Образование лидирующих странных частиц во взаимодействиях нейтронов с ядрами при импульсе 4-10 ГэВ/с тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Ендалов Александр Львович

ОБРАЗОВАНИЕ ЛИДИРУЮЩИХ СТРАННЫХ ЧАСТИЦ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ НЕЙТРОНОВ С ЯДРАМИ ПРИ ИМПУЛЬСЕ

4-10 ГэВ/с

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Сергеев Феликс Михайлович.

Москва, 1998

/

Содержание

Введение 5

1 Образование лидирующих частиц в адрон-адронных и адрон-ядерных взаимодействиях 12

1.1 Эффект лидирующей частицы в адрон-адронных и адрон-ядерных взаимодействиях..........................................12

1.2 Поляризация Л-гиперонов в нуклон-нуклонных и нуклон-ядерных взаимодействиях....................................................25

1.3 Краткие выводы..............V ..............33

2 Методика эксперимента 34

2.1 Магнитный спектрометр КАОН ................................34

2.2 Выделение событий................................................37

2.2.1 Реакция с образованием А-гиперона......................37

2.2.2 Реакция с образованием пары АК°........................48

2.3 Методика восстановления кинематических параметров на спектрометре КАОН....................................................49

2.4 Пузырьковая камера ЖВК-205 ИТЭФ ..........................52

3 Характеристики лидирующих Л-гиперонов, образованных при взаимодействии нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и свинца. 54

3.1 Зависимость сечений образования Л-гиперонов от переменной Фейнмана хр, быстроты у, квадрата поперечного импульса р\ 54

3.2 Зависимость сечений образования Л-гиперонов от массового числа ядра мишени........................ 60

3.3 Краткие выводы.......................... 61

4 Поляризация лидирующих Л-гиперонов. 67

4.1 Зависимость поляризации Л-гиперонов от поперечного импульса ................................ 67

4.2 Зависимость поляризации Л-гиперонов от переменной Фейнмана ................................. 68

4.3 Зависимость поляризации Л-гиперонов от переменной светового конуса............................. 71

4.4 Краткие выводы.......................... 72

5 Образование лидирующих пар Л/Г0 во взаимодействиях нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и меди. 77

5.1 Зависимость сечения образования пар от переменной Фейнмана.............................. 77

5.2 Зависимость сечения образования пар АК° от квадрата поперечного импульса........................ 78

5.3 Зависимость распределения по хр от массового числа ядра мишени............................... 83

5.4 Спектры эффективных масс системы АК°........... 84

5.5 Краткие выводы.......................... 84

6 Образование лидирующих странных частиц в 7г+р-взаимодействияэ

при начальном импульсе 4,2 ГэВ/с. 89

6.1 Характеристики лидирующих странных частиц, образованных в 7г+]э-взаимодействиях при импульсе 4,2 ГэВ/с............89

6.2 Образование пары АК в 7Г+р-взаимодействиях при начальном импульсе 4,2 ГэВ/с..................................................99

6.3 Краткие выводы..........................102

Заключение 107

Список литературы 110

Введение

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию образования лидирующих Л-гиперонов во взаимодействиях нейтронов с импульсами 410 ГэВ/с с ядрами углерода и свинца в сопровождении только нейтральных частиц; образования лидирующих пар АК° во взаимодействиях нейтронов с импульсами 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и меди. Работа выполнена на экспериментальном материале, полученном на магнитном спектрометре "КАОН" ИТЭФ, облученном нейтронами с импульсами 4-10 ГэВ/с, а также на 2-метровой водородной пузырьковой камере ИТЭФ, облученной 7г+-мезонами с импульсом 4,2 ГэВ/с.

Актуальность проблемы

В настоящее время установленным фактом является то, что процесс сильного взаимодействия развернут в пространстве-времени. Начальные стадии этого процесса достаточно хорошо поняты в рамках сложившейся части теории сильного взаимодействия - пертурбативной квантовой хромо-динамики (КХД). Однако, переход кварк-партонной стадии в наблюдаемые конечные состояния не может быть описан теорией, что обусловлено ростом константы взаимодействия с увеличением расстояния - проблемой конфай-нмента. По своему содержанию она является проблемой взаимодействия цветных объектов на сравнительно больших расстояниях и, стало быть, относится к области мягких адронных процессов.

