Измерение тензорной и векторной анализирующих способностей неупругого рассеяния поляризованных дейтронов на протонах в области энергий возбуждения Роперовского резонанса и дельта-изобары тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I Измерение тензорной и векторной анализирующих способностей реакции неупругого рассеяния дейтронов на протонах.

Проведение измерений. Характеристики установки

1.1 Фокусирующий магнитный спектрометр SPES

1.2 Широкоапертурный магнит TETHYS.

1.3 Передний спектрометр

1.4 Мишень, мониторы.

1.5 Поляризованный пучок. Измерения поляризации пучка.

1.6 Величины, измеряемые в этом эксперименте

1.7 Триггер

1.8 Процедура измерений. Настройки SPES4-7T.

1.9 Общая характеристика набранных данных. Статистика.

1.10 Фоновые процессы. Реакция упругого рассеяния назад в системе центра масс.

1.11 Общая характеристика математического обеспечения для offline-обработки экспериментальных данных

ГЛАВА II Обработка экспериментальных данных

2.1 Процедура обработки информации магнитооптического спектрометра SPES

2.1.1 Временное "выстраивание" счетчиков годоскопа SPES

2.1.2 Процедура восстановления импульса частицы в спектрометре SPES

2.1.3 Определение массы частицы зарегистрированной в SPES4. Идентификация частиц и определение массы для реакций р(d, d')X и p(d,p)d.

2.2 Процедура обработки информации с Переднего спектрометра

2.2.1 Обработка дрейфовой информации камер Переднего спектрометра

2.2.2 Системы координат

2.2.3 Геометрия Переднего спектрометре. Калибровочные измерения

2.2.4 Карта поля широкоапертурного магнита TETHYS

2.2.5 Процедура восстановления импульса в Переднем спектрометре

2.2.6 Идентификация частиц в Переднем спектрометре

2.2.7 Процедура проведения треков в пространстве в Переднем спектрометре —

2.2.8 Критерии отбора событий в Переднем спектрометре

2.3 Идентификация каналов реакции

ГЛАВА III. Моделирование эксперимента.

3.1 Моделирование аксептанса установки для различных каналов реакции неупругого рассеяния дейтронов на протонах

3.2 Моделирование условий эксперимента с использованием матричного элемента рассчитанного в модели Е.Осета

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

МАЛИНИНА Людмила Владимировна

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕНЗОРНОЙ И ВЕКТОРНОЙ АНАЛИЗИРУЮЩИХ

СПОСОБНОСТЕЙ НЕУПРУГОГО РАССЕЯНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ДЕЙТРОНОВ НА ПРОТОНАХ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ РОПЕРОВСКОГО РЕЗОНАНСА И

ДЕЛЬТА-ИЗОБАРЫ

Специальность: 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Работа выполнена в Лаборатории Высоких Энергий Объединенного Института Ядерных Исследований

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

СТРОКОВСКИЙ Евгений Афанасьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

ТОКАРЕВ Михаил Владимирович кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

ЕРШОВ Александр Альбертович

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Петербургский Институт Ядерной Физики

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I Измерение тензорной и векторной анализирующих способностей реакции неупругого рассеяния дейтронов на протонах.

Проведение измерений. Характеристики установки

1.1 Фокусирующий магнитный спектрометр SPES

1.2 Широкоапертурный магнит TETHYS.

1.3 Передний спектрометр

1.4 Мишень, мониторы.

1.5 Поляризованный пучок. Измерения поляризации пучка.

1.6 Величины, измеряемые в этом эксперименте

1.7 Триггер

1.8 Процедура измерений. Настройки SPES4-7T

1.9 Общая характеристика набранных данных. Статистика.

1.10 Фоновые процессы. Реакция упругого рассеяния назад в системе центра масс

1.11 Общая характеристика математического обеспечения для offlme-обработки экспериментальных данных

ГЛАВА II Обработка экспериментальных данных

2.1 Процедура обработки информации магнитооптического спектрометра SPES

2.1.1 Временное "выстраивание" счетчиков годоскопа SPES

2.1.2 Процедура восстановления импульса частицы в спектрометре SPES

2.1.3 Определение массы частицы зарегистрированной в SPES4. Идентификация частиц и определение массы для реакций р(d, d')X и p(ri,p)d.

2.2 Процедура обработки информации с Переднего спектрометра

2.2.1 Обработка дрейфовой информации камер Переднего спектрометра

2.2.2 Системы координат

2.2.3 Геометрия Переднего спектрометре. Калибровочные измерения

2.2.4 Карта поля широкоапертурного магнита TETHYS

2.2.5 Процедура восстановления импульса в Переднем спектрометре

2.2.6 Идентификация частиц в Переднем спектрометре

2.2.7 Процедура проведения треков в пространстве в Переднем спектрометре

2.2.8 Критерии отбора событий в Переднем спектрометре

2.3 Идентификация каналов реакции

ГЛАВА III.Моделирование эксперимента.

3.1 Моделирование аксептанса установки для различных каналов реакции неупругого рассеяния дейтронов на протонах

3.2 Моделирование условий эксперимента с использованием матричного элемента рассчитанного в модели Е.Осета

ГЛАВА IV Результаты измерения тензорной анализирующей способности реакции упругого рассеяния назад вц.м. p(d,p)d

ГЛАВА V Результаты измерения тензорной и векторной анализирующих способностей реакции неупругого рассеяния дейтронов на протонах.

5.1 Реакции с рождением одного пиона.

5.2 Реакции с рождением двух пионов.

ГЛАВА VI Сравнение результатов измерения тензорной и векторной анализирующих способностей с известными мировыми данными и с существующими теоретическими моделями

6.1 Сравнение Ауу для реакций с рождением одного и двух пионов. Сравнение результатов измерения тензорной анализирующей способности с известными мировыми данными

6.2 Сравнение Ауу, измеренной в эксперименте, с предсказаниями модели М.П.Рекало и Э.Томази-Густафсон для р(d,d')X рассеяния

6.3 Оценки зависимости тензорной и векторной анализирующих способностей от угла вылета пиона на основе данных об упругом 7г+d рассеянии.

