Изучение образования нейтральных мезонов в π-ρ-взаимодействии в области энергий P11-, S11-, D13-резонансов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

004607239

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б. П. КОНСТАНТИНОВА РАН

УДК 539.121.34, 539.172.5 На правах рукописи

Козленке Николай Георгиевич

Изучение образования нейтральных мезонов в 7г~р-взаимодействии в области энергий -Pi Su-, 1>1з-резонансов

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Гатчина 2009

2.2 ИЮЛ Ш

004607239

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор С.П. Круглов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Г.А. Петров,

Защита состоится " июля 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.115.01 при Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН по адресу:

188300, г. Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща, ПИЯФ РАН. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ПИЯФ РАН.

кандидат физико-математических наук, с. н. с. Н.С. Топильская.

Ведущая организация: Институт теоретической и

экспериментальной физики.

Автореферат разослан

июня 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И. А.Митропольский

Общая характеристика работы Актуальность темы

Эксперименты по изучению образования нейтральных мезонов в 7г~р-взаимодействии в области Рц(1440)-, 5ц(1535)-, £>1з(1520)-резонансов наряду с упругим тг-р-рассеянием составляют экспериментальную базу спектроскопии нестранных барионов, или, иначе говоря, пион-нуклонных резонансов. Характеристики этих резонансов (масса, ширина, моды распада) являются важными физическими константами, точное знание которых позволит выполнить многопараметрический тест имеющихся кварковых моделей и выбрать из них наиболее реалистичную. Однако к настоящему времени эти характеристики известны с недостаточной точностью; более того, не установлено окончательно существование некоторых из резонансов. Причина такой ситуации двоякая: с одной стороны, несовершенство процедуры парциально-волнового анализа, с помощью которого характеристики резонансов извлекаются из экспериментальных данных, а с другой стороны, неполнота и недостаточно высокое качество этих экспериментальных данных. Анализ экспериментальной ситуации показывает, что в области низколежа-щих 7гДг-резонансов Рп(1440), 5,п(1535), £>13(1520) создана - в основном усилиями физиков ПИЯФ [1], Лос-Аламосской мезонной фабрики (США) [2] и Резерфордовской лаборатории (Великобритания) [3] - достаточно полная база данных по упругому тг~р- и 7г~р-рассеянию.

Реакция перезарядки —> тт°п также изучалась уже довольно давно (например, первые эксперименты по изучению реакции п~р —> 7г°п были выполнены в 1967-1969 годах). Последние работы были опубликованы в 2000-х годах [4], тем не менее до настоящего времени экспериментальная информация о сечениях реакции п~р —> п°п остаётся недостаточной. В особенности это относится к дифференциальным сечениям, для них в диапазоне импульсов налетающих 7г~-мезонов от 500 до 750 МэВ/с данных очень мало, а многие из существующих не могут считаться надежными. Так, в существующей базе данных в интервале по соз(0стп) от -0.9 до 0.8 в диапазоне импульсов налетающих тг~-мезонов от 500 до 750 МэВ/с существовало всего 113 точек для реакции тт~р.—> тг°п, причём эксперименты были выполнены по старым методикам с использованием искровых камер и имели большие статистические и систематические ошибки. В то время как в упругом канале 7г~р —> тг~р в том же диапазоне импульсов и соз(6>ст) существует более 1200 точек.

Предсказания имеющихся парциально-волновых анализов для диф-

ференциальных сечений реакции -к р —> тг°п существенно отличаются друг от друга.

Мотивация для измерения сечений реакции и~р —► тг°п: отсутствие систематических точных данных по перезарядке. Получение новых прецизионных данных по сечениям перезарядки позволит - путём включения этих данных при проведении нового парциально-волнового анализа - существенно улучшить наше знание парциальных амплитуд тгМ-рассеяния и более точно описать тгЛг-систему через эти амплитуды. Это, в свою очередь, даст возможность уточнить параметры низко-лежащих пион-нуклонных резонансов Рц(1440), 5ц(1535), £>13(1520). Точные данные по сечениям перезарядки требуются также для более детального исследования зарядового расщепления Дзз-резонанса, которое было обнаружено ранее в парциально-волновом анализе [5] на основе определения масс и ширин ДзЭ+- и Д^-резонансов.

Начиная с импульса 685 МэВ/с при взаимодействии 7г_-мезонов с протонами начинают рождаться 77-мезоны. Изучение рождения г)-мезона в реакции п~р —> щ, так же как и реакции перезарядки, началось в конце 60-х годов, тем не менее экспериментальная информация о сечениях реакции тг~р —> т]п по-прежнему остаётся противоречивой и недостаточной, особенно около порога реакции (685 МэВ/с). В то же самое время получение точных экспериментальных данных в околопороговой области очень важно для проверки теоретических моделей описания рождения 77-мезона.

Можно сформулировать несколько важных физических задач, решению которых может помочь изучение рождения ту-мезона:

1. Из-за того, что нуклонные резонансы (то есть возбужденные состояния нуклона) имеют большие ширйны и поэтому в значительной мере перекрываются, довольно трудно определять параметры отдельных резонансов. Эта проблема может быть решена исследованием каналов распада с определённым изотопическим спином.

Так, например, при изучении реакции тт~р —+ щ, у которой в начальном состоянии система п~р имеет смесь состояний с изоспи-ном 1/2 и 3/2, а в конечном состоянии система г/п имеет чистое состояние с изоспином, равным 1/2 (1^=0, 1„ = из начального взаимодействия ж~р, согласно закону сохранения изоспина, будут отобраны каналы, которые идут через образование и последующий распад Л^-резонансов, а вклад Д-резонансов будет исключён. :

2. В околопороговой области процесс рождения 77-мезона идёт через образование и последующий распад 5ц(1535)-резонанса, масса ко-

торого очень близка к порогу образования г/-мезона. Этот резонанс продолжает вызывать множество теоретических дискуссий из-за его необычных параметров. Вероятность распада Sn(1535) —» г/п 50%) намного больше, чем для любого другого резонанса. Этот факт трудно объяснить в рамках большинства теоретических моделей, и даже само существование 5ц(1535) как нуклонного резонанса ставится под сомнение.

