Образование пар π 0-мезонов на ядрах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

1.1 Теоретическое описание свойств адронов в ядерной среде.

1.2 Существующие данные по рождению Х7Г на ядрах

1.3 Основания для проведения эксперимента.

2 Описание эксперимента

2.1 Пионный канал С6 AGS . . \

2.2 Экспериментальная установка . '.

2.2.1 Электромагнитный спектрометр Crystal Ball.

2.2.2 Система мониторирования пучка.

2.2.3 Дрейфовые камеры и магнитный спектрометр.

2.2.4 Система сцинтилляционных вето счетчиков.

2.3 Использованные мишени.

2.4 Электроника и система контроля за набором данных.

2.4.1 Электроника Crystal Ball детектора.

2.4.2 Электроника триггера.

2.4.3 Система чтения данных.

2.5 Выводы.

3 Образование 7г°7г° в реакции —> 7г°7г°А'.

3.1 Организация процесса сбора данных.

3.2 Анализ реакции -к'А ->• 7г°7г.

3.2.1 Энергетическая калибровка детектора.

3.2.2 Фоновая энергия в детекторе.

3.2.3 Выделение полезных событий и оценка фона.

3.2.4 Моделирование реакции тг~А тг°тг.

3.3 Образование 7г°7г° на ядрах при импульсе рж- = 408 МэВ/с.

3.4 Образование 7г°7г° при импульсе = 75.0 МэВ/с.

3.5 Перерассеяние пионов в ядрах.

3.6 Сравнение результатов с теоретическими моделями.

3.7 Выводы.

Вопрос влияния ядерной материи на свойства адронов пользуется в последние годы заметным интересом как у теоретиков, так и у экспериментаторов.

Основные результаты диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые были экспериментально измерены с высоким разрешением 2%) спектры инвариантной массы системы двух 7г°-мезонов в реакции на водороде и на ядрах D, С, А1 и Си при импульсах налетающих 7г~-мезонов 408 МэВ/с и 750 МэВ/с.

2. Полученные результаты на С, А1 и Си мишенях не подтверждают существование узких пиков с массой М > 2тж и амплитудой зависящей от атомного номера А ядра-мишени, обнаруженных группой CHAOS в TRI-UMF при изучении спектров инвариантной массы 7г+7г~ образовавшихся на ядерных мишенях с А > 12.

3. Впервые была обнаруженна сильная зависимость формы спектров инвариантной массы системы тг07г° от атомного номера А ядра-мишени при импульсе налетающих 7г~--мезонов рп- = 408 МэВ/с. Обнаруженный эффект не может быть объяснён элементарным процессом неупругого рассеяния пионов в ядре-мишени через образование А(1232) резонансного состояния.

4. Впервые была обнаруженна сильная зависимость формы спектров инвариантной массы 7г°7г°-системы, от атомного номера А при импульсе налетающих пионов рж- = 750 МэВ/с. Эффект обнаруженный при этом импульсе может быть во многом объяснён процессом неупругого рассеяния пионов в ядре-мишени через образование Д(1232).

5. Получены абсолютные значения полного сечения рождения пар 7г°-мезонов на водороде в реакции 7г~р —У 7г°7г°п, ololai{-n~p —> 7г°7г°п): при импульсах налетающих пионов 408 МэВ/с и 750 МэВ/с. Значения otolai(-K~p —»7г°7г°п) измеренные при рж~ = 408 МэВ /с согласуются с результатами работы [28|.

6. Из сравнения экспериментальных распределений недостающей массы 7г07г° системы с результатами моделирования установлено, что образование на ядрах при импульсах налетающих пионов 408 МэВ/с и 750 МэВ/с происходит на квазисвободном протоне.

В ходе проведения исследований была проделанна следующая работа:

1. Создана и отлажена эффективная система триггерной электроники, обеспечивающая запуск установки для различных типов событий: нейтральных, заряженных, пучковых и т. д. Создана и отлажена система контроля параметров экспериментальной установки в ходе набора данных.

2. Создан и отлажен алгоритм отбора полезных 7г°7г° событий основанный на использовании процедуры минимизации методом наименьших квадратов с использованием кинематических ограничений (кинематического фита). После применения этой процедуры доля фоновых событий в спектрах для водорода составляет не более 3% для обоих импульсов. Доля фоновых событий в спектрах, полученных на ядрах С, А1 и Си. составляет не более 10% для обоих импульсов. Комбинаторный фон для обоих импульсов составляет не более 5%.

3. Создана программа моделирования эксперимента методом Монте-Карло, адекватно воспроизводящая характеристики экспериментальной установки. Расчёты для С, А1 и Си мишеней включали моделирование фермн импульса нуклонов ядер мишени. Отдельно проведено моделирование реакции 7г~А —»7Г°7Г°Л' с учётом перерассеяния пионов в ядре-мишени.