В диссертации представлены результаты экспериментального исследования спин-зависимых наблюдаемых, измеренных во взаимодействии поляризованных дейтронов с протонами при импульсе 3.73 ГэВ/с. В эксперименте эксклюзивного типа на спектрометре SPES4-7T на ускорителе SATURNE-II (Сакле, Франция) исследовалось поведение тензорной и векторной анализирующих способностей в области возбуждения Роперовского резонанса iV* (1/2,1/2+)(1440) и Д(1232) изобары.

Изучение возбуждения нуклонных резонансов при промежуточных энергиях, продолжающееся последние 40 лет, дало много информации для размышлений о правильном выборе эффективных степеней свободы для описания этих состояний. Когда начинают проявляться кварковая и глюонная компоненты барионов и до какого момента правильнее использовать пион-нуклонное описание их структуры? Для легких кварков образующих нуклон (и, d) описание спектра возбужденных состояний в рамках кварковых моделей представляет наибольшие трудности. Они начинаются со слишком низкого положения в спектре возбужденных состояний нуклона первого возбужденного состояния, соответствующего переходу Is —> 2s, так называемого Роперовского резонанса N* (1440) (1/2,1/2+). Возбуждение этого резонанса, согласно большинству кварковых моделей [1] должно происходить при энергии возбуждения ~1 ГэВ, однако экспериментально наблюдаемая величина ~550 МэВ намного ниже. Учет трех-кваркового взаимодействия [2] или включение мезонного межкваркового обмена [3] позволяет приблизить величину энергии возбуждения к ее экспериментальным значениям. Однако, природа этого первого возбужденного состояния нуклона iV*(1440)(l/2,l/2+) остается до сих пор окончательно не понятой.

Роперовский резонанс был обнаружен в раннем фазовом анализе упругого irN рассеяния [4]. Перечислим лишь основные вопросы, приводящие к тому, что на протяжении последних 40 лет этот объект то "закрывают", объявляя его артефактом, то, наоборот вместо одного широкого резонанса обнаруживают нескольких близко расположенных резонансов.

Необычность экспериментально наблюдаемых свойств Роперовского резонанса.

• Данные фазовых анализов различных групп сильно различаются в оценке массы и ширины Р11, Роперовского резонанса [5], [6]. В новом фазовом анализе, проведенном в Политехническом институте Вирджинии (WPI) найдено два близлежащих полюса (1361-i86), (1405-186) в Р11 волне и больше ни в одной другой [7].

• Роперовский резонанс хорошо виден в спектрах эффективных масс при взаимодействии протонов высоких энергий, где он является доминирующей структурой, тогда как во взаимодействии пионов с нуклонами он обнаруживается только при детальном фазовом анализе [8]. Ширина пика, найденная при фитировании сечений рр, nN рассеяния много больше, чем найденная из данных фазового анализа irN.

• Форма пика в массовых распределениях сильно отличается от обычной Брейт-Вигнеровской.

• Параметры резонанса извлеченные из фитирования временной задержки \dT/dm\ (производной от амплитуды рассеяния по массе) существенно отличаются (Meff=1375 МэВ, Г=180 МэВ) от полученных из фитирования полных сечений 7riV

Ме//=1470 МэВ, Г=350 МэВ) [20].

• Анализ ряда эксклюзивных каналов, например pd —> рйтг+7(~ [10] указывает на наличие двух компонент в iV*(1440), имеющих различные распадные угловые распределения.

• iV*(1440) слабо возбуждается электромагнитными пробниками ер, 7р, хотя следующие Аг*-резонансы явно присутствуют в спектрах полных сечений (см. например [11]).

Такие необычные по сравнению с другими резонансами свойства породили большое разнообразие в теоретических интерпретациях природы iV* (1440). Перечислим лишь основные направления в которых предпринимались попытки объяснить природу этого объекта:

Попытки теоретических интерпретаций свойств Роперовского резонанса.

• В кварковых моделях нижний Рц резонанс считается происходящим за счет радиального возбуждения одного из кварков нуклона, тогда как другие 1=1/2 N* резонансы - за счет орбитального возбуждения. Это позволяет понять почему Роперовский резонанс слабо возбуждается электромагнитными пробниками, но не объясняет многие другие его свойства, в частности расщепление, наблюдаемое в парциально-волновом анализе [7].

• Некоторые кварковые модели интерпретируют расщепление Роперовского резонанса, наблюдаемое в [7], как проявление гибридного партнера (QQQG) обычного трехкваркового резонанса (QQQ) [12].

• С совершенно другой стороны подходят к пониманию проблемы TV* (1440) в работе [13]. Предполагается, что некоторые низколежащие резонансы, видимые в упругом ttN рассеянии, появляются за счет открытия канала 7гД рождения, при этом авторам [13] удалось получить разумный фит фазовых сдвигов и неупругостей в Рп волне без введения Роперовского резонанса. Появление множественных полюсов на различных Римановских листах в присутствии связанных каналов было впервые предсказано в [14]. В этом подходе резонанс в Рц волне происходит между открытием каналов 7гД и r]N, что приводит к появлению двух полюсов, наблюдаемых в [7]. В современной обменной модели связанных каналов для пион-нуклонного рассеяния [6] "Роперовский резонанс" описывается только мезон-барионной динамикой. Без введения трехкваркового резонанса iV*(1440) удается получить хороший фит жN фазовых сдвигов и неупругостей. Таким образом, модели, рассматривающие только данные парциально-волнового ttN анализа могут обойтись и без предположения о возбуждении Роперовского резонанса. Однако необходимо объяснить наблюдение широкого максимума в сечениях NN, dp, ар взаимодействиях [8], [15] в области возбуждения Роперовского резонанса.

• Многочисленные модели типа Deck-Drell-Hiida (например [16]) интерпретируют структуру при ~ 1440 МэВ, доминирующую в массовых спектрах в дифракционной диссоциации адронов при высоких энергиях, как "нерезонансный" -"кинематический "эффект, отражающий упругое дифракционное рассеяние "вперед"виртуального пиона, испущенного мишенью, на нуклоне снаряда, при эффективной массе системы "пион+нуклон-снаряд", близкой к массе резонанса.