Вот почему так важно получить как можно более точные экспериментальные данные по рождению т/-мезона для установления природы 5ц(1535)-резонанса и точного определения его характеристик.

3. Одной из фундаментальных констант, которые могут быть извлечены из экспериментов по рождению 77-мезона, является длина T/iV-рассеяния. Значение этой константы (её отличие от нуля) характеризует нарушение киральной симметрии. Так как масса странного кварка (который входит в состав 77-мезона) существенно больше, чем массы и- и d-кварков, соответствующая SU3(L) х SU3(R) симметрия должна нарушаться сильнее, чем SU2(L) х SU2(R) симметрия для случая ttN-га аимодействия. Таким образом, определение длины ^Лг-рассеяния может обеспечить дополнительную информацию о механизмах нарушения киральной симметрии.

Для определения длины r/N-рассеятт используются данные по рождению 77-мезона, так как время жизни 77-мезона составляет 6 х Ю-19 секунды, и получить пучок свободных 77-мезонов невозможно.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является изучение свойств пион-нуклонных резонансов Рц(1440), 1(1535), £>13(1520) в реакциях тг~р —> тт°п и тг~р —» щ при импульсах налетающих тт~-мезонов от 500 до 750 МэВ/с. Эксперимент был проведён на пионном канале AGS (BNL) с использованием электромагнитного калориметра "Crystal Ball", состоящего из 672 кристаллов Nal(Tl). Длина одного кристалла равнялась 15.7 радиационной длины.

В ходе эксперимента были выполнены следующие исследования:

• Измерение абсолютных дифференциальных сечений реакции перезарядки 7г~р —> 7г°п при импульсах налетающих 7г~-мезонов от

547 до 750 МэВ/с.

• Измерение абсолютных полных и дифференциальных сечений реакции ir p —¥ т]п при импульсах налетающих 7г~-мезонов от порога 685 до 750 МэВ/с.

Научная новизна

• Впервые были систематически измерены дифференциальные сечения перезарядки п~р —> тг°п в практически полном угловом диапазоне при импульсах налетающих 7г_-мезонов 547, 600, 645, 675, 690, 703, 720, 732, 747 МэВ/с. Статистические ошибки полученных результатов были менее 4%, систематическая ошибка 4%.

• Впервые были систематически измерены полные и дифференциальные сечения реакции ж~р —» г]п при импульсах 690, 703, 720, 732, 747 МэВ/с. Статистические ошибки полученных результатов были менее 5%, систематическая ошибка 5%.

• Разработан метод точной калибровки импульса пучка налетающих 7г~-мезонов, использующий кинематические соотношения реакций

7Г_р —> 7Г°П И 7Г~р —> Г)П.

• Впервые на основе полученных новых данных был обнаружен вклад D-волны в дифференциальные сечения реакции ж~р —* г}п.

Положения, выносимые на защиту

1. Измерены дифференциальные сечения перезарядки т~р —> п°п в практически полном угловом диапазоне при импульсах налетающих тг"-мезонов 547, 600, 645, 675, 690, 703, 720, 732, 747 МэВ/с. Статистические ошибки полученных результатов были менее 4%, систематическая ошибка 4%.

2. Измерены полные и дифференциальные сечения реакции п~р —> т]п при импульсах 690, 703, 720, 732, 747 МэВ/с. Статистические ошибки полученных результатов были менее 5%, систематическая ошибка 5%.

3. Разработан метод точной калибровки импульса пучка налетающих 7г~-мезонов при помощи кинематики реакций ж~р —> тг°п и ж~р —►

Т]П.

Практическая и научная ценность диссертации

1. Создана уникальная установка для измерения реакций с рождением нейтральных частиц в 7г-р-взаимодействии, центральной частью которой является спектрометр 7-квантов "Crystal Ball". Выполнена энергетическая калибровка 672 кристаллов детектора "Crystal Ball" при помощи источника 137Cs.

2. Для экспериментов на детекторе "Crystal Ball" создана новая система мониторирования пучка, состоящая из мониторного счётчика ST и четырех вето-счётчиков. Сцинтиллятор счётчика ST просматривался с противоположных сторон двумя ФЭУ, сигнал с которых шёл на формирователи и схему совпадений. Этим достигалось подавление шумов и улучшение временного разрешения сигнала.

3. Существенно дополнена мировая база данных по дифференциальным сечениям реакции 7г~р —» тг°тг в области импульсов налетающих 7г~-мезонов от 547 до 750 МэВ/с. Получено с хорошей точностью 185 новых экспериментальных точек. Статистические ошибки новых данных в несколько раз меньше ошибок предыдущих экспериментов.

4. Существенно дополнена мировая база данных по полным и дифференциальным сечениям реакции тт~р —+ rjn в области импульсов налетающих тг--мезонов от 685 до 750 МэВ/с, получено около 100 новых экспериментальных точек.

5. Разработаны программы для обработки и анализа экспериментальных данных и при их помощи проведена обработка экспериментальных данных при девяти импульсах налетающих 7г~-мезонов.

6. Разработана программа для моделирования эксперимента методом Монте-Карло и рассчитаны аксептансы в полном угловом диапазоне для 2 реакций на 9 импульсах для Н2 и СН2 мишеней.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены:

1. Конференция "Meson 2000 Workshop" (Cracow, Poland, May 19-23 2000).

2. Конференция по физике элементарных взаимодействий (ИТЭФ, Москва, декабрь 2001 г.).

3. The 9th Int. Conference on Hadron Spectroscopy (Protvino, Russia, August 25 - September 1 2001).

4. The 10th Int. Symposium on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleón (Beijing, China, August 29 - September 4 2004).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из восьми глав и заключения и содержит 130 страниц, 93 рисунка, 30 таблиц и 32 библиографические ссылки.

