Образование тяжелых гиперонов в глубоко-неупругом рассеянии мюонов на дейтронах в эксперименте COMPASS (CERN) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБРАЗОВАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ГИПЕРОНОВ В ГЛУБОКО-НЕУПРУГОМ РАССЕЯНИИ МЮОНОВ НА ДЕЙТРОНАХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ COMPASS (CERN)

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

РОССИЙСКАЯ Наталья Сергеевна

2м:ДЙ 2014

Дубна 2014

005548586

Работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований, Дубна.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Кузнецов

Официальные оппоненты:

Олег Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор

Васильев

Александр Николаевич

доктор физико-математических наук

Зотов

Николай Петрович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "_"_2014 г. на заседании

диссертационного совета Д 720.001.02 при Лаборатории физики высоких энергий им. В.И.Векслера и А.М.Балдина в Объединённом институте ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

Автореферат разослан " " си-р^ц 2014 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядепных исследований.

Учёный секретарь диссертационного Арефьев

совета, кандидат физико-математи- Валентин Александрович

ческих наук

Общая характеристика работы

Актуальность диссертации. Настоящая диссертация посвящена изучению рождения тяжелых гиперонов в глубоко-неупругом рассеянии (ГНР) заряженных мюонов на изоскалярной мишени. Исследования выполнены на установке COMPASS (COmmon Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) расположенной на канале M2 ускорителя SPS (Super Proton Synchrotron) европейской организации по ядерным исследованиям CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire). Набор данных проводился в 2003-2004 годах на пучке мюонов с импульсом 160 ГэВ/с. Исследование относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов в ГНР важно для понимания роли странных кварков в структуре нуклона и в процессе адронизации. Самый легкий из группы странных барионов - Л гиперон изучен наиболее подробно. Различают прямое рождение Л гиперонов в первичной вершине и непрямое от каскадных распадов более тяжелых гиперонов, таких как Е* или s . Исследование относительных! выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов необходимы для интерпретации результатов многих экспериментов, например результатов по измерениям продольной поляризации Л и Л гиперонов рожденных в глубоко-неупругом рассеянии мюонов. Продольная передача спина в Л (Л) в ГНР была измерена в экспериментах [1-9]. Л гипероны, рожденные из распадов более тяжелых гиперонов, поляризованы иначе, чем рожденные напрямую. До настоящей работы, существовавшая оценка [1] указывала, что только 40% наблюдаемых Л гиперонов рождаются напрямую.

Относительные выходы Е°, Е*+, Е*~ и Е~ изучались в слабых взаимодействиях в эксперименте NOMAD (Neutrino Oscillation MAgnetic Detector) с использованием нейтринного пучка [10]. До настоящей работы информация об образовании тяжелых гиперонов в электромагнитных взаимодействиях отсутствовала, а относительные выходы античастиц Ё*~, Ё*+ и 3 никогда не изучались в ГНР.

Выполненный в диссертации анализ основан на статистике 112000 Л и 67000 Л событий, что является уникальным набором данных, особенно из-за рекордной статистики Л [11].

Основными целями диссертационной работы были:

1. Изучение рождения тяжелых гиперонов и антигиперонов Е(1385)+,

'Здесь и дальнейшем (за исключением отдельных случаев) масса гиперонов £(1385) и Н(1321) не будет указываться, но будет использоваться символ "*"для Е(1385) с Jp = 3/2+. Кроме того, все гипероны, за исключением А бариона, будут называться тяжелыми.

£(1385) , Е(1385)-, Е(1385)+, =(1321)" и =(1321)+ в ГНР заряженных лептонов.

2. Оптимизация параметров программы моделирования LEPTO/JET-SET [12,13], связанных с рождением странных частиц, на основе выполненных измерений.

Научная новизна

1. Впервые в ГНР заряженных лептонов измерены выходы тяжелых гиперонов £*+, £*~, Е~ и антигиперонов £*~, £*+, Е!+ по отношению к Л и А соответственно. Все относительные выходы составляют от 3,8% до 5,6%. В пределах относительной неопределенности порядка 10%, измеренные значения относительных выходов для гиперонов и антигиперонов совпадают.