Важность изучения свойств Роперовского резонанса с помощью изоскалярных снарядов.

Таким образом до сих пор не удавалось объединить в едином подходе объяснения свойств Роперовского резонанса проявляемые при его возбуждении различными снарядами. Высказывались идеи [18], [19] что Роперовский резонанс представляет из себя суперпозицию большого числа близко-расположенных состояний с различными значениями спина и изоспина, которые по-разному возбуждаются снарядами с различными квантовыми числами. Недавно была предпринята попытка [20] описать структуру, наблюдаемую в эксперименте по неупругому рассеянию а частиц на протонах [15], как систему двух близлежащих резонансов с различными свойствами. Принимая во внимание, что в рассеянии а частиц можно возбудить в мишени только изоскалярную структуру, возбуждение которой происходит без переворота спина, а в ttN рассеянии нет никаких ограничений на спин и изоспин возбужденной системы, авторы [20] предполагают, что в ttN рассеянии возбуждаются два резонанса, из которых в ар возбуждается только один, с меньшей массой. Параметры резонансов Meff=1390 МэВ, Г=190 МэВ и Ме//=1480 МэВ, Г=400 МэВ соответственно. Авторы предполагают преимущественный распад первого резонанса в канал с двумя пионами в конечном состоянии; второй резонанс распадается с большой вероятностью в 7гД состояние и может рассматриваться как второй порядок возбуждения А(1232).

Далее мы ограничим рассмотрение различных экспериментов и теоретических подходов к изучению Роперовского резонанса только процессами с изоскалярными снарядами (дейтрон, а-частицы). Рассмотрим сначала существующие мировые данные по изучению сечений dA —d'X и аА —> а X процессов.

Изучение дифференциальных сечений рождения Роперовского резонанса с помощью изоскалярных снарядов в экспериментах инклюзивного типа и попытки их теоретического описания.

Из-за сохранения изоспина в сильном взаимодействии, в реакциях A(d,d')X, индуцированных дейтронами, отбирается изоспиновое состояние системы X, совпадающее с состоянием мишени А. Изучение дифференциальных сечений неупругого рассеяния дейтронов промежуточных энергий проводилось на водородной мишени при pd=2.95 ГэВ/с [22], на углеродной мишени, при импульсе 8.9 ГэВ/с, при нулевом угле вылета рассеянного дейтрона [23], на водороде, дейтерии и углероде при 9 Гэв/с и угле 0.139 рад и на водороде при 8.9 Гэв/с и угле 0.103 рад [24]-[25].

Расчеты, проведенные в формализме двойного перерассеяния в [26] показали, что дифференциальные сечения Н(d,d')X реакции могут быть удовлетворительно описаны двойным перерассеянием адронов до энергий налетающих дейтронов < 20 ГэВ и |£| < 0.4 (ГэВ/с)2. В этом подходе резонансное состояние, рожденное на одном из нуклонов дейтрона, может до своего распада перерассеяться на втором нуклоне. Характеристики этого перерассеяния авторы [26] извлекают на основе формализма многократного рассеяния [27] из данных о реакции р(d,d')N* в той области передач импульсов, где доминирует двукратное рассеяние. Были извлечены амплитуды элементарных процессов NN —У N*N возбуждения изобар N* (1440), 7V*(1520), iV*(1680).

В последние годы интерес к изучению Роперовского резонанса усилился после инклюзивного эксперимента по неупругому рассеянию альфа-частиц на протонах ар —>■ а X [15], в котором наблюдалось сильное изоскалярное возбуждение протона в энергетической области, характерной для возбуждения Роперовского резонанса.

Поскольку замечательной особенностью изоскалярных взаимодействий dp, ар является отбор по изоспину конечных состояний, мишень может возбуждаться только в состояние с 1—1/2 (N*) через обмен изоскалярным мезоном, а в снаряде может возбуждаться и 1=1/2 (N*), и 1=3/2 (А) состояние, последнее - через обмен 1=1 мезоном (рис. 1). (Здесь /-изоспин) с) d)

Рис. 1: Основные диаграммы процесса p(d, d')N7r(7r): а) возбуждение А или N* в дейтроне; Ь) возбуждение Роперовского резонанса в дейтроне; с) и d) возбуждение Роперовского резонанса в мишени.

Теория, основанная на рассмотрении обмена "эффективным а мезоном" (который включает в себя возможный обмен ш, rj, о мезонами) была разработана в [28] сначала для описания данных инклюзивного эксперимента [15] по неупругому рассеянию а частиц, а затем распространена на рассеяние дейтронов, изучавшееся в [29]. В подходе [28] было показано, что основной вклад в амплитуду неупругого рассеяния при энергии порядка нескольких ГэВ дают две диаграммы: возбуждение Роперовского резонанса "в мишени"и возбуждение А-изобары "в снаряде". Вклад двойного возбуждения А-изобары в мишени и в снаряде не запрещен по изоспину (как запрещено одиночное возбуждение А в мишени), но подавлен на два порядка по сравнению с основными процессами. Возбуждение Роперовского резонанса "в снаряде "подавлено кинематически на три порядка. Поскольку и А-изобара, и Роперовский резонанс распадаются в канал с одним и темже конечным состоянием: dNir, возможны интерференционные эффекты, которые учтены в этой модели.

Возбуждение А-изобары в снаряде (DEP-механизм) ранее рассматривалось в рамках "дельта-дырка" подхода [30] и было получено хорошее описание спектра эффективных масс в области малых передач энергии а в экспериментальных данных [15]. В [28] для А-изобары и Роперовского резонанса использовались табличные значения массы и ширины; свободным параметром модели являлась только эффективная константа связи g2aNN*. Разница в положении и ширинах пиков А в спектрах р(а, а')Х и р(d,d')X получалась за счет различия кинематических условий реакций и поведения формфакторов снарядов. Константа <^^„=1.33, полученная для описания р(а, а )Х реакции использовалась для описания р(d,d')X.