Эффективным средством решения упомянутой проблемы является атомное ядро. В ядерных реакциях в области промежуточных и высоких энергий оно проявляет себя как анализатор сложной динамики взаимодействия адронов, имеющих кварк-партонную структуру.

Эффект лидирования занимает важную роль в процессах множественного рождения. Изучение превращений первичной частицы в области ее фрагментации на ядерных мишенях позволяет исследовать пространственно-временную структуру сильного взаимодействия. Характеристики образующихся при этом лидирующих частиц непосредственно связаны с эволюцией кварковой системы. Поскольку вклад ядерного каскада в процесс образования лидирующих частиц сильно подавлен, появляется возможность проверки предсказаний квантовой хромодинамики, в частности, эффекта цветовой прозрачности ядер. Лидер имеет наиболее жесткий спектр и представляет собой своего рода перевоплощение первичной частицы, характеристики которого отражают историю прохождения адрона-снаряда через мишень. Привлекательно использовать в качестве лидера странные частицы, например, Л-гиперон, поскольку они несут информацию о поведении странного кварка в ядре.

При рассмотрении динамики формирования конечных состояний необходимо принимать во внимание спиновые эффекты, которые играют важную роль в процессах сильного взаимодействия. В настоящеее время не существует теории мягких процессов, описывающих рождение и поляризацию адронов. Исследование поляризации Л-гиперонов в адрон-нуклонном и адрон-ядерном взаимодействии позволит прояснить механизм сильного взаимодействия, используя странный кварк в качестве "пробной" частицы.

Цели и задачи исследования

Настоящая диссертация посвящена экспериментальному изучению про-

цесса образования лидирующих странных частиц в следующих реакциях:

п + С(РЪ)-> А + Х°, (0.1)

п + С {Си) А + К° + (0.2)

при импульсе нейтрона 4-10 ГэВ/с;

1т++р-*с + Х (0.3)

при первичном импульсе 4,2 ГэВ/с, где под частицей "с" подразумеваются Л, Е-гипероны, /С-мезоны и пары АК. Целью диссертационной работы является исследование влияния ядерной среды на формирование конечного состояния в реакциях с образованием странных частиц; измерение характеристик лидирующих Л-гиперонов и пар АК; измерение поляризации Л-гиперонов; анализ спектров эффективных масс системы АК.

Научная новизна и значимость работы

- Впервые на нейтронном пучке с энергией 4-10 ГэВ систематически иссле-

дованы характеристики лидирующих Л-гиперонов, образованных на ядрах углерода и свинца в сопровождении только нейтральных частиц. Эти исследования расширяют область изученных ядерных реакций с образованием странных частиц.

- Измерена поляризация лидирующих Л-гиперонов, образованных нейтро-

нами. Имеется только один эксперимент по измерению поляризации Л-гиперонов, образованных на нейтроном пучке.

- Впервые на нейтронном пучке с импульсом от 4-10 ГэВ/с проведено ис-

следование образования пары А К0 на ядрах углерода и меди в сопровождении только нейтральных частиц. Обнаружена зависимость пропускающей способности ядер от переменной Фейнмана.

- Показано, что система АК образуется в результате дифракционной дис-

социации как на нуклоне ядра, так и на целом ядре и при прохождении через ядро ведет себя как адрон ( ]\Г*(1710) ), а не как пара странных частиц.

- Проведён анализ спектров странных частиц и пар АК в 7г+р-взаимодейст-

виях при начальном импульсе 4,2 ГэВ/с. Показано влияние рождения резонансов на образование лидирующих частиц.

Автор защищает:

1. Экспериментальные данные по образованию лидирующих Л-гиперонов во взаимодействии нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и свинца в сопровождении только нейтральных частиц.

2. Результаты измерения поляризации лидирующих Л-гиперонов, образованных во взаимодействии нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и свинца.

3. Свойства системы А К0, образованной при взаимодействии нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и меди.

Практическая полезность

Результаты, представленные в данной работе, дают новые сведения о процессе адронизации, расширяют фактическую основу для завершения построения КХД. Результаты экспериментального исследования полезны при проектировании новых экспериментов по исследованию ядерных реакций, в частности для экспериментов, направленных на изучение механизма адронизации вторичных частиц и на изучение поляризации гиперонов.