2. Впервые измеренные относительные выходы антигиперонов £*_, £*+ и уникальны. Если для тяжелых гиперонов существовали измерения в ГНР нейтрино, то выходы антигиперонов никогда не изучались в ГНР.

3. Измерены относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов не только в ГНР (Q2 > 1 (ГэВ/с)2), но и во всей кинематической области Q2 и у. В пределах статистических ошибок величина этих выходов не зависит от значения Q2.

4. Из результатов измерений в сравнении с предсказаниями Монте-Карло получены новые значения параметров LEPTO/JETSET генератора, связанные с рождением странных кварков и процессами их фрагментации. Новые значения этих параметров существенно отличаются от параметров, включенных в стандартную версию LEPTO/JETSET.

5. Ис юльзуя новые значения параметров генератора LEPTO/JETSET, получено, что непрямой выход Л и Л в ГНР составляет (37±3)% и (32±3)% соответственно от полного числа рожденных гиперонов.

Практическая ценность работы

1. Разработаны и реализованы критерии отбора для реконструкции тяжелых гиперонов и антигиперонов, рожденных в ГНР заряженных лептонов на изоскалярной мишени.

2. Результаты выполненных впервые измерений относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов могут использоваться при анализе текущих и планировании будущих экспериментов.

3. Измерения относительных выходов позволили провести оптимизацию значений параметров LEPTO/JETSET PARJ(l) - PARJ(5), PARJ(7)

генератора связанных с рождением странных кварков и процессами их фрагментации. Новые значения этих параметров существенно отличаются от значений использовавшихся в генераторе до настоящей работы.

Автор защищает:

1. Полученные впервые результаты измерений относительных выходов тяжелых гиперонов Е(1385)+, Е(1385)~, £(1321)" и антигиперонов £(1385)~, £(1385)+, Е(1321)+ по отношению к Л и Л барионам в ГНР заряженных лептонов на изоскалярной мишени.

2. Сравнительный анализ относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов в ГНР по отношению ко всей кинематической области Q2 и у. Независимость в пределах статистических ошибок относительных выходов от значения Q2.

3. Оптимизацию параметров программы моделирования LEPTO/JET-SET для наиболее точного описания результатов выполненных измерений по рождению гиперонов и антигиперонов.

4. Оценки непрямого выхода Л и À барионов в ГНР, которые составляют (37±3)% и (32±3)% соответственно от полного числа рожденных гиперонов.

Апробация работы Результаты работы были опубликованы в зарубежных и российских журналах, а также неоднократно докладывались автором на рабочих совещаниях коллаборации COMPASS, научных семинарах и международных конференциях:

1. The 2013 European Physical Society Conference on High Energy Physics, Стокгольм, Швеция, 2013

2. The 20th International Symposium on Spin Physics, ОИЯИ, Дубна, Россия, 2012

3. 12th International Workshop on Meson Production, Properties and Interaction, Краков, Польша, 2012

4. Advanced Studies Institute Symmetries and Spin, Прага, Чешская Республика, 2011

5. Hadron Structure'll, Institute of Physics, SAS, Братислава, Словакия 2011

6. XVIII International Workshop on Deep-Inelastic Scattering and Related Subjects, Флоренция, Италия, 2010

7. XX International Baldin Seminar on High Energy Physics Problems "Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chromodynamics ОИЯИ, Дубна, Россия, 2010

8. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН "Физика фундаментальных взаимодействий", Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова, Москва, Россия, 2009

9. XIV Научная конференция молодых ученых и специалистов, ОИЯИ, Дубна, Россия, 2010

10. 10-я Международная Байкальская Школа по Физике Элементарных Частиц и Астрофизике, Большие Коты, Россия, 2010

11. Научные семинары в Лаборатории Физики Высоких Энергий ОИЯИ, Дубна, Россия, 2009, 2010, 2011 и 2013

12. XV Научная конференция молодых ученых и специалистов, ОИЯИ, Дубна, Россия, 2011

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. С. Adolph, ..., N.Rossiyskaya, ... (COMPASS Collaboration) Study of £(1385) and E(1321) hyperon and antihyperon production in deep inelastic muon scattering, Eur. Phys. J., C73 2013, 2581.