Рис. 2: Диаграммы процесса dp —> drm+ (п ): а)-с) барионный обмен для dp —> drnr+тт- ; b)ONE dp (Ьтг+(тг-); d)0|5E и e)ONE(A) для dp ->• dri7r+. реакции. Авторам удалось хорошо воспроизвести форму импульсного спектра рассеянных дейтронов в р(d,d')X [29]. Заметим, что параметры резонанса N* в этом подходе совпадают с табличными и отличаются от полученных в [20] значений массы и ширины первого резонанса, возбуждаемого в р(а, си )Х: М.ц* = 1390 МэВ/с2 и Гдг.=190 МэВ/с2.

Очевидно, что извлечение информации о Роперовском резонансе зависит от того, как был параметризован пик, ассоциированный с возбуждением Дельта изобары в снаряде и от предположений о механизме реакции. Чтобы получить более "чистую" информацию о возбуждении Роперовского резонанса необходимо выделить канал, где вклад от возбуждения Д-изобары был бы подавлен. Из-за сохранения изоспина в сильных взаимодействиях, невозможно получить состояние с двумя пионами в протонной вершине (см. рис.1) и, следовательно, если нет других источников двухпионного конечного состояния, канал N* —> Ntttt очень удобен для изучения свойств Роперовского резонанса. Есть ли другие источники двухпионного конечного состояния? Ответ на этот вопрос сильно зависит от кинематических условий. Расчет, проведенный в [28] для р(а, а )Х и p(d, d )Х реакции, показал малость вклада от одновременного возбуждения Див снаряде и в мишени, однако в этой работе не принимались в расчет возможные вклады от следующих N* резонансов и м-канальные диаграммы. Тот факт, что авторам [28], [29] удалось тем не менее хорошо описать инклюзивные спектры, не вводя дополнительных параметров, говорит о малости этих вкладов при близкой к коллинеарной (d1, а вылетают под очень малыми углами) кинематике, когда энергия снарядов близка к порогу рождения iV*(1440).

Изучение дифференциальных сечений рождения Роперовского резонанса с помощью изоскалярных снарядов в экспериментах эксклюзивного типа.

Данные эксклюзивных экспериментов, посвященных исследованию реакций неупругого рассеяния с отбором по изоспину конечного состояния I = 1/2 в области возбуждения первых нуклонных резонансов при промежуточных энергиях немногочисленны. Это почти полностью - данные камерных экспериментов. Обладая преимуществом 47г-геометрии, эти данные позволяют рассмотреть различные механизмы, дающие вклад в сечение и, в частности определить, в одной или в разных вершинах происходит рождение 7г+ и тг~ в реакции dp йртг+тг~. Это важно для экспериментальной проверки утверждения [28] о подавлении вклада от возбуждения Див снаряде, и в мишени при энергиях, близких к порогу рождения iV*(1440).

В [32], исследовались каналы неупругого рассеяния дейтронов: dp dmr+, dp —>■ ф7г+7г при импульсе P,i = 3.3 ГэВ/с; в [33] на протонном пучке исследовалась реакция pd ->■ pdK+n~ при Рр =1.825 ГэВ/с и при Рр =2.110 ГэВ/с. Во всех этих экспериментах яркого проявления N* резонансов в спектрах эффективных масс не обнаружено, что и не удивительно при близости к порогу рождения iV*(1440) и бедности статистики. В [32] в 80% случаев два пиона в конечном состоянии рождаются из одной вершины. Спектры вторичных частиц в этой работе успешно описываются основными механизмами рис. 2(а-е). В описании данных эксперимента [32] большую роль играют подпроцессы:

• однопионный обмен, упругое рассеяние виртуального пиона ird —> ird с большим пространственно-подобным импульсом

• однонуклонный обмен, подпроцесс рр —>• dn+.

В последнем случае рассеянный дейтрон вылетает в заднюю полусферу в системе центра масс.

В [34], [10], [35] на протонном пучке исследовалась реакция pd —У pdn+/K~ при Рр=7 ГэВ/с, 11.6 ГэВ/с, 12.5 ГэВ/с соответственно. Во всех этих экспериментах наблюдается структура при ~1440 МэВ. В [10] сделана попытка определить полный момент этого состояния: анализ с помощью полиномов Лежандра распределения углов между нормалью к плоскости распада резонанса N* в конечное состояние ртг+тг~ и направлением первичного протонного пучка показывает, что предположение о распаде резонанса с J = 1/2 не описывает экспериментальный спектр: скорее подходит предположение о J = 3/2, однако если рассматривать только малые углы, то распределение можно считать изотропным, что согласуется с предположением о J = 1/2. Таким образом вклад в конечное состояние ртт+тт~ в области ~ 1440 МэВ дают две компоненты cJ = l/2nJ = 3/2.

Рождение двух пионов из одной вершины при этих энергиях подавлено по сравнению с процессами рождения пионов из разных вершин.

Хотя, к сожалению, небольшая статистика не позволяет надежно определить спин и четность резонанса iV*(1440) чтобы однозначно сказать соответствует ли это состояние N*(1/2,1/2+)(1440), из рассмотрения данных камерных экспериментов можно заключить, что:

• при близких к порогу рождения Роперовского резонанса энергиях большая часть событий двухпионного конечного состояния происходит из одной вершины (до 80%). Часть из них может быть продуктами распада Роперовского резонанса. Пик в распределениях по эффективным массам мог не быть обнаружен из-за малой статистики и фона от м-канального процесса, описываемого элементарной амплитудой рр —>■ dir+. Вклад последнего уменьшается с уменьшением углов вылета вторичных дейтронов в с.ц.м. Вместе с тем, согласно модели [28] сечение возбуждения Роперовского резонанса, наоборот, максимально при вылете а (дейтрона) вперед под малыми углами. С возрастанием угла вылета от 0° до 5° сечение падает на 4 порядка.

• При возрастании энергии относительный вклад процессов с рождением ir+, 7г~ из разных вершин начинает возрастать.

• Наличие двух компонент в угловых распределениях продуктов распада TV* (1440) и преимущественный распад N* —> Д++7г~ возможно говорит о более сложной, чем предполагается в [28] структуре резонанса, а может быть и механизма реакции. Последнее утверждение вполне согласуется с выводами работы [20].

