постановка эксперимента 36

2.1 Коллайдер HERA ..................................................36

2.2 Установка Н1........................................................42

2.2.1 Трековые детекторы........................................44

2.2.2 Калориметры................................................49

2.2.3 Монитор светимости........................................52

2.2.4 Триггер......................................................53

2.3 Методы идентификации дифракционных событий на кол лай-дере HERA..........................................................56

2.4 Спектрометр лидирующих протонов (FPS)......................59

2.4.1 Компонеты детектора......................................61

2.4.2 Управление детектором и сбор данных ..................70

2.4.3 Характеристики детектора................................72

2.4.4 Калибровка детектора......................................80

2.4.5 Модернизация FPS для HERA-2 периода................83

3 Анализ и обработка экспериментальных данных 90

3.1 Монте Карло моделирование ер столкновений ..................90

3.1.1 RAPGAP генератор ........................................91

3.2 Отбор событий......................................................92

3.2.1 Реконструкция кинематических переменных............95

3.2.2 Фоновые события............................................96

3.2.3 Суммарные условия отбора................100

3.2.4 Контрольные распределения ...............101

3.3 Измерение сечения.........................109

3.3.1 Аксептанс установки....................109

3.3.2 Коррекции сечения к значению в центре бина .....113

3.3.3 Радиационные поправки..................113

3.3.4 Систематические погрешности измерений........114

3.4 Результаты и их интерпретация .................116

3.4.1 Приведенное сечение аг^.................116

3.4.2 Определение параметров померонной траектории ... 118

3.4.3 Проверка факторизации в протонной вершине.....120

3.4.4 Приведенное сечение оу^3^ и сравнение с другими измерениями ...........................125

3.4.5 Зависимость приведенного сечения аот кинематических переменных.....................131

4 Заключение 137

Библиография 141

Введение

Целью данной диссертационной работы являлось изучение дифракционных процессов в глубоконеупругом ер рассеянии (rHP,DIS) с регистрацией лидирующего протона спектрометром лидирующих протонов (FPS - Forward Proton Spectrometr), измерение сечения таких процессов на единственном в мире электрон-протонном коллайдере HERA немецкого научного центра DESY в г. Гамбурге.

Поиски фундаментальных блоков материи и их взаимодействие притягивали интерес ученых и философов в течение многих тысячелетий. Во второй половине двадцатого века развитие теоретических и экспериментальных методов привели к созданию Стандартной модели (СМ) в физике элементарных частиц. С тех пор всесторонняя проверка предсказаний СМ является одной из главных научных задач, решаемых физиками во многих экспериментах. Процессы глубоконеупругого рассеяния сиграли и играют ключевую роль в развитии наших представлений о структуре адронов и могут эффективно использоваться для проверки положений квантовой хромоди-намики (КХД), одной из составляющих СМ. Одним из открытий, сделанных на коллайдере HERA, было наблюдение в ГНР процессах событий с дифракционной топологией. Поэтому исследование дифракции в ГНР, измерение сечения таких процессов играют ключевую роль в проверке КХД -части стандартной модели и являются актуальными задачами в современной физике частиц.

Термин дифракция в физике частиц был введен1 в пятидесятых годах

1 Имена связанные с этими ранними работами таковы: Л.Ландау. И Померанчук, И.Фейнберг. А.Ахиезер, А.Ситенко. В.Грибов.[1]

прошлого столетия из-за наблюдающейся "аналогии" формы дифференциального сечения упругого рассеяния адронов по углу рассеяния с последовательностью чередующихся локальных максимумов и минимумов, с характерной формой распределения интенсивности оптической дифракции. С тех пор, на протяжении почти 60 лет, изучение процессов дифракции занимает важное место в экспериментальной программе на всех крупнейших ускорителях мира и составляет предмет многочисленных теоретических исследований.