2. В.Ю. Алексахин, O.M. Кузнецов, H.C. Российская, М.Г. Сапожников, Оптимизация значений параметров генератора LEPTO/JETSET для области ГНР заряженных лептонов, Письма в ЭЧАЯ, 2014, N4.

3. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration) Study of Heavy Hyperons Production in DIS at COMPASS, ISSN 1063 7796, Physics of Particles and Nuclei, 2014, Vol. 45, No. 1, pp.113-116.

4. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Yield of heavy hyperons and antihyperons in DIS, Proceeding of XVIII International Workshop on Deep-Inelastic Scattering and Related Subjects, POS(DIS 2010)132.

5. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Formation of heavy hyperons and antihyperons in DIS at COMPASS, Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chromodynamics: Proc. of the XX Intern. Baldin Seminar on High Energy Physics Problems, Dubna, Russia, October 4-9, 2010 / Ed.: S.G. Bondarenko, V.V. Burov, A.I. Malakhov, E.B. Plekhanov. Dubna: JINR, 2011, V.l. P.325-332.

6. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Heavy hyperons production in DIS at COMPASS, Nucl. Phys. В (Proc.Suppl.) 219, 2011, 39-42.

7. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Study of heavy hyperons production in Deep Inelastic Muon Scattering, EPJ Web of Conférences 37, 2012, 09031.

8. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Study of Hyperon and Antihyperon Production in Deep Inelastic Muon Scattering PoS(EPS-HEP 2013)019.

Личный вклад автора Личный вклад автора в получение результатов, выносимых на защиту, является определяющим. Данная работа была пред. южена и выполнена Дубненской группой COMPASS. Результаты, вошедшие в диссертацию, по измерению выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов были получены непосредственно автором, а оптимизация параметров генератора LEPTO проведена при его активном участии. Автор принимал активное участие в обсуждении результатов исследования и подготовке публикаций по теме диссертации. Автором неоднократно докладывались результаты работы на рабочих совещаниях коллаборации COMPASS, научных семинарах и международных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 112 страниц и состоит из "Введения", четырех глав ("Формализм ГНР и рождение гиперонов", "Эксперимент COMPASS", "Восстановление и анализ тяжелых гиперонов на установке COMPASS", "Монте - Карло: настройка параметров LEPTO/JETSET"), "Заключения", двух приложений и списка цитируемой литературы. В диссертации приведены 67 рисунков и 28 таблиц.

Содержание диссертации

Во введении демонстрируется актуальность исследуемой темы, перечислены основные проблемы, сформулированы цели и практическая ценность работы, представлена научная новизна.

В первой главе приводится обзор экспериментальных данных по теме диссертации. Кратко излагается формализм ГНР заряженных лептонов на нуклоне и кварк-партонная модель. Дается обзор по струнным моделям адронов и рассматривается вопрос о вкладе странных кварков в массу нуклона.

Во второй главе представлено общее описание спектрометра COMPASS [14]. Установка COMPASS расположена на канале М2 ускорителя SPS европейской организации CERN. Схематический вид установки COMPASS в конфигурации 2004 года представлен на Рис.1. Мюоны с энергией

160 ГэВ рассеивались на дейтронной мишени. Мишень состояла из двух ячеек, наполненных веществом 61лБ и находилась внутри сверхпроводящего магнита.

COMPASS Spectrometer 2004

Mutin 111J11 Filier 2 "«"'"-W

Рисунок 1: Схематический вид установки COMPASS в конфигурации 2004 года.

Спектрометр COMPASS включает в себя два дипольных магнита SM (Spectrometer Magnet). Магниты SMI и SM2 расположенны на расстоянии 14 м друг от друга и имеют интегралы магнитных полей 1 Тм и 4.4 Тм соответственно. Использование двух дипольных магнитов обеспечивает детектирование частиц в широком импульсном и угловом диапазонах. Обладая низкой отклоняющей способностью и большой угловой апертурой, SM1 служит у1я восстановления импульса "мягких" адронных треков, исходящих из мишени. Основное предназначение SM2 заключается в определении импульса рассеянного мюона (/it'). Таким образом, спектрометр COMPASS можно условно разделить на две части. Первая часть спектрометра - LAS (Large Angle Spectrometer), включает магнит SMI и окружающие его детекторы. Вторая часть - SAS (Small Angle Spectrometer), включает магнит SM2, ближние к нему детекторы [15-23] и мюонную часть установки [24].