Следующим шагом в изучении возбуждений N* изоскалярными снарядами стало проведение электронных экспериментов эксклюзивного типа с выделением каналов реакций: ар —> aNir(ir) и dp —> dN 11(11) в близкой к коллинеарной кинематике на ускорителе Сатурн-П (Сакле). Эта диссертационная работа посвящена анализу эксперимента эксклюзивного типа по неупругому рассеянию дейтронов.

Как видно из вышеизложенного, различные модели довольно успешно описывают поведение дифференциальных сечений dp, ар рассеяния в области возбуждения Роперовского резонанса, параметры резонанса при этом оказываются различными, однозначного понимания механизмов рождения резонанса пока тоже нет.

Данные о сечениях не позволяют сделать критический выбор между различными теоретическими подходами.

С появлением в последние годы хорошо развитой техники создания поляризованных пучков большой интенсивности и поляризованных мишеней, стало возможным вернуться к проблемам изучения возбуждения барионных резонансов на новом уровне: зависящие от спина наблюдаемые позволяют лучше понять механизм реакций, приводящих к возбуждению барионных резонансов, приносят новую информацию о микроскопическом характере взаимодействий.

Изучение тензорной анализирующей способности в области возбуждения первых нуклонных резонансов с помощью изоскалярных снарядов в экспериментах инклюзивного типа и теоретические интерпретации этих данных.

Первая, простейшая, поляризационная наблюдаемая, тензорная анализирующая способность Т20 реакции р(d, d')X, была измерена инклюзивно в Дубне и в Сакле в 1993-1994 гг. [36], [37] в близкой к коллинеарной кинематике и в 1995 при угле вылета вторичных дейтронов 85 мрад [38].

Т2о обладает следующими свойствами:

• она отрицательна;

• ее абсолютное значение возрастает с возрастанием модуля квадрата переданного четырех-импульса дейтрона почти линейно до ~ 0.4-0.6 при \t\ ~ 0.3 (ГэВ/с)2;

• при дальнейшем возрастании |t| она убывает;

• в области малых переданных импульсов \t| < 0.05 (ГэВ/с)2 значения Г2о ~ 0;

• в области, соответствующей возбуждению iV*(1440), Т20 имеет большие отрицательные значения.

Как проявляется возбуждение N* и Д резонансов в поведении поляризационных наблюдаемых? Какие механизмы дают определяюший вклад в поведение Т2о?

Пока существует крайне мало экспериментальных данных и теоретических работ, посвященных этой проблематике. Данных по исследованию поляризационных наблюдаемых в реакциях с возбуждением нуклонных резонансов изоскалярными снарядами в эксклюзивных экспериментах, где можно было бы идентифицировать каналы реакции и сравнить влияние вклада Дельта-изобары и Роперовского резонанса просто нет. Отсюда следует актуальность исследования поведения тензорной и векторной анализирующих способностей в неупругом dp рассеянии в эксперименте эксклюзивного типа для dp —> dNn (тг) каналов реакции в области энергий возбуждения Роперовского резонанса и Д-изобары, являющееся целью этой диссертационной работы.

Первая попытка понять наблюдаемое в эксперименте поведение тензорной анализирующей способности в p(ri, rf')X, сделанная в [36] связана с качественной картиной [39], объясняющей этот процесс как когерентное рассеяние виртуального пиона на дейтроне. Тогда малость Т20 при малых переданных энергиях связана с преобладанием 5-волновой части в формфакторе дейтрона при малых t

D-волновая часть становится существенной при \t\ ~ 0.2 — 0.4 (ГэВ/с)2 где и наблюдаемая экспериментально величина Т2о велика. Однако попытка описать поведение тензорной анализирующей способности в подходе многократного перерассеяния, в котором тензорная анализирующая способность не зависит от элементарной амплитуды процесса NN —> NN*. а ее величина определяется зарядовым и квадрупольным формфакторами дейтрона, не принесло успеха в [38], ни при каком выборе потенциалов. Напомним, что в этом подходе были успешно описаны дифференциальные сечения [26].

Модели p(d, d')X, основанные на <т-обмене, не могут воспроизвести поведение Т2о ни при каком выборе констант взаимодействия и формфакторов [31]. Поведение тензорной анализирующей способности довольно хорошо воспроизводится в теории, принимающей во внимание обмен и> мезоном [31], поскольку со является частицей со спином 1. Так как ш мезон имеет те же квантовые числа, что и фотон, а изоспин дейтрона равен нулю, структура сodd вершины идентична структуре 7*dd вершины и все три формфактора совпадают с соответствующими электромагнитными формфакторами дейтрона (зарядовый, квадрупольный и магнитный). Сравнение с поведением Т2о в e~d —>■ e~d [41] говорит о том, что поведение этой поляризационной наблюдаемой не полностью определяется поведением формфакторов дейтрона. Ожидается, что Т20 чувствительна к возбуждениям N* резонансов и может дать информацию о изоскалярных формфакторах uNN* переходов, которая дополнит данные экспериментов по электровозбуждению Роперовского резонанса. Авторы [31], [40] применяют "алгебраическую коллективную модель "для расчета электромагнитных формфакторов резонанса. Ожидается, что тензорная анализирующая способность очень чувствительна к изоскалярному продольному формфактору возбуждения Роперовского резонанса, тогда как другие нуклонные резонансы с малыми массами ^ц(1535), Di3(1520) и 5ц(1650) имеют только изовекторные продольные формфакторы. Эта специфическая черта Роперовского резонанса, в соединении с ^-зависимостью формфакторов дейтрона, определяет поведение тензорной анализирующей способности Т20 в зависимости от t. Модель а;-обмена хорошо

1 здесь и в дальнейшем изложении t = (P,i — Pci')2. где P,i и Pd>-4-импульсы дейтрона пучка и рассеянного дейтрона, соответственно описывает экспериментальные данные при \t\ < 0.3. Попытки описать экспериментальные данные при больших \t\ и больших значениях эффективных масс даже с учетом вкладов 5ц(1535), £>1з(1520) и 5,ц{1650) резонансов приводят к большим расхождениям с экспериментом [38]. Поэтому, возможно авторам необходимо принять во внимание и-канальные диаграммы (как например в [32]).