Понятие дифракции волн было впервые введено итальянским физиком Франческо Гримальди в его книге, опубликованной в 1665 г, при исследовании законов распространения света и огибания им препятствий. Христиан Гюйгенс продолжил исследования Гримальди и сформулировал способ математического описания распространения волн при наличии препятствий - принцип Гюйгенса. Одно из первых объяснений дифракции было дано Ньютоном, которое основывалось на корпускулярной теории света. В начале 20-го столетия бурное развитие физики привело к созданию квантовой механики, в основе которой лежал дуализм корпускулярных и волновых свойств материи. Фундаментальная догадка Луи де Бройля, сделанная в 1924 г. о волновых свойства материи, экспериментально подтвердилась в 1927 г. К.Дж. Дэвиссоном и Л.Г. Джермером, наблюдавшими дифракцию электрона. Но главным идейным выводом стало то, что волновые или корпускулярные свойства одновременно присущи всем природным явлениям и, в зависимости от условий, то или иное свойство может доминировать.

Дифракционные явления хорошо известны в классической физике (оптические явления, изученные еще в 19-ом веке Фраунгофером, Френелем и Кирхгофом), где они определяются интерференцией волн, рассеянных на различных объектах. Аналогом этих явлений в физике элементарных частиц является упругое дифракционное рассеяние квантово-механических волн, описывающих адроны высоких энергий. Помимо общих черт с оптическими явлениями, дифракция частиц высоких энергий имеет свои особенности,

связанные прежде всего с неупругими процессами, внутренней структурой адронов и большими множественностями, характерными для сильного взаимодействия.

До сих пор наиболее адекватным языком для описания "мягких" (т.е. периферических, идущих с малыми переданными импульсами) процессов при высоких энергиях является модель полюсов Редже (реджистика), которая была разработана в 1960-х гг. в рамках аналитической теории 5-матрицы [33], где векторным мезонам (реджеонам) соответствует своя Редже траектория a(t) = а(0) + at с пересечением (интерсептом) а(0) и наклоном а . Переменная t означает квадрат переданного 4-импульса между взаимодействующими частицами (более подробно Редже феноменология описывается в разд. 1.2.1). Для объяснения неубывания полных сечений при высоких энергиях И.Я. Померанчуком[3, 5] была введена вакуумная траектория a¡p(t) = a¡p(0) + a'jpt, названная впоследствии его именем. Параметры померонной траектории были определены Donnache и Landshoff: aip(t) = 1.0808 + 0.25t [38]. Такая траектория получила название "мягкого померона".

В начале 1990-х гг. , при изучении глубоконеупругих ер процессов на коллайдере HERA, изначально предназначенном для изучения внутренней структуры протона, были обнаружены новые явления, связанные с дифракцией. В глубоконеупругом ер рассеянии были обнаружены события, в которых отсутствовали адроны в большом интервале быстрот между рассеянным протоном и остальными продуктами реакции (Large Rapidity Gap, LRG)[8]. Доля таких событий составляла ~ 10% и не зависела от энергии в системе центра масс реакции. Такие процессы были интерпретированы как дифракционные. При изучении дифракционных процессов было установлено, что обмен происходит бесцветным объектом, имеющим квантовые числа вакуума. В рамках реджеонной теории - это обмен померонной траекторией Р, которой не соответствует ни одна из известных частиц. Однако при низких

энергиях может идти также обмен через объект с квантовыми числами отличными от вакуума, названный Реджеоном. Оба, Померон и Реджеон бесцветные объекты, однако разрыв по быстроте, произведенный Реджеоном, экспоненциально подавлен, в то время как для Померона константа. Обнаружение дифракции в ГНР дало толчок к новым исследованиям и попыткам понять дифракцию частиц с точки зрения КХД.