-В заключении считаю своим приятным долгом выразить благодарность ряду сотрудников ПИЯФ и коллаборантам по эксперименту Crystal Ball. Прежде всего я глубоко благодарен моему научному руководителю профессору С.П. Круглову. без чьей поддержки и помощи эта работа не была бы написана. Я искренне благодарен профессору Б.М.К. Нефкенсу из Калифорнийского университета за его поддержку в создании этой работы, а также долгие научные дискуссии. Искренне признателен своим коллегам и коллаборантам по эксперименту Crystal Ball - B.C. Бекреневу, С.Н. Прахову, В. Б. Типпенсу - за их усилия в процессе создания экспериментальной установки и анализа данных. Я благодарен Г.М. Штуденмаеру за его вклад в настоящую работу, а также полезные дискуссии. Я благодарю И.В. Лопатина за его помощь в оформлении текста диссертации.

Заключение

Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению влияния ядерной среды, как она представлена ядрами С, А1 и Си, на свойства сильного взаимодействия. Интерес к этой проблематике обусловлен теоретически предсказанным восстановлением киральной симметрии в условиях высоких плотностей и температур ядерной среды. Частным случаем этого эффекта может являться частичное восстановление киральной симметрии в ядерном веществе нормальной плотности, также предсказанное некоторыми авторами [17. 15. 22]. Ожидается, что эффект частичного восстановления киральной симметрии будет сопровождаться изменением свойств сильного взаимодействия в ядерной среде. Возможность частичного восстановления киральной симметрии в ядерном веществе нормальной плотности широко обсуждалась в последнее время в связи с опубликованнием группой CHAOS спектров инвариантной массы 7г+7Г" и 7г+7г+ пар, измеренных на ядерных мишенях [18, 19, 20, 21]. Спектры инвариантной массы 7г+7г-, полученные CHAOS на С, Са и РЬ мишенях характеризуются наличием на них аномально высоких, узких пиков с массой в районе М ~ 2тж. Величина этих пиков зависит от атомного номера А вещества мишени. Подобный пик отсутствует на спектре, полученном CHAOS для дейтериевой мишени. Зависящие от атомного номера А пики отсутствуют, также, на спектрах инвариантной массы 7г+7г+ полученных для С, Са и РЬ мишеней. На основании этих измерений авторы эксперимента CHAOS утверждают, что "ядерная материя сильно модифицирует 7Г7Г взаимодействие в / = J = 0 канале". [18]

Для изучения влияния ядерной среды на свойства 7Г7г взаимодействия нами были изучены:

1. образование системы 7г°7г° в реакции 7г~р —» тг°ж°п на водороде при импульсах налетающих пионов 408 МэВ/с и 750 МэВ/с;

2. образование 7Г°7Г° в реакции п~А —> 7г°7г°Л' на ядрах D, С, А1 и Си при импульсе налетающих пионов 408 МэВ/с;

3. образование 7г°7г° в реакции -к"А -4 тг°тг0А' на ядрах С, А1 и Си при импульсе налетающих пионов 750 МэВ/с.

Все эти процессы были впервые изучены при данных значениях импульсов налетающих пионов.

Был проведён эксперимент с использованием сферического электромагнитного калориметра полного поглощения Crystal Ball. Детектор состоит из 672 независимых кристаллов Nal и перекрывает 94% телесного угла. Подобный детектор был впервые использован для измерений реакций с нейтральными конечными сотояниями на пионных пучках с импульсами до 1 ГэВ/с.

1. М.С. Birse, "Chiral symmetry in nuclei: partial restoration and its consequences". J. Phys. G. 20 (1994) 1537-1575.

2. W. Weise, "Nuclear Aspects of Chiral Symmetry", Nucl. Phys. A 553 (1993) 59c 72c.

3. M. Gell-Mann, R. Oakes, and B. Renner, "Behavior of Current Divergences under SU3 x SU3", Phys. Rev. 175 (1968) 2195-2199.

4. J. Gasser and H. Leutwyler, "Quark Masses", Phys. Rep. 87 (1982) 77-169.

5. D.E. Groom, M. Aguilar-Benitez, C. Amsler, R.M. Barnett, P.R. Burchatei al. "Review of Particle Physics", Eur. Phys. Jour. С 15 (2000).

6. T.D. Cohen, R.J. Furnstahl and D.K. Griegel, "Quark and gluon condensates in nuclear matter", Phys. Rev. С 45 (1992) 1881-1893.

7. M. Lutz, S. Klimt and W. Weise, "Meson properties at finite temperature and baryon density", Nucl. Phys. A 542 (1992) 521-558.

8. L.S. Celenza, C.M. Shakin, Wei-Dong Sun, and Xiquan Zhu, "Quark condensate at finite baryon density", Phys. Rev. С 48 (1993) 159-164.