Изучение векторной анализирующей способности в области возбуждения первых нуклонных резонансов с помощью изоскалярных снарядов в экспериментах инклюзивного типа и теоретические интерпретации этих данных.

Как проявляется возбуждение Роперовского резонанса в поведении другой простой наблюдаемой - векторной анализирующей способности? Векторная анализирующая способность реакции неупругого рассеяния дейтронов на протонах исследовалась в интересующей нас области возбуждения нуклонных резонансов при энергиях пучка порядка нескольких ГэВ только в инклюзивных реакциях типа dA —»■ -кХ (А=С12 и р) при pd =3-9 ГэВ/с группой "Диск"[42], на углеродной мишени при Ed = 1.23 и 2.5 ГэВ/нуклон коллаборацией "Маруся"[43] (Мы рассматриваем только данные с импульсами пионов, соответствующими некумулятивному процессу, который мог бы протекать без развала дейтрона). Все эти данные показывают следующее:

• векторная анализирующая способность отлична от нуля;

• \АУ\ убывает с ростом энергии пучка;

• \Ау\ убывает с ростом импульса регистрируемого пиона;

• знак векторной анализирующей способности на протонной мишени зависит от заряда регистрируемого пиона: 7г+- Ау > 0, п~~АУ < 0

• на углеродной мишени Ау > 0 и для 7Г+, и для .

Те же самые свойства проявляет Ау в рр —тсХ [44], [45], [46]. Поэтому, несмотря на то, что в dp рассеянии происходит отбор по изоспину конечного состояния, а в рр - нет, можно надеяться, что некоторые подходы примененные в подробном анализе поведения Ау для реакций рр -> рД^7г(7г) при рр =1.18 ГэВ/с, 1.47 ГэВ/с, 1.71 ГэВ/с, 1.98 ГэВ/с в [47] в области возбуждения первых нуклонных резонансов, применимы и для случая изоскалярного снаряда. В этом подходе поведение Ау определяется процессом рассеяния виртуального пиона на протоне. При этом, обмен заряженным пионом дает прямое рождение I = 1/2 и А-изобар в пропорции, соответствующей 7Г+р упругим парциальным волнам; обмен нейтральным пионом дает прямое рождение Д+-изобары и I — 1/2 7г+и изобар через 7г°р —> 7т+п. Рождение А+-изобары ожидается доминирующим процессом, идущим через 7г° обмен; влияние возбуждения 1=1/2 7г+п изобар ожидается малым по сравнению с вкладом возбуждения Д++/Д+ и I = 3/2 ртт+ изобарами, возбужденными в процессе обмена заряженным пионом, поэтому вкладом 1 — 1/2 тт+п изобар при анализе данных о векторной анализирующей способности пренебрегают. Ненулевые векторные анализирующие способности получаются за счет интерференционных вкладов от возбуждения различных изобар. Интересно, что поведение Ау хорошо описывается парциальными волнами упругого рассеяния виртуального пиона на протонах без привлечения обмена более тяжелыми мезонами.

В [42] поведение Ау объясняется вкладом промежуточных Д-изобарных состояний. Отрицательный знак Ау при рождении 7г~ возникает за счет Д°-изобарных каналов, тогда как рождение 7г+ происходит за счет Д++-в промежуточном состоянии. С ростом импульса пучка прямое рождение мезонов начинает доминировать над рождением через резонансы в промежуточном состоянии и величина однопионной ассиметрии уменьшается. При импульсе вторичного пиона ~ 600 МэВ/с ожидается смена знака Ау из-за влияния D-волны в дейтроне. Ни в [47], ни в [42] для объяснения поведения векторной анализирующей способности не привлекается возбуждение TV* (1/2,1/2+) резонансов в промежуточном состоянии, не рассматривается возможная интерференция этого резонанса с А. Для объяснения особенностей поведения Ау достаточно, по мнению авторов, возбуждения А и интерференции резонансных и нерезонансных амплитуд пионного рождения.

Для понимания механизма реакции, ведущего к возбуждению Роперовского резонанса необходимо объяснить всю совокупность наблюдаемых экспериментально явлений. Поэтому важно дополнить существующую базу данных поляризационных наблюдаемых для реакции, ведущих к возбуждению Роперовского резонанса, новыми измерениями.

Цель диссертационной работы - измерение тензорной и векторной анализирующих способностей неупругого dp рассеяния в эксперименте эксклюзивного типа для каналов dp —> dNir {к) в области возбуждения первых нуклонных резонансов. Эти величины измерялись в зависимости от квадрата переданного четырехимпульса дейтрона t, эффективной массы Nir(ir) системы и угла вылета пиона вблизи порога возбуждения Роперовского резонанса 30 МэВ в с.ц.м. NN) 2 в близкой к коллинеарной кинематике. Эксперимент был проведен на выведенном пучке ускорителя SATURNE-II с помощью установки SPES4-7T. Впервые в эксперименте эксклюзивного типа были измерены анализирующие способности для следующих каналов неупругого dp рассеяния: dp фтг° (1) dp cfn7r+ (2) dp dNir7г (3)

Согласно вышеизложенному ожидается что рождение одного пиона может происходить в основном через возбуждение А в снаряде, или через возбуждение N* в мишени: d + p-+d + iV*(1440), N*-^p + irQ d + p^d + N*(1440), + 7г+ d + р d* + р, d* d + 7Г° d + p d* + n, d* d + 7T+ где d* -рассеянный дейтрон с одним из нуклонов, возбужденным в А изобару. В области перекрытия резонансов возможны интерференционные эффекты, которые могут проявляться в поведении поляризационных наблюдаемых, особенно Ау. Из-за сохранения изоспина (см. выше) выделение канала реакции (3) позволяет полностью

2Дейтрон слабо связанная система, поэтому в основном один из составляющих его нуклонов участвует во взаимодействии. В рр (рр = paj2) кинематике, Тр =1215 МэВ: Т^™^}'1 = 1138 МэВ. В dp кинематике, когда дейтрон участвует в столкновении, как целое, Td = 2430 МэВ: =1620 МэВ. избавиться от вклада возбуждения А- изобары в снаряде и сравнить анализирующие способности каналов с присутствием - Д-изобары и без нее. Диссертация состоит из Введения, шести глав и заключения. В I главе дается описание экспериментальной установки SPES4-7T, состоящей из фокусирующего магнитного спектрометра SPES4 и широкоапертурного "Переднего спектрометра" и процедуры проведения эксперимента.