Апробация и публикации

Материалы, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в журналах "Ядерная физика", "Письма в ЖЭТФ", а также в виде препринтов ИТЭФ. По материалам диссертации опубликовано 5 работ [1-5]. Результаты докладывались на Научной сессии "МИФИ-98" (МИФИ, 1998 г.) и на факультетском семинаре по физике высоких энергий.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения. Содержит 120 стр., 42 рисунка, 10 таблиц и библиографию, включающую 108 наименований.

В первой главе обосновывается актуальность темы исследования. Приведен краткий обзор экспериментальной ситуации в области исследования эффекта лидирующей частицы, поляризации Л-гиперонов, а также указаны теоретические работы, в которых изучается механизм образования лидирующих частиц и рассматриваются возможные механизмы появления поляризации у вторичных частиц в адрон-адронных взаимодействиях.

Вторая глава посвящена методике эксперимента. Приводится краткое описание магнитного спектрометра "КАОН" ИТЭФ и двухметровой пузырьковой камеры ИТЭФ. Описана методика отбора событий и методика введения поправок на эффективность регистрации Л-гиперонов и пар Л/10 спектрометром КАОН.

В третьей главе анализируются свойства лидирующих Л-гиперонов, образованных во взаимодействиях нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и свинца. Показано, что в исследованной кинематической области Л-гипероны рождаются в основном в результате фрагментации первичного нейтрона на нейтроне ядра. Распределение Л-гиперонов по квадрату поперечного импульса описывается функцией ехр(—Вр\), причём параметр В

не зависит от сорта ядра (В = 8.71 ± 0.09 (ГэВ/с)-2 для ядра углерода, В = 8.83 ± 0.18 (ГэВ/с)-2 для свинца). Для лидирующих Л-гиперонов не наблюдается зависимости распределения по хр от массового числа ядра-мишени.

Четвертая глава посвящена измерению поляризации Л-гиперонов, образованных при взаимодействии нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и свинца. Среднее значение поляризации составляет —0.096 ± 0.018 для гиперонов, образованных на ядрах углерода, —0.12 =Ь 0.05 для гиперонов, образованных на ядрах свинца. Поляризация Л-гиперонов отрицательна, растёт по абсолютной величине с увеличением поперечного импульса и в пределах достигнутой точности не зависит от массового числа ядра-мишени. Зависимость поляризации Л-гиперонов от фейнманов-ской переменной имеет более сложный немонотонный вид и качественно совпадает с результатами, полученными при высоких энергиях.

В пятой главе представлены характеристики лидирующих пар АК°, образованных при взаимодействии нейтронов с импульсом 4-10 ГэВ/с с ядрами углерода и меди. Установлено, что в исследованной кинематической области пара АК° рождается в основном в результате дифракционной диссоциации налетающего нейтрона на внутриядерном нуклоне и на целом ядре. Распределение пары А К0 по квадрату поперечного импульса описывается суммой двух экспонент со значениями параметров наклона В] = 29. ± 25. (ГэВ/с)-2 и В2 = 4.1 ± 8.9 (ГэВ/с)~2 для углеродной мишени и Вг = 79. ± 113. (ГэВ/с)"2 и В2 = 7.4 ± 2.5 (ГэВ/с)~2 для медной мишени. Наблюдается зависимость распределений по а:^ от массового числа ядра-мишени. Качественно эта зависимость согласуется с расчетами Б.З.Копе-лиовича для инклюзивного образования адронов. Показано, что большую роль в образовании пары АК° при взаимодействии нейтронов с ядрами

играет промежуточная изобара .Л/"*(1710).

В шестой главе представлены инклюзивные распределения странных частиц, образованных в 7г+/>взаимодействиях при начальном импульсе пиона 4,2 ГэВ/с. В распределениях по переменной Фейнмана наблюдается эффект лидирования для К+,К°, ^-мезонов и для Л и Е-гиперонов. Для К~-мезонов этот эффект отсутствует. Показано, что на появление у частиц лидирующих свойств оказывает влияние их образование через резонансы -образование -К"°-мезона через промежуточный А"+(892)-мезон. Наблюдается зависимость лидирующего числа Ь от количества кварков-спектаторов пд: с увеличением щ увеличивается лидирующее число. Показано, что большую роль в образовании пар АК при взаимодействии пионов с протонами играет промежуточная изобара А^*(1710).