9. J. Gasser, H. Leutwyler and M.E. Sainio, "Sigma-term update", Phys. Lett. В 253 (1991) 252-259.

10. R. Koch, Z. Phys. С 15 (1982) 161.

11. W. Kluge, "Pion-nuclear scattering", Rep. Prog. Phys. 54 (1991) 1251 1332.

12. R. Brockman and W. Weise, "The chiral condensate in nuclear matter", Phys. Lett. В 367 (1996) 40-44.

13. P. Schuck, W. Norenberg, and G. Chanfray, Z. Phys. A330 (1988) 119.

14. T. Hatsuda, T. Kunihiro and H. Shimiru, "Precursor of Chiral Symmetry Restoration in the Nuclear Medium", Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 2840-2843 .

15. A. Bhattacharyya S.K. Ghosh and S.C. Phatak, "Effect of in-medium meson masses on nuclear matter properties", Phys. Rev. С 60 (1999) 044903(1-5).

16. Z. Aouissat, G. Chanfray, P. Schuck, and J. Wambach, "Reduced a-meson mass and in-medium S-wave correlations", Phys. Rev. С 61 (1999) 012202(1-2).

17. F. Bonutti, P. Camerini, E. Fragiacomo, N. Grion, R. Rui et al., "A Dependence of the (тг+, тг+тг*) Reaction near the 2тж Threshold", Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 603-606.

18. F. Bonutti, P. Camerini, E. Fragiacomo, N. Grion, R. Rui et a/., "7T7r-pairs in nuclei and the o-meson", Phys. Rev. С 60 (1999) 018201(1-4).

19. S. Chiku and T. Hatsuda, "Optimized perturbation theory at finite temperature", Phys. Rev. D 58 (1998) 076001(1-17).

20. J. Lowe and H. Burkhardt, irN Newsletter, no.8 (1993) 174.

21. A. Starostin, H.M. Staudenmaier, C.E. Allgower, V. Bekrenev, E. Berger et al. "Measurement of ж°ж° Production in the Nuclear Medium by ж~ Interactions at 0.408 GeV/c", Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5539-5542.

22. B.M.K. Nefkens and A.B. Starostin, "Hadron Physics with the Crystal Ball". TriV-Newsletter, no.15 (1999) 78-83.

23. B.M.K. Nefkens and A.B. Starostin, "New Results on Meson Physics with the Crystal Ball Detector", Acta Physica Polonica, B10-11 (2000) 2669-2681.

24. A.B. Старостин, Г.М. Штуденмайер, К.И. Алгава, В. Бекренев, Е. Бергер и др. "Образование тг07г°-пар на ядрах при импульсе налетающих 7г~-мезонов 0.408 ГэВ/с", Препринт ПИЯФ-2408, Гатчина (2001).

25. J. Lowe, В. Bassalleck, Н. Burkhardt, W.J. Fickinger, J.R. Hall et al. "ж~р ж°ж°п near threshold and chiral symmetry breaking", Phys. Rev. С 44 (1990) 956-965.

26. G. Kernel, D. Korbar, P. Krizan, M. Mikuz, F. Sever et al, "Cross section measurement of the 7т~р ж~ж+п reaction near threshold", Phys. Lett. В 216 (1989) 244-248.

27. G. Kernel, D. Korbar, P. Krizan, M. Mikuz, F. Sever et al., "Measurement of 7т~р -> ж~ржй reaction near threshold and breaking of chiral symmetry", Phys. Lett. В 225 (1989) 198-202.

28. G. Kernel, D. Korbar, P. Krizan, M. Mikuz, U. Seljan et al., "Measurement of the reaction тг+р тг+7г+тг near threshold ", Z. Phys. С 48 (1990) 201- 207.

29. H. Pagels, "Departures from chiral symmetry", Phys. Rep. 16 С (1975) 219- 311.

30. M.D. Scadron, "Current algebra, PCAC and quark model", Rep. Prog. Phys. 44 (1981) 213-259.

31. Kunio Takamatsu, "7г°7г° Scattering Amplitudes and Phase Shifts Obtained by the 7x~P Charge Exchange Process", http://xxx.lanl.gov/list/hep-ph/9910304,12 Oct. (1999).

32. I.G. Alekseev, P.E. Budkovsky, V.P. Kanavets, L.I. Koroleva, I.I. Levintov et al., "Study of the reaction ж~р —> 7г~7г+п on a polarized proton target at 1.78 GeV/c. Experiment and amplitude analysis", Nucl. Phys. B541 (1999) 3-30.

33. J. Hiifner and M. Thies, "Pion-nucleus scattering and absorption as a solution of the Boltzmann equation", Phys. Rev. С 20 (1979) 273-285.

34. S. Weinberg, "Pion scattering lengths", Phys. Rev. Lett. 17 (1966) 616-621: "Nonlinear Realization of Chiral Symmetry", Phys. Rev. 166 (1968) 1568-1577.

35. M.J. Vicente Vacas. Частное сообщение. Описание теоретического подхода даётся в работе M.J. Vicente Vacas and Е. Oset, "Scalar-isoscalar pion pairs in nuclei and the А(тг,7гтг)Х reaction", Phys. Rev. С 60 (1999) 064621(1-9).