Содержание работы

В Главе 1 формулируется основная цель данной работы. Приводится мотивация необходимости проведения данной работы. Описывается ситуация экспериментального изучения реакций 7г~р —* 7г°п и

7Г~р —> Г]П.

В Главе 2 приводится краткое описание ускорителя AGS и линии пучка С6, находящихся в Брукхэйвенской национальной лаборатории (BNL), на которых был выполнен данный эксперимент. Описывается методика измерения и экспериментальная установка (Рис. 1) для изучения реакций iv~p —► 7г°п и ir~p —► щ.

Описывается основной детектор установки - "Crystal Ball"(Рис. 2), спроектированный и построенный в SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, US). "Crystal Ball" состоит из двух герметичных полусфер, каждая из которых состоит из 336 кристаллов Nal(Tl) и весит примерно 3 тонны. Всего в обеих полусферах 672 кристалла (Рис. 2). Описываются мишени, используемые в экспериментах, и детекторы для регистрации пучковых частиц.

В Главе 3 рассмотрены электроника и система сбора данных. Для приёма данных с разных детекторов экспериментальной установки были собраны электронные схемы. Использовались электронные модули в стандартах САМАС, NIM, VME.

Сигнал с фотоумножителя просматривающего кристалл поступал на IH-модуль (Integrated and Hold module), где интегрировался и хранился. IH-модуль был специально сконструирован для обеспечения линейности в большом динамическом диапазоне сигналов, позволяя получать линейность при измерении энергии от 10 кэВ до 1 ГэВ.

WDC(D»)

Ekctruil

CRYSTAL BALL

Рис. 1: Схема установки и расположение детектора "Crystal Ball" на линии С6 AGS в экспериментах 1998 и 2002 годов

672 отдельных кристаллов Nal(Tl), которые перекрывают 94% телесного угла, энерг. разрешение а/Е = 2.7% х £Г1/4 (Е в ГэВ), 0внеш. = 1-32м,0ВНутр. = 0.50м, а0 = 2 °/sin6

Рис. 2: Детектор "Crystal Ball". Мишень окружена четырьмя вето-счётчиками

В эксперименте использовались несколько типов триггеров (для регистрации нескольких типов событий):

1. "CB-calibraton" - СВ-калибровка.

2. "Scaler" - триггер в конце цикла, для чтения счётчиков.

3. "Puiser" - импульс генератора.

4. "irBeam" - триггер от частицы пучка.

5. "ToF" - для измерения времени пролёта.

6. "СВ-А11" - события с энерговыделением в детекторе "Crystal Ball" выше порога.

7. "CB-Charged" - события с заряженной частицей.

8. "CB-Neutral" - события только с нейтральными частицами.

Так как основной целью эксперимента Е913 было измерение нейтральных частиц, образованных в результате тг~р-взаимодействия, то основной приоритет имело событие "CB-Neutral". Все остальные события, использованные во время набора данных, были поделены (прорежены) с помощью электронного делителя импульсов (за исключением триггера "Scaler", который генерируется один раз в конце сброса пучка).

Число падающих на мишень 7г~-мезонов (монитор), которое получалось совпадением сигналов с задающих сцинтилляционных счётчиков перед мишенью и сосчитанных за время цикла, считывалось также по триггеру "Scaler"в конце каждого цикла.

В Главе 4 описывается процедура энергетической калибровки детектора "Crystal Bail". Линейность отклика детектора "Crystal Ball" была проверена на электронных пучках ещё во время его изготовления в лаборатории SLAC US. На Рис. 3 показана зависимость энергии, зарегистрированной в детекторе "Crystal Ball" от энергии падающего пучка электронов. Видна хорошая линейность во всём диапазоне энергий падающих электронов, к тому же в нашем эксперименте диапазон энергий рождающихся 7-квантов не превышает 1 ГэВ.

Предварительная калибровка перед экспериментом проводилась с помощью источника 137Cs, помещённого в центр детектора "Crystal Ball". Снимался спектр сигналов с каждого кристалла.

О 2000 4000

5os"i7 BEAM ENERGY (MeV)

Рис. 3: Зависимость энергии, зарегистрированной в детекторе "Crystal Ball", от энергии падающего пучка электронов

Во время эксперимента калибровка проводилась с помощью восстановленных инвариантных масс 7г°-мезона и 77-мезона. Полученные результаты калибровки совпали с результатами калибровки, полученными ранее в лаборатории SLAC US, где создавался детектор "Crystal Ball" , и подтвердили линейность энергетической калибровки в нашем диапазоне энергий. Было прокалибровано 672 кристалла.

В Главе 5 изложена процедура обработки. Описана программа анализа полученных данных, алгоритм поиска нужных событий (Рис. 4), расчёт аксептанса. Когда фотон попадает в детектор, он образует электромагнитный ливень, который, развиваясь, проникает в соседние кристаллы. Поэтому возникает задача нахождения группы кристаллов, в которых одним фотоном был рождён ливень и была выделена энергия. Такую группу кристаллов мы назовём кластером и полную энергию такого кластера, полученную как сумму энергий, выделившихся в кристаллах, принадлежащих этому кластеру, примем за измеренную энергию налетающего фотона. Программа, занимающаяся поиском кластеров, является частью программы "Analyser", и её целями является нахождение групп кристаллов, соответствующих отдельным фотонам, и определение энергий и направлений фотонов. Программа по определённому алгоритму находит кристалл с максимальной выделенной энергией и суммирует его энергию с энергией соседних кристаллов (Рис. 5), получая в результате энергии и направления 7-квантов, зарегистрированных детектором "Crystal Ball". Направление 7-кванта

Цикл N10258, Событие N445, Нейтральный триггер,

Кластер 1 Класте

Еы1+сю = 0.6622 ГэВ, Полная энергия

Инвариантная масса кластера (ГэВ)

0.4494 0.2128

(1+2 кластера) Mv = 0.55 ГэВ.