Несмотря на большие достижения в понимании дифракционных процессов, существуют проблемы, которые еще не решены, а именно: универсальность описания дифракционных процессов, таких как инклюзивные процессы или процессы рождения векторных мезонов, очарованных адронов и струй адронов в рамках КХД. В таких прцессах квадрат переданного 4-импульса виртуального фотона, масса с и 6 кварков, поперечный импульс адронной струи обеспечивают шкалу жесткости для применения КХД расчетов. Поэтому тема диссертации "Измерение сечения дифракционного глу-боконеупругого рассеяния с лидирующим протоном в эксперименте Н1 на электрон-протонном коллайдере HERA" важна и актуальна для развития методов исследования дифракции и их интерпретации в рамках комбинированного подхода, основанного на теории Редже и КХД.

В данной работе представлены результаты исследования дифракционных глубоконеупругих процессов в ер —> еХр рассеянии на коллайдере HERA. Дифракционные процессы характеризуются образованием в конечном состоянии лидирующих протонов, которые измерялись с помощью спектрометра лидирующих протонов (FPS). Исследования проведены на основе данных, полученных в эксперименте Н1 в течение периода HERA-2 (2005-2007 гг.) при энергиях ер столкновения в системе центра масс y/s — 319ГэВ.

Были измерены параметры померонной траектории aip(t) = aip{0) + a'jpt. Измеренный померонный интерсепт aip(0), в рамках погрешностей, согласуется с интерсептом померона, измеренным в мягком адрон-адронном рассеянии. В то же время, наклон померонной траектории а1Р меньше чем величина, полученная в мягком адрон-адронном рассеянии. Такая величина

наклона характеризует дифракционные процессы в жестком рассеянии.

Предположение о том, что померон имеет структуру (как обычная частица) и возможность изучения этой структуры в дифракционных процессах жесткого рассеяния привели к созданию различных моделей, основанных на гипотезах о партонной структуре померона. В данном анализе используется модель структурного померона, предложенная Ингельманом и Шляйном [41] в 1985 г. При сравнение измерений с моделью структурного померона были получены новые экспериментальные свидетельства применимости гипотезы о факторизации процессов в протонной вершине и универсальности дифракционных распределений партонов в протоне.

Результаты, полученные в эсперименте Ніс помощью спектрометра FPS, сравнивались с результатами, полученными с помощью спектрометра LPS эксперимента ZEUS. Также было проведено сравнение с результатами, полученными с помощью LRG метода (более подробно см. раздел 2.3), где присутствует часть событий с диссоциацией лидирующего протона. Результаты сравнения показали согласие между измерениями, выполненными разными, статистически независимыми, методами и, т.о., универсальность полученных измерений.

Автор В.Н. Спасков участвует в эксперименте HI с 1996 г. и внес личный вклад в выполнение задач, связанных с проведением эксперимента, измерениями и анализом данных. Определяющий вклад, сделанный автором в получение представленных результатов, заключается в следующем:

• Лабораторные тесты и установка горизонтальных и вертикальных регистрирующих станций спектрометра FPS в туннеле коллайдера HERA.

• Разработка и введение в состав програмного обеспечения эксперимента HI программ мониторирования сигналов FPS, моделирования и реконструкции треков лидирующих протонов в горизонтальных и вертикальных регистрирующих детекторах.

• Постоянная поддержка функционирования детекторов и программного

обеспечения FPS во время набора статистики эксперимента НІ, мони-торирование сигналов и эффективности FPS.

• Калибровка горизонтальных и вертикальных регистрирующих станций FPS и реконструкция энергии и поперечного импульса лидирующих протонов

• Интеграция программ для реконструкции и анализа FPS событий в объектно-ориентированное програмное обеспечение эксперимента НІ в рамках пакета ROOT.

• Измерение сечения FPS методом и анализ характеристик дифракционных глубоконеупругих прцессов, сравнение экспериментальных результатов с теоретическими предсказаниями КХД и с результатами, полученными другими (статистическими независимыми) методами.

• Подготовка результатов исследования к публикациям.