В заключении диссертации перечислены основные результаты и следующие из них физические выводы.

Глава 1

Образование лидирующих частиц в адрон-адронных и адрон-ядерных взаимодействиях

1.1 Эффект лидирующей частицы в адрон-адронных и адрон-ядерных взаимодействиях

Эффект лидирования в процессах множественного рождения известен очень давно. Впервые он был обнаружен в экспериментах с космическими лучами задолго до появления соответствующих программ исследований на ускорителях [6]. Однако, интерес к изучению свойств лидирующих частиц устойчиво сохраняется до настоящего времени [7-10]. Актуальность задачи поддерживается современными представлениями о пространственно-временной эволюции процесса сильного взаимодействия на кварк-глюонном уровне. Есть определённые основания полагать, что изучение свойств лидирующих частиц будет способствовать уточнению и дальнейшему развитию этих представлений. Во всяком случае такая информация имеет существенное значение для проверки моделей адронных взаимодействий при малых значениях поперечного импульса р±_ [11,12]. Принципиальным условием при этом является использование ядерных мишеней.

Изучение превращений первичной частицы в области её фрагментации на ядерных мишенях позволяет исследовать пространственно-временную

структуру сильного взаимодействия. Характеристики образующихся при этом лидирующих частиц непосредственно связаны с эволюцией кварковой системы. Не случайно в последние годы отмечается возросший интерес к явлению ядерной прозрачности или в современной квантово-механической трактовке - цветовой экранировки и цветовой прозрачности атомных ядер [14, 15].

Лидер представляет собой своего рода "перевоплощение" первичной частицы, характеристики которого отражают историю прохождения адрона-снаряда через мишень. Так, эволюцию сечения взаимодействия формирующегося адрона, в принципе, можно проследить по ослаблению (усилению) интенсивности пучка вторичных лидирующих частиц на различных ядрах по сравнению с адрон-нуклонным взаимодействием в соответствующих кинематических интервалах.

Поскольку предметом обсуждения являются свойства частиц, вылетающих под малыми углами по отношению к первичному пучку, необходимо принимать особые меры для исключения когерентных процессов, в которых ядро-мишень выступает как единый объект. Пространственно-временная структура ядра эффективно проявляет свои анализирующие возможности тогда, когда роль интерференционных эффектов невелика, то есть для некогерентных процессов [11]. По этим соображениям представляется интересным исследование свойств лидирующих частиц, отличающихся по своему кварковому составу от первичной. Скупые экспериментальные данные показывают, что поведение таких частиц при прохождении через ядро отличается от поведения "сохранившихся" лидеров [10, 11]. Оказалось также, что изменение пропускающей способности (прозрачности) атомного ядра (в том числе и её зависимость от энергии) ярко проявляется уже при начальных энергиях порядка 10 ГэВ [10, 16, 17].

Рассмотрим инклюзивную реакцию:

а + Ь с + X (1.1)

Частица "с" называется лидирующей в реакции 1.1, если в среднем она уносит наибольшую часть доступной энергии. Поэтому наиболее удобно для изучения эффекта лидирования в этой реакции использовать переменные Фейнмана.

Пусть Ес и рс - энергия и импульс частицы "с"; Етах и ртах кинематические границы для Ес и рс. Мы будем использовать кинематические переменные Хр и хц. Первая переменная определяется как:

ХР = Р\\/Р*\тах"> (-1 < ХР < 1), (1-2)

гдеру - продольная составляющая импульса частицы "с" в Ц-системе; диапазон значений хр от -1 до 1.

Переменная хц определяется как доля энергии, унесенная частицей:

ха = Е*с/Е*тох,(0<хя<1). (1.3)

Для выделения лидирующих частиц используется зависимость инклюзивного сечения от переменной Фейнмана Е(хр):

7П/ Л 1 г 2Е* <Ра , о , ч

где у/з - полная энергия в Ц-системе, а Е* - энергия рассматриваемой частицы в Ц-системе.

Для количественной характеристики лидирован