Рис. 4: Представлена развернутая карта расположения кристаллов и типичное событие реакции тх~р —> rjn, зарегистрированное детектором "Crystal Ball" , показанное на этой карте. Справа - кластер 1, слева - кластер 2. Белыми шестиугольниками на карте ("Beam in" и "Beam out") показаны отверстия для входа и выхода пучка налетающих частиц

рассчитывалось как направление от центра мишени до центра кластера. Потом программа, используя информацию о направлении и энергии

Рис. 5: Схема расположения: а) кристалла, в котором выделилась максимальная энергия, и трёх его ближайших соседей; Ь) кристалла и всех двенадцати касающихся его соседей; с) группа из 22 кристаллов

7-квантов, восстанавливает инвариантные массы и 4-импульсы частиц, распавшихся на эти 7-кванты, и впоследствии заполняются гистограммы дифференциальных сечений.

В Главе 6 уделено особое внимание системе мониторирования пучка налетающих 7г_-мезонов линии Сб, т.к. для получения абсолютных дифференциальных сечений необходимо точно знать число налетающих 7г_-мезонов.

В Главе 7 приведены результаты измерений дифференциальных сечений процесса тг~р —» тс°п, полученные при импульсах налетающих тг~-мезонов: Рт- = 547, 600, 645, 675, 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с на водородной мишени. Всего представлено 185 новых экспериментальных точек. Измерения также выполнены на полиэтиленовой мишени (см. Рис. 6).

Рис. 6: Дифференциальные сечения реакции ж~р —» ж°п для импульсов налетающих 7г_-мезонов в диапазоне от 547 до 750 МэВ/с, измеренные на полиэтиленовой мишени. Для каждого импульса использовалась своя шкала по оси ординат. Статистические ошибки составляют от 2 до 4% в зависимости от импульса и соз(0ст). Линиями показаны предсказания парциально-волнового анализа ЕА02

Сравнение дифференциальных сечений процесса -к~р —> п°п с предсказаниями парциально-волнового анализа ГА02, выполненного группой из Университета им. Дж. Вашингтона (США), показало, что в целом с точностью 5% наблюдается согласие на большинстве измеренных импульсов. Только при импульсах налетающих тг^-мезонов выше

-1 -0Л -0.6

■0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0Я

cos<e™>

685 МэВ/с и соз(0ст) < -0.45 появляется расхождение. Это видно на Рис. 6-8.

На Рис. 7 чёрными точками показаны дифференциальные сечения в зависимости от импульса налетающих тг°-мезонов для четырёх соз(0ст): -0.96, -0.88, -0.80, -0.72, а линией показаны предсказания парциально-волнового анализа РА02. Видны большие отличия экспериментальных данных от предсказаний парциально-волнового анализа на импульсах выше порога образования ^-мезона.

с) соз(6>ст) = -0.80 (1) СОЭ^ст) = -0.72

Рис. 7: Дифференциальные сечения реакции 7г~р —> п°п в зависимости от импульса налетающих тг~-мезонов для нескольких соз(0ст), соответствующих вылету 7г°-мезона назад в системе центра масс. Линией показаны предсказания парциально-волнового анализа ЕА02 для тех же значений соз(6>ст). Стрелками отмечен импульс 685 МэВ/с (порог рождения 77-мезона)

На Рис. 8 показано отношение дифференциальных сечений реакции тт~р —> тт°п к предсказаниям парциально-волнового анализа FA02 при 720 МэВ/с. Из этого рисунка видно, что при cos(0cm) > -0.45 есть хорошее согласие (с точностью 5 %) эксперимента с фазовым анализом. Но для cos(0cm) < -0.45 экспериментальные данные лежат ниже (до 20%) предсказаний парциально-волнового анализа FA02.

Рис. 8: Отношение дифференциальных сечений реакции ж~р —> 7Г°п при импульсе налетающих 7г~-мезонов 720 МэВ/с, к предсказаниям парциально-волнового анализа ГА02

В Главе 8 приведены результаты измерений полных сечений процесса 7г"р —> г}п при импульсах налетающих г;-мезонов = 687, 701, 713, 732 и 744 МэВ/с. Полные сечения, полученные в этой работе, находятся в согласии с предыдущими экспериментами, но значительно превосходят все опубликованные экспериментальные данные в статистической точности (см. Рис. 9).

Также в этой главе приведены результаты измерений дифференциальных сечений процесса тг~р —» щ при импульсах налетающих т]-мезонов 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с (см. Рис. 10). Представлено около 100 новых экспериментальных точек.

Рьь,МеУ/с

Рис. 9: Полные сечения реакции тг~р —> цп. Сравнение данных, полученных в 2002 году на полиэтилене (мишень СН2), с данными, полученными в 1998 году на жидководородной мишени, а также с другими экспериментами, выполненными ранее в 1969-1975 годах. Сплошная линия соответствует вычислениям [8], включающим 5- и Р-волны. Пунктирная линия соответствует только 5-волновому вкладу

! ! i 1

• ; i М м

i / i .....i,; i

i , )

мм

: 4J t u 14 U U l

1

1

I ! pi- 4-4^.