Заключение

Основные физические и методические результаты диссертационной работы:

• Впервые в кинематически переопределенном эксперименте с регистрацией обоих рассеянных частиц измерена тензорная анализирующая способность Ауу реакции dp —»• pd упругого рассеяния назад в с.ц.м. при кинетической энергии снаряда выше 1 ГэВ/нуклон. Результаты хорошо совпали с существующими данными полученными в экспериментах, с регистрацией только одной частицы в конечном состоянии.

• Впервые в эксперименте эксклюзивного типа измерены тензорная и векторная анализирующие способности неупругого dp рассеяния для каналов реакции с одним и двумя пионами в конечном состоянии.

• Сравнение тензорных анализирующих способностей dp —»• dnn+ к dp dNnir показало отсутствие разницы между ними в пределах статистических ошибок эксперимента в области t ~ (-0.22 ; -0.08) (ГэВ/с)2, соответствующей области эффективных масс ~ (1.33 ; 1.48) ГэВ/с2.

• Наблюдено нарушение скейлинга по |£| для Ауу, обнаруженного в инклюзивных экспериментах: эксклюзивные данные оказываются систематически выше ближайших по импульсу пучка инклюзивных.

• Впервые в эксперименте эксклюзивного типа изучались зависимости тензорной и векторной анализирующих способностей Ауу и Ау реакций dp dNir от угла вылета пиона.

• Сделан анализ наблюденных закономерностей на основе моделирования эксперимента с матричным элементом рассчитанным по модели группы Е.Осета для dp d'X. Согласно этим расчетам, отсутствие разницы между каналами с одним и двумя пионами в конечном состоянии объясняется тем, что в кинематической области эксперимента Е278С в обоих каналах доминирующий вклад вносил N* резонанс, вклад от возбуждения Д-изобары в снаряде был подавлен. К сожалению, эта модель неприменима для анализа поляризационных наблюдаемых.

• Величины тензорной анализирующей способности, полученные в этом эксперименте сравнивались с предсказаниями модели М.П.Рекало и Э.Томази-Густафсон [31],[40] для инклюзивного процесса dp —у dX. Получено хорошее согласие для значений параметра определяющего "жесткость струны"0.5, 1. Однако для корректного сравнения наших данных с этой моделью требуется включение в нее матричных элементов распада N* и А.

• Наблюдаемая в эксперименте зависимость векторной анализирующей способности от угла вылета пиона может быть описана с помощью "наивной" модели, принимающей за основной подпроцесс упругое тг +d рассеяние виртуального пиона. Тензорная анализирующая способность также неплохо воспроизводится (по крайней мере качественно).

• Создано математическое обеспечение для обработки данных эксперимента Е-278С, проведенного на ускорителе SATURNE-II. Разработанные процедуры и программы могут быть использованы (и уже используются) для обработки данных и планирования других экспериментов.

Благодарности.

В заключение я хочу поблагодарить всех тех людей с которыми мне посчастливилось работать во время подготовки, проведения эксперимента, а потом - обработки данных, написания статей и диссертации. Я очень благодарна своему научному руководителю Строковскому Е.А. за постоянную поддержку, советы и терпение. На протяжении всей этой работы огромное значение имело сотрудничество с участниками эксперимента из ПИЯФ, обсуждение результатов, сравнение подходов, конструктивная критика со стороны Г.Д.Алхазова, А.Н.Прокофьева и А.В.Кравцова, во время проведения эксперимент - сотрудничество с С.С.Волковым, А.А.Ждановым, В.А.Мыльниковым, Е.М.Орищиным, Б.В.Размысловичем и И.И.Ткачем. Я очень благодарна Л.С.Ажгирею за создание программы для восстановления импульса в Переднем Спектрометре, которая использовалась при обработке, Р.Кунне, Л.Фари, Р.Далю, В.Рамштейн, М.Рой-Стефан, Ж.-Л.Бояру, Т.Эннино за сотрудничество во время проведения эксперимента, написания статей, а дирекции IPN за финансовую поддержку моей работы, И.М.Ситнику, В.В.Глаголеву, М.П.Рекало, Э.Томази-Густафсон, М.В.Токареву, П.Моржу, Е.Осету, Ю.А.Узикову, П.П.Коровину и А.А.Балдину за возможность обсудить результаты этого эксперимента, Н.М.Пискунову и А.С.Водопьянову за серьезную административную поддержку этой деятельности на разных ее этапах. Я также очень благодарна моей маме Т.В.Зайцевой за терпение и помощь во все время этой работы.

1. N. Isgur and G. Karl, Phys. Rev. D 18, 4187, (1978); S. Capstik and N. Isgur, Phys. Rev. D 34, 2809, (1986). #

2. B. Desplanques et al, Z.Phys. A 343, 331, (1992); R. Cano et al, Nucl. Phys. A 603, 257 (1996).

3. L. Y. Glozman and D. O. Riska, Phys. Rep. 268, 263, (1996).

4. L.D. Roper, Phys. Rev. Lett., 12, 340, (1964)

5. G. Kim et al. Phys. Lett. В 219, 1(1989).

6. О. Krehl et al., Phys. Rev. С 62, 025207(2000).

7. R. A. Arndt et al., new results from SAID database, (unpublished).

8. R. M. Edelstein et al. Phys. Rev. D 5, 5(1972); E. Colton et al, Phys. Rev. D 3, 5(1971); E. Colton et al., Phys. Rev. D 17, 1(1973).