Результаты, представленные в диссертации, являются официальными результатами коллаборации HI. Они неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах и рабочих совещаниях коллаборации HI и на семинарах ЛФВЭ ОИЯИ. Полученные результаты были представлены на международных рабочих совещаниях и конференциях:

1. Low х workshop on deep inelastic scattering, diffraction, final states and related subjects, Lowx 2012, (Paphos, Cyprus, 2012).

2. Ringberg workshop: New Trends in HERA Physics 2011 (Ringberg Castle, Bavaria, Germany, 2011).

3. Low x workshop on deep inelastic scattering, diffraction, final states and related subjects, Lowx 2010, (Kavala, Greece, 2010).

4. 18th International Workshop on Deep Inelastic Scattering and Related Subjects: DIS 2010 (Florence, Italy, 2010).

5. 17th International Workshop on Deep Inelastic Scattering and Related Subjects: DIS 2009 (Madrid, Spain, 2009).

Основные результаты диссертации опубликованы в журналах "Nuclear Instruments and Methods"[6] и "The European Physics Journal С"[7].

Данная работа состоит из введения, 3 глав и заключения. Во введении сформулированы цели диссертационной работы, дана краткая характеристика темы и описана структура диссертации. В главе 1 кратко описаны механизмы дифракционных и ГНР процессов в ер столкновениях, описана кинематика таких процессов и приведена необходимая терминология. Дан обзор существующих экспериментальных данных и теоретического понимания свойств дифракционных процессов в физике высоких энергий. В главе 2 описана постановка эксперимента: коллайдер HERA, установка HI. Более детально описаны детекторы установки HI, использованные для данных измерений. Описаны способы идентификации дифракционных событий на кол-лайдере HERA. Отдельно описывается спектрометр лидирующих протонов (FPS), применяемый в данном анализе для изучения дифракционных процессов с помощью прямого измерения рассеянного протона. В главе 3 описаны условия отбора дифракционных ер событий в ГНР и представлены результаты измерения сечения в дифракционном глубоконеупругом ер —»■ еХр рассеянии. Описаны алгоритмы оценки и введения коррекций на смещающие факторы измерений, разбиения кинематической области на интервалы, расчета аксептансов и определения систематики измерений. Все алгоритмы были отлажены с помощью Монте Карло моделирования ер столкновений. Описан Монте Карло генератор RAPGAP. В заключении приведены основные результаты, представленные к защите.

Глава 1

Дифракционное глубоконеупругое рассеяние в ер столкновениях

Интерес к дифракционным процессам значительно возрос при обнаружении в 1993 г. событий с дифракционной топологией в жестком ер рассеянии на коллайдере HERA[8]. Это открытие стимулировало попытки понять дифракцию частиц с точки зрения КХД.

В данной главе описана кинематика в ер столкновениях, определена необходимая терминология, кратко описаны модели дифракционных процессов, предсказания которых сравнивались с данными измерениями.

1.1 Глубоконеупругое ер рассеяние и КХД

Согласно Стандартной модели , в глубоконеупругом рассеянии (ГНР, DIS)[9]

1{к)+р(р) ~^1(к')+Х. (1.1.1)

налетающий лептон взаимодействует с нуклоном посредством обмена между ними одним из калибровочных бозонов: в событиях с нейтральными токами (NC) - фотоном 7 или бозоном Zв событиях с заряженными токами (СС) -W± бозоном (Рис. 1.1). Далее мы будем рассматривать только нейтральные токи и рассеяние электронов (позитронов) на протоне посредством доминирующего при энергиях коллайдера HERA обмена виртуальным фотоном 7*

е(к)

-►-с

\

\

р(р)

" X

Рис. 1.1: Диаграмма глубоконеупругого ер рассеяния (в скобках указаны 4-импульсы участвующих частиц). Электрон (к) взаимодействует с протоном (р) посредством обмена виртуальным калибровочным бозоном (<?).

1.1.1 Кинематика

Для описания кинематики ГНР процессов используют