1 ' 1 1 !+J T rt rv'

1 !

l 4U i qj 4Л

(а) V7r, = 690 МэВ/с (b) P^- = 703 МэВ/с

з i

§ojs

i« i IS 1 1

r> 1 1

1

1 |

j __L.

j ' i ! i 1

(c) P„._ = 720 МэВ/с (d) = 732 МэВ/с

EjpfU

f ( ! ; j

x i l^X \ T

' 1 1 T

l i

1 ]

"■l 4J 41 « Ij t< U U l

«Bia^i

(e) P„._ = 747 МэВ/с

Рис. 10: Дифференциальные сечения реакции тг~р цп при импульсах налетающих тг~-мезонов 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с. Линией показан фит полиномами Лежандра

Полученные дифференциальные сечения реакции ж р rjn были подогнаны функцией, являющейся полиномом Лежандра:

^ = а0 + aiPa(cos в*) + a2P2(cos Г). (1)

Коэффициенты разложения da/dSl(Tc~p —> туп) по полиномам Лежандра в зависимости от импульса налетающих тг~-мезонов показаны на Рис. 11. Из рисунка видно, что основной вклад в дифферен-

з 0.24 0.22 0.2 0.18 0.16 0.14

I • - а0 ... J ■f

+ T

* .................| 1

r

................

t , , i , , , i , ,

<0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0

i 0 — ai +

i • - a2

.......... T

. 1

г + .....;.....1.....т.....,■.....;..... i ......f"7'i'

700

720 а).

740

МэВ/с

700

720

ь).

740

МэВ/с

Рис. 11: (Рис. а) ао - коэффициент разложения по полиномам Лежандра нулевой степени (см. Уравнение 1), (Рис. Ь) а\ коэффициент первой степени (белые точки) и а,2 коэффициент второй степени (чёрные точки)

циальные сечения реакции тх~р —> т]п даёт ¿¡"-волна (коэффициент ао). Вклад Р-волны (коэффициент £¡1) является незначительным, в то же время вклад Д-волны (коэффициент 02) возрастает с ростом импульса налетающих тг~-мезонов и достигает «20% от вклада 5-волны при Рх- = 747 МэВ/с. Таким образом, обнаружен значительный вклад Б-волны, который можно объяснить присутствием 1?13 (1520)-резонанса (р- = 739 МэВ/с) в этой области.

Также приведено сравнение полученных дифференциальных сечений реакции п~р —> г/п с предсказаниями парциально-волнового анализа БРОб. Обнаружено, что существует разногласие предсказаний парциально-волнового анализа БР06 с нашими данными. Предсказания

парциально-волнового анализа БР06 для дифференциальных сечений идут ниже на 15-20%, хотя по форме дифференциальных сечений наблюдается неплохое согласие. Из этого следует, что надо выполнить новый фазовый анализ с использованием новых данных.

Приведено сравнение дифференциальных сечений процесса ж~р —» г]п с работой Бете! е£ а1. [6] при импульсах 720 и 747 МэВ/с (Рис. 12). Как видно, данные не согласуются в области вылета гу-мезона назад в

сГ

5 0.25

о

•а

0.2

0.15 0.1 0.05

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

cos(9c„)

Рис. 12: Чёрными точками показаны результаты данной работы при 720 МэВ/с, а белые точки - результат работы Deinet et аI. при 718 МэВ/с. Сплошная кривая — фит наших данных полиномом Лежан-дра второй степени

системе центра масс, а в области вылета вперед наблюдается согласие в пределах ошибок. Необходимо отметить, что точность наших результатов выше, чем у работы Deinet et al.

В Заключении подводятся итоги и обосновывается ценность новых данных.

Основные результаты следующие:

1. Получены с помощью детектора "Crystal Ball" новые прецизионные данные (статистические ошибки меньше 4%, систематические ошибки 4%) по дифференциальным сечениям реакции перезаряд-

Ехр 913

! PI 0.1S21

й О.ШОЕ-02

РЭ 0.1139Е-01

1 ; ...... 1 Т ii т J| *fлЦ'

■ + 14.'-ft ! 10 М т • ~< ' 0 о 'gii- 1 1 ! 6

............ГТ гг i J

|

\

I .

ки 7г р —> 7Г°п при импульсах налетающих 7г -мезонов: Рж- = 547, 600, 645, 675, 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с. Импульсный разброс налетающих 7г~-мезонов в пучке составлял ~ 1%. Всего бы-

ло получено 185 новых точек, что значительно превышает число экспериментальных точек для этой реакции, имевшихся до этого в мировой базе данных в этом импульсном интервале.

2. Результаты эксперимента для реакции тт~р —» тг°п не подтверждают предсказаний парциально-волнового анализа SAID FA02 в области углов вылета 7г°-мезона назад в системе центра масс для импульсов налетающих 7г "-мезонов выше порога образования rj-мезона 685 МэВ/с. Из этого следует вывод, что необходимо проведение нового парциально-волнового анализа с использованием новых данных по перезарядке и по образованию 77-мезонов.

3. Получены полные и дифференциальные сечения реакции ж~р т}п при импульсах налетающих тг"-мезонов: 1\- — 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с, превышающие по точности все предыдущие эксперименты (статистические ошибки меньше 5%, систематические ошибки 5%). Всего представлено 100 новых экспериментальных точек по дифференциальным сечениям реакции п~р —> r¡n.

4. Предсказания парциально-волнового анализа SP06 по дифференциальным сечениям реакции -к~р —> щ систематически отличаются от наших данных примерно на 10-15% в меньшую сторону, хотя форма сечений совпадает. Это снова указывает на необходимость выполнить новый парциально-волновой анализ с использованием новых данных.

5. Впервые на основе новых полученных данных был обнаружен существенный рост вклада D-волны в области импульсов налетающего 7г~-мезона от порога образования 77-мезона 685 до 750 МэВ/с в дифференциальные сечения реакции ж~р —> r¡n, который можно объяснить присутствием £>1з(1520)-резонанса (Р~ = 739 МэВ/с) в этой области.

6. В ходе проведения эксперимента проведена энергетическая калибровка 672 кристаллов Nal, входящих в детектор "Crystal Ball". Была создана, установлена и отлажена система мониторных пучковых счётчиков, используемая для определения числа падающих на мишень 7г~-мезонов. ; ;

7. Усовершенствована программа "Analyser" для проведения обработки результатов эксперимента. Разработана программа для моделирования эксперимента методом Монте-Карло и рассчитаны аксептансы для 2 реакций на 9 импульсах для и СНз мишеней.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. А.В. Gridnev and N.G. Kozlenko, Eur. Phys. J. A 4 (1999) 187.