9. H. P. Morsch and P. Zupranski, Phys. Rev. C. 61, 024002(1999).

10. D. Hochman et al., Nucl. Phys. В 68, 301(1974)

11. S.Schadmand, Baryon Excitations vol.6, Lectures of the COSY WORKSHOP held at the Forschungszentrum Julich (2000), p.31

12. T. Barnes, Baryon Excitations vol.6, Lectures of the COSY WORKSHOP held at the Forschungszentrum Julich (2000), p.31

13. Blankleider and Walker, Phys. Lett. В 152, 5,6 291(1985)

14. R.J.Eden and J.R.Taylor, Phys. Rev. В 133, 1575(1964)

15. H. P. Morsch et al, Phys. Rev. Lett. 69, 1336 (1992).

16. V. A Tsarev Phys. Rev. D 11, 1864(1975).

17. Deck R., Phys.Rev.Lett., 1964, vl3, p. 1969

18. Ф.А. Гареев, выступление на семинаре по релятивистской ядерной физике ЛВЭ ОИЯИ, неопубликовано.

19. Ю.А.Троян, выступление на семинаре по релятивистской ядерной физике ЛВЭ ОИЯИ, неопубликовано.

20. Н. P. Morsch and P. Zupranski, Phys. Rev. C. 61, 024002(1999).

21. F.M. Gareev, E. A.Strokovsky, обзер утетаиь. фа3и ^ ыеценгарни* i»crui uгончы> ^ , 93У/ Р 2s/ Ч 3

22. J. Banaigs et al, Phys. Lett. В 45, 535 (1973); R. Baldini et al., Nucl. Phys. A 379, 477 (1982).

23. V. G. Ableev et al., Yad. Fiz. 37, 348 (1983);

24. L. S. Azhgirey et al., Yad. Fiz. 27, 1027 (1978);

25. L. S. Azhgirey et al., Yad. Fiz. 30, 1578 (1979);

26. L. S. Azhgirei et al., Yad. Fiz. 48, 1758 (1988); (Sov. J. Nucl. Phys. 48, 1058 (1988).

27. R.Glauber, УФН103,4, 640(1971)

28. P. Fernandez de Cordoba, E. Oset, Nucl. Phys. A544, 793 (1992); P. Fernandez de Cordoba et al., Nucl. Phys. A 586, 586 (1995)

29. S. Hirenzaki, E. Oset, C. Djalali, M. Morlet, Phys. Rev. С 61, 044605 (2000).

30. E. Oset, E. Shiino, H. Toki, Phys. Lett., B224, 249 (1989).

31. M. P. Rekalo and E. Tomasi-Gustafsson, Phys. Rev. C. 54, 3125 (1996).

32. V. V. Glagolev et al. preprint JINR, El-91-511 (1991)

33. D. Brunt et al, Phys. Lett. В 26, 317 (1968)

34. U. Karshon et al, Nucl. Phys. В 37, 371(1972)

35. J.W.Chapman et al., Phys. Rev. Lett. 30, 64 (1973)

36. L. S. Azhgirey et al., Phys. Lett. В 361, 21 (1995); L. S. Azhgirey et al. JINR Rapid Comm., 288]-98, 17 (1998).

37. Data of experiment LNS-250 on Saturne, Saclay, unpublished.

38. V. P. Ladygin et al, Eur. Phys. J. A 8, 409 (2000).

39. T.E.O. Ericson, Nucl. Phys. A 560, 458(1993).

40. M. P. Rekalo, E. Tomasi-Gustafsson et al, Phys. Rev. C. 59, 1526 (1999).

41. M.Garcon et al Phys. Rev. C. 49, 2516 (1994).

42. G. S. Averichev et al preprint JINR, El-95-506 (1995)

43. A. A. Baldin et al JINR Rapid Comm., 573]-95, 41 (1995);

44. J. Antille et al, Phys. Lett. B. 94, 523 (1980).

45. В. E. Bonner et al., Phys. Rev. D. 41, 13 (1990).

46. D. L. Adams et al, Phys. Lett. B. 261, 201 (1991); D. L. Adams et al, Phys. Lett. B. 264, 462 (1991); D. L. Adams et al, Phys. Lett. B. 276, 531 (1992).

47. Phys. Rev. D. 35, 2670(1987)

48. R.A.Arndt, I.I.Strakovsky and R.L.Workman, Phys. Rev. C. 50, 1796 (1994).

49. G. D. Alkhazov, A. V. Kravtsov and A. N. Prokofiev, Preprint EP-32-1998 2246, PNPI, Gatchina, (1998) ; A. N. Prokofiev et al, Few Body Systems, Suppl. 10, 491 (1999).

50. L.V Malinina and E.A. Strokovsky, Particles and Nuclei Lett., 3100], 86 (2000).

51. L. S. Azhgirey et al JINR Rapid Comm., 294]-99, 5 (1999); G. D. Alkhazov, A. V. Kravtsov, A. N. Prokofiev, Preprint EP-9-2000, 2352, PNPI, Gatchina, (2000)

52. E.A. Strokovsky et al., Few Body Systems, Suppl. 10, 495 (1999); G.D. Alkhazov et al., in Proc. of the XIV International Seminar on High Energy Physics problems (ISHEPP XIV), ed. A.M. Baldin, V.V. Burov, v.II, p. 136, Dubna, 2000.

53. M.Bedjidian et al, NIM, A 257,132 (1987); E.Grorud et al, NIM, A 188, 549 (1981).

54. L.Fahri, PhD Thesis, Orsay, 1998.

55. Proc. of the 3d Int. Symp. Madison, 1970, ed. by H. H. Barschall, W. Haeberli, Univ. of Wisconsin Press, Madison, WI, 1971.

56. J. Arvieux et al., Phys. Rev. Lett., 50, 19 (1983); J. Arvieux et al, Nucl. Phys., A 431, 1613 (1984).

57. O.Benary, LeRoy R.Price and G.Alexander "NN and ND interactions (above 0.5 GeV/c)-A Compilation UCRL-200000 NN (1970)

58. F. Meot, S.Valero, Saturne note LNS/GT/93-12 "Zgoubi Users Guide Ver.3M, LNS, 1993.

59. L.S. Azhgirey et al, Phys. Lett. B391, 22, (1997); YaF 61, 494, (1998)

60. V. Punjabi et al, Phys. Lett. B350, 178, (1995)

61. L.S. Azhgirey et al, Phys. Lett. B387, 37, (1996)