В третьей главе представлен анализ экспериментальных данных: отбор событий в ГНР, восстановление А и А и более тяжелых гиперонов. Представлены относительные выходы тяжелых гиперонов по отношению к А и А барионам.

Основной анализ экспериментальных данных производился в ГНР. События ГНР были отобраны ограничениями на виртуальность фотона

Q2 > 1 (ГэВ/с)2 и на его относительную энергию 0.2 < у < 0.9. Последнее ограничение исключает область, где затруднительно оценить вклад радиационных эффектов (область больших у) и события с плохо восстановленными кинематическими параметрами (область малых у). За 2003 и 2004 гг. в эксперименте COMPASS было зарегистрированно 2.58 ■ Ю10 событий из них 3.12 • 108 в ГНР.

В дачной работе Л и Л гипероны восстанавливались по их распадам в ртг~ и рп+ (вторичная вершина V0). Условия для отбора событий с Л и Л гиперонами были следующими: 1) Первичная вершина должна быть образованна как минимум налетающим и рассеянным мюонами, и ее координаты должны располагаться внутри мишени, то есть -100 < г < -40 см или -30 < г < 30 см, и радиус-вектор г < 1.4 см, где г — (х2 + у2)1^2. 2) Вторичная V0 вершина (х2<2) должна быть расположена за пределами мишени на расстоянии от 35 до 140 см. 3) Импульсы заряженных адро-нов должны превышать 1 ГэВ/с и последняя измеренная координата трека должна находиться на расстоянии более 350 см. 4) Исключения е+е~ пары от конверсии 7 квантов в материале установки, требовалось чтобы поперечный импульс Л (Л) кандидатов был больше чем 0.023 ГэВ/с. 5) Значение переменной Арментероса-Подолянского а, при отборе А должно быть положительным, а для А - отрицательным. 6) Анализ проводился в области фрагментации пучка (xf > 0.05).

На рис. 2 показаны распределения инвариантных масс ртг~ и ртт+. Фи-тирование этих распределений проводилось в интервале (1.095 - 1.140) ГэВ/с2 суммой функции Гаусса и многочлена. В результате фитирования получены массы А и А гиперонов и их экспериментальное разрешение (см. таблицу 1).

Таблица 1: Измеренные массы А и А барионов и их экспериментальное разрешение (а). Обозначение: RD - экспериментальные значения и PDG -мировые данные [25].

m(RD), МэВ m(PDG), МэВ cr(RD), МэВ

Л 1115.85 ±0.01 1115.683 ±0.006 2.22 ±0.01

Л 1115.84 ±0.02 1115.683 ±0.006 2.21 ±0.02

Общее количество восстановленных А и А гиперонов составило 112449± 418 и 66685±350, соответственно. В таблице 2 приведено сравнение числа зарегистрированных А и А гиперонов в экспериментах по измерению продольной передачи спина в А и А гиперонов в ГНР заряженных лептонов.

Xlfil

щ 40

s

С 20

О) >

! [ у J L

1.12 1.14 1.16 1.18

М(рл") [GeV/c2]

1.12 1,14 1.16 1.18

М(ртс+) [GeV/c2]

а)

б)

Рисунок 2: Распределения инвариантных массртг- (а) иртт+ (б). Сплошными линиями показаны результаты фитирования сигнала от Л и Л гиперонов и фона.

Как видно из таблицы 2, в эксперименте COMPASS число зарегистрированных Л и А гиперонов существенно превышает суммарную статистику цитируемых экспериментов.

Таблица 2: Сравнительная статистика зарегистрированных Л и Л барионов в различных экспериментах.