2. N.G. Kozlenko et al, Acta Physica Polonica 31 (2000) 2239.

3. N.G. Kozlenko. Measurements of the differential cross sections of the reaction тг~р —» rjn using the Crystal Ball detector. Proc. The 9th Int. Conference on Hadron Spectroscopy (Protvino, Russsia, 25 August-1 September 2001), AIP Conference Proceedings, vol. 619 (2002) 697.

4. Н.Г. Козленко и др. Измерение полных и дифференциальных сечений реакции к~р —> щ с помощью детектора Crystal Ball. Ядерная физика, т. 66 (2003) 112.

5. N.G. Kozlenko et al Measurements of the total and differential cross sections of the reaction тг~р —» rjn using a polyethylene target and the Crystal Ball detector. Preprint PNPI-2542, Gatchina, 2003, 27 p.

6. V. Abaev, V. Bekrenev, N. Kozlenko et al. Study of тг~р reactions with neutral particles in the final states using the Crystal Ball at AGS. Основные результаты научных исследований ПИЯФ 20002004, Гатчина, 2005, с. 95.

7. Н.Г. Козленко и др. Измерение дифференциальных сечений реакции тт~р —> тг°п на полиэтиленовой мишени с помощью детектора "Crystal Ball" в диапазоне импульсов налетающих 7г-мезонов от 547 МэВ/с до 750 МэВ/с. Препринт ПИЯФ-2684, Гатчина, 2006, 56 с.

8. V.V. Abaev, V.S. Bekrenev, N.G. Kozlenko et al. Experiments of Crystal Ball collaboration at BNL. PNPI, High Energy Physics Division. Main Scientific Activity 2002-2006, Gatchina, 2007, p. 118.

Список литературы

[1] S.P. Kruglov, 71-N Newsletter 4 (1991) 14.

[2] M.E. Sadler, in Proceedings of International Conference on Meson and Nuclei at Intermediate Energies, Dubna, 1994 (World Sci., Singapore, 1994) p. 3.

[3] J.F. Martin et al, Nucl. Phys. В 89 (1975) 253.

[4] И.В. Лопатин, Ядерная Физика, 65, N 2 (2002) 260-268.

[5] V.V. Abaev, S.P. Kruglov, Z. Phys. A 352 (1995) 85-96.

[6] W. Deinet et al, Nucl. Phys. В 11 (1969) 495.

[7] Chiu et al., Phys. Rev. 156 5 (1967) 1415-1426.

[8] A.B. Gridnev and N.G. Kozlenko, Eur. Phys. J. A 4 (1999) 187.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 195, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 11.06.2010г.

1 Введение; мотивация данного эксперимента, теоретическое обоснование.

1.1 Цель работы.

1.2 Мотивация данного эксперимента, теоретическое обоснование.

1.2.1 Образование 7г°-мозона в реакции 7т~р —> -к°п.

1.2.2 Рождение /у-мезона в реакции 7Г~р —> щ.

2 Методика измерений и описание установки.

2.1 Ускоритель Alternating Gradient Synchrotron (AGS) Брукхевенской Национальной Лаборатории (BNL).

2.2 Описание линии С6/С8 ускорителя AGS

Брукхэйвенской Национальной Лаборатории

2.3 Общая схема установки эксперимента Е913.

2.4 Описание детектора "Crystal Ball", состоящего из 672 Nal кристаллов.

2.5 Мишени.

2.5.1 Жидководородная мишень (LH2), использованная в 1998 г.

2.5.2 Полиэтиленовая мишень (СН2), использованная в 2002 г.

2.6 "Veto Barrel" сцинтилляционные счётчики.

2.7 Пучковые счётчики.

2.8 Черенковский счётчик.

2.9 Счётчики для измерения времени пролёта.

2.10 Дрейфовые камеры.

2.11 Радиационная защита установки и поглотитель пучка.

3 Электроника и система сбора данных.

3.1 Введение.

3.2 Электроника детектора "Crystal Ball".

3.3 Триггеры для запуска установки.

3.4 Система сбора данных.

4 Калибровка "Crystal Ball" детектора.

4.1 Введение.

4.2 Калибровка с использованием источника 137Cs.

4.3 Стабильность коэффициентов калибровки, полученных на источнике 137Cs.

5 Обработка данных.

5.1 "Analyzer" программа обработки данных.

5.2 Программа поиска кластеров.

5.3 Регистрация нейтронов в "Crystal Ball" детекторе.

5.4 Расчёт аксептанса установки.

6 Параметры пучка линии С6, для импульсов налетающих 7Г -мезонов от 547 МэВ/с до 747 МэВ/с.

6.1 Калибровка импульса пучка.

6.2 Определение импульса налетающих пионов с использованием кинематики реакции тт~р —г/п.

6.3 Определение зависимости недостающей массы от вычисленной инвариантной массы ?7-мезона.

6.4 Моделирование корреляции MM vs. Minv методом Монте-Карло при использовании детектора "Crystal Ball" и сравнение с данными реального эксперимента.

6.5 Дополнительные поправки к выполненной калибровке, вызванные близостью порога реакции тг~р —> г]П.

6.6 Геометрические размеры пучка; примеси электронов и мюонов; импульсное распределние пучка тг~-мезонов линии С6.

7 Результаты измерения дифференциальных сечений для процесса тт~р —> тг°тг полученные на полиэтиленовой и водородной мишенях при импульсах налетающих тт~-мезонов = 547, 600, 645, 675, 690, 703,

720, 732 и 747 МэВ/с.

7.1 Введение.

7.2 Идентификация тг°-мезонов, зарегистрированных детектором "Crystal Ball".

7.3 Дифференциальные сечения реакции тт~р —>• тг°гг при импульсе налетающих тг~-мезонов 720 МэВ/с.

7.4 Дифференциальные сечения реакции тт~р —* тг°я при импульсе налетающих тг~-мезонов 547 МэВ/с.

7.5 Дифференциальные сечения реакции тг~р —> тг°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 600 МэВ/с.

7.6 Дифференциальные сечения реакции тг~р —» тг°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 645 МэВ/с.

7.7 Дифференциальные сечения реакции тг~р —> тг°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 675 МэВ/с.

7.8 Дифференциальные сечения реакции тг~р —>• тг°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 690 МэВ/с.

7.9 Дифференциальные сечения реакции тг~р —> и°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 703 МэВ/с.

7.10 Дифференциальные сечения реакции тг~р —> тг°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 732 МэВ/с.

7.11 Дифференциальные сечения реакции тт~р — тг°п при импульсе налетающих тг~-мезонов 747 МэВ/с.

8.1.2 Определение числа 77-мезонов, зарегистрированных детектором "Crystal Ball".102

8.1.3 Вычисление полных сечений реакции ж~р —» г\п.107

8.2 Результаты измерения дифференциальных сечений для процесса —> г]п при импульсах налетающих 7г~-мезонов 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с.108

8.3 Обсуждение полученных результатов для реакции ir~p —> rjn, сравнение с предыдущими работами, выводы.122

9 Заключение 126

Основные результаты данной работы следующие:

1. С помошью детектора "Crystal Ball" получены новые прецизионные (2%-4%) данные по дифференциальным сечениям реакции перезарядки п р —> ТГ П При импульсах налетающих тг~-мезонов = 547, 600, 645, 675, 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с. Импульсный разброс налетающих тг-мезонов в пучке составлял ^r(<x) ~ 1%. Всего было получено 185 новых точек, что значительно превышает число экспериментальных точек для этой реакции имевшихся до этого в мировой базе данных в этом импульсном интервале.

2. Результаты эксперимента для реакции тг~р —>■ ттап не подтверждают предсказаний парциально-волнового анализа SAID FA02 в области углов вылета тг -мезона назад в системе центра масс для импульсов налетающих тг~-мезонов выше порога образования 77-мезона 685 МэВ/с. Из этого следует вывод, что необходимо проведение нового парциально-волнового анализа с использованием новых данных по перезарядке и по образованию г/-мезонов.

3. Получены полные и дифференциальные сечения реакции п р —tjti при импульсах налетающих тг"~-мезонов Pv = 690, 703, 720, 732 и 747 МэВ/с, превышающие по точности все предыдущие эксперименты (статистические ошибки меньше 5%, систематические ошибки 5%). Всего представлено 100 новых экспериментальных точек по дифференциальным сечениям реакции тг~р —> rjn.

4. Предсказания парциально-волнового анализа SP06 по дифференциальным сечениям реакции тг~р ipi систематически отличаются от наших данных примерно на 10%-15% в меныпую сторону, хотя форма сечений совпадает. Это снова указывает на необходимость выполнить новый парциально-волновой анализ с использованием новых данных.

5. Полученные данные указывают на существенный рост вклада D-волны в дифференциальные сечения реакции тг~р rjn в области импульсов налетающего 7г~-мезона от порога образования //-мезона 685 МэВ/с до 750 МэВ/с, который можно объяснить присутствием D13 (1520)-резонанса (Р~ = 739 МэВ/с) в этой области.

6. В ходе проведения эксперимента проведена наладка и энергетическая калибровка детектора "Crystal Ball", состоящего из 672 кристаллов Nal. Была создана, установлена и отлажена система мониторных пучковых счетчиков используемая для определения числа падающих на мишень тг~-мезонов.

7. Усовершенствована программа "Analyser" для проведения обработки результатов эксперимента. Разработана программа для моделирования эксперимента методом Монте-Карло и рассчитаны аксептансы для 2 реакций на 9 импульсах для Н2 и СН2 мишеней.

Б л агодарно сти

Выражаю благодарность моему научному руководителю, профессору д.ф.-м.н. Круглову Сергею Павловичу за помощь и поддержку в подготовке диссертации. Лопатину Игорю Владимировичу за редакторские правки и советы для улучшения качества и стиля диссертации.

Выражаю благодарность всем членам коллаборации "Crystal Ball" за высокий профессиональный уровень и совместную работу при проведении эксперимента и получения экспериментальных данных. Персонально выражаю благодарность профессору Майклу Садлеру за сотрудничество, обсуждения результатов и неоднократную финансовую поддержку моего участия в эксперименте.

Выражаю благодарность сотрудникам лаборатории мезонной физики за их советы и помощь. А также многим сотрудникам Отделения Физики Высоких Энергий, принимавших участие в обсуждении и решении проблем, при необходимости оказывающих помощь лентами, дисковым пространством, терминалами.

Также хочется выразить благодарность группе Computing за предоставление возможности обрабатывать данные на вычислительных ресурсах не уступающим мировым аналогам в то время.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований и Министерством промышленности, науки и технологий РФ, US DOE, NSF, NSERC, Volkswagen Stiftung.

9 Заключение

После проведения эксперимента, обработки и анализа полученных данных, результаты данной работы обсуждались на семинарах Лаборатории мезонной физики и на семинарах Отделения физики высоких энергий ПИЯФ. Основные результаты работы были также представлены на конференциях:

• Meson 2000 Workshop, Cracow, Poland, 19-23 May 2000.

• Конференция по физике элементарных взаимодействий, декабрь 2001 г., ИТЭФ, Москва.

• The 9th Int. Conference on Hadron Spectroscopy (Protvino, Russia, 25 August-1 September 2001).

• The 10th Int. Symposium on meson-nucleon physics and the structure of the nucleón (Beijing, China, 29 August-4 September 2004).

1. S.P. Kruglov, V.V. Abaev, N.A. Bazhanov et al. Investigation of nN scattering in LNPI. ttN Newsletter 4 (1991) 1^34.

2. M.E. Sadler. Pion-Nucleon Experimental program at LAMPF. In Proceedings of International Conference on Meson and Nuclei at Intermediate Energies, Dubna, 1994 (World Sci., Singapore, 1994), p. 3-12.

3. J.F. Martin, J. C. Sleeman, R. M. Brown et al. Polarization measurements in ~+p elastic scattering from 0.60 to 2.65 GeV/c Nucl. Phys. В 89 (1975) 253-286.

4. И.В. Лопатин. Измерение дифференциальных сечений 7гр-рассеяния с перезарядкой в области низколежащих Рц, Su и /^з-резонансов. Ядерная Физика 65, N2 (2002) с. 260-268.

5. C.B. Chiu, R.D. Eandi, А.С. Helmholz et al. Pion-Proton Charge-Exchange Scattering from 500 to 1300 MeV. Phys.Rev 156 (1967) 1415-1426.

6. W. Deinet, H. Miiller, D. Schmitt et al. Differential and total cross sections for 7Г-+P-+ r) + n from 718 to 1050 MeV/c. Nucl. Phys. Bll (1969) 495-504.

7. R.M. Brown, A.G. Clark, P.J. Duke et al. Differential cross-section measurements in 7r~p charge exchange scattering from 620 to 2730 MeV/c. Nucl. Phys. В 117 (1976) 12-49.

8. F. Bulos, C.A. Bordner, P. Bastien et al. Charge-exchange and production of 77 mesons and multiple neutral pions in 7г~р reactions between 654 and 1247 MeV/c. Phys. Rev. 187, N5 (1969) 1827-1843.

9. R.B. Chaffee, Differential cross-section measurements for тг~р —► т.п from 880 to 1130 MeV/c. thesis LBL #1060 (1972).

10. J. Feltesse, R. Ayed, P. Bareyre et al. The reaction тг~р —> щ up to p* = 450 MeV/c: experimental results and partial-wave analysis. Nucl. Phys. B93 (1975) 242-260.

11. W.B. Richards, C.B. Chiu, R.D. Eandi et al. Production and Neutral Decay of the 77 Meson in rrp Collisions. Phys. Rev. D1 (1970) 10-19.

12. D.M. Binnie, L. Camilleri, N.C. Debenham et al. Study of Narrow Mesons near Their Thresholds. Phys. Rev. D8 (1973) 2789-2813.

13. R. A. Arndt, W. J. Briscoe, I. I. Strakovsky ei ai.Dispersion relation constrained partial wave analysis of nN elastic and irN —> r)AT scattering data: The baryon spectrum. Phys. Rev. С 69 (2004) 035213 18 pages.

14. R. A. Arndt, W. J. Briscoe, I. I. Strakovsky, R. L. Workman. Extended partial-wave analysis of piN scattering data. Phys. Rev. С 74 (2006) 045205 14 pages.

15. G. Hohler, Pion-nucleon scattering. Landolt-Bornstein, Vol. I/9b, Part 2, 1980. edited by H. Schopper (Springer Verlag, 1983).

16. Cutkosky, R. E. Hendrick, J. W. Alcock et al. Pion-nucleon partial-wave analysis. Phys. Rev. D20 (1979) 2804-2838.

17. R. Koch and E. Pietarinen. Low-energy ttN partial wave analysis. Nucl. Phys. A336 (1980) 331-346.

18. M.E. Sadler. The Crystal Ball Multi-Photon Spectrometer: A New Facility for Baryon Spectroscopy, 7i-N Newsletter 13 (1997) 123-126.

19. S. McBonald, CB-95-003 Data Acquisition using CODA, Technical Report, The Crystal Ball Collaboration (1995).

20. Martin Clajus, Aleksandr Starostin, Chris Allgower, Kelly Craig. Electronics Layout for AGS Experiments 913/9Ц,

21. Technical Report, The Crystal Ball Collaboration (1998).

22. K. Craig, CB-00-006 Beam Momentum Calibration of the Pion Runs From 1998, Technical Report, The Crystal Bal Collaboration (2000) 15 pages.

23. S. McBonald, CB-95-011 The C6/C8 Beamline Programs and Characteristics, Technical Report, The Crystal Ball Collaboration (1995) 18 pages.

24. N.G. Kozlenko. Near-Threshold Eta-Meson Production of the Reaction тг~р rjn using the Crystal Ball Betector. Acta Physica Polonica 31 (2000) 2239-2243.

25. A.B. Gridnev and N.G. Kozlenko. Pion-nucleon scattering in the К -matrix approach. Eur. Phys. J. A 4 (1999) 187-194.

26. C. Amsler et al. (Particle Bata Group), Physics Letters B667 (2008) 1.

27. V. Abaev, V. Bekrenev, N. Kozlenko et al. Study of тг~p reactions with neutral particles in the final states using the Crystal Ball at AGS. Основные результаты научных исследований ПИЯФ 2000-2004, Гатчина, 2005, с. 95.

28. H.Г. Козленко и др. Измерение дифференциальных сечений реакции тг~р —> тг°п на полиэтиленовой мишени с помощью детектора "Crystal Ball" в диапазоне импульсов налетающих тг-мезонов от 547 МэВ/с до 750 МэВ/с. Препринт ПИЯФ-2684, Гатчина, 2006, 56 с.

29. V.V. Abaev, V.S. Bekrenev, N.G. Kozlenko et al. Experiments of Crystal Ball collaboration at BNL. PNPI, High Energy Physics Bivision. Main Scientific Activity 2002-2006, Gatchina, 2007, p. 118-124.

30. Н.Г. Козленко, В.В. Абаев, B.C. Бекренев и др. Измерение полных и дифференциальных сечений реакции тг~р 1.п с помощью детектора "Crystal Ball". Ядерная физика, т. 66 (2003) 112-115.

31. N.G. Kozlenko et al. Measurements of the total and differential cross sections of the reaction n~p —>• rjn using a polyethylene target and the Crystal Ball detector. Preprint PNPI-2542, Gatchina, 2003, 27 p.