N(A) N(A)

Е665 [7] 750 650

NOMAD [10] 8087 649

HERMES [1] 7300 1687

STAR [26] 30000 24000

COMPASS [11] 112000 67000

Помимо прямого рождения, Л гиперон может образовываться в результате распада более тяжелых гиперонов. В настоящем анализе рассмотрены распады заряженных Е* и £ гиперонов и их античастиц, которые распадаются по каналам Атг с вероятностью 0.87±0.02 и 1.00±0.04 соответственно. Распады нейтральных гиперонов Е° (Л7 Br = 1) и 5° (Л7Г°) Вг=1.00±0.01) не изучались, так как конфигурация спектрометра COMPASS 2003-2004 годов еще не содержала электромагнитных калориметров необходимых для регистрации 7-кватов и 7г° мезонов. Для восстановления распада —> Л К (Вг = 0.68±0.01) статистика Л гиперонов в ГНР оказалась не достаточна.

Следует отметить, что в полной кинематической области (без ограничений по Q2 и у) Q гиперон хорошо виден.

Е* гиперон распадается за счет сильного взаимодействия, то есть вершина распада экспериментально не отделима от вершины первичного взаимодействия. Л гиперон из распада Е* гиперона практически "вылетает" из первичной вершины. Эта особенность использовалась как критерий отбора и была названа условием коллинеарности. Согласно условию, угол в coi между вектором импульса Л и вектором, соединяющем первичную и вершину распада Л бариона, должен быть меньше 0.01 рад. Так как Е гиперон распадается за счет слабого взаимодействия, то первичная вершина и вершина распада Е должны быть хорошо разделены. В этом случае условие коллинеарности применяется для Е гиперона. Так как направление импульса для Е восстанавливается с меньшей точностью, чем для Л гиперона, то ограничение на величину всо[ будет менее строгим и ее значение равно 0.02 рад.

Для восстановления Е* гиперонов были использованы Л(А) гипероны (рис. 2) и интервале ±2а от измеренных значений масс Л(А) и удовлетворяющие условию коллинеарности. Для каждого из треков, исходящих из первичной вершины, вычислялось значение инвариантной массы с отобранными Л(Л) гиперонами, в предположении, что трек принадлежит пиону. На рис. 3 показаны распределения инвариантных масс для а) £*+ -> Л7г+, б) Е— -> Ля-, с) Е— Лтг- и Е- Лтг", д) £*+ Лтг+ и 5+ -> Лтг+.

Для Е*+ и Е*~ гиперонов (рис. 3 а, б) распределения инвариантных масс были отфитированы функцией S(x) для сигнала, которая представляет собой свертку функций Брейт-Вигнера и Гаусса, и функцией В(х) для комбинаторного фона:

Два других инвариантных массовых распределения, Ля-- и Л7г+, включают пик от распада Е (Рис. 3 в, г). Эти пики были приняты во внимание, и при фитировании была добавлена вторая функция Гаусса к функции S(x). Для каждого гиперона масса М и ширина Г были зафиксированы и соответствовали мировым значениям [25]. Величина пороговой массы Mth = 1254 МэВ определялась как сумма масс Л и п. Параметры а, Ь, с и d являлись свободными.

В результате фитирования общее количество восстановленных Е* гиперонов составило: iV(£_*+) = 3631 ± 333, N(Е*~) = 2970 ± 490, N(E—) = 2173 ± 222 и ЛГ(Ё*+) = 1889 ± 265. Сигналы от Е*+, £—, Е*" и

1 , t-x >2

(1)

В(х) = а (х — Mth)h е~с .

(2)

Ё*+ хорошо различимы. Несмотря на то, что Л(Л) гипероны от распадов Е~(Е+) гиперонов происходят по "слабому взаимодействию", на двух нижних распределениях наблюдается небольшой дополнительный пик от и Е+. Ширины массовых пиков для Е* и Ё*. совпадают в пределах статистической неопределенности: (9.3±3.6) МэВ/с2 для Е*+, (6.1±2.7) МэВ/с2 для £*", (8.7±3.5) МэВ/с2 для Е*" и (7.1±2.1) МэВ/с2 для £*+.

Рисунок 3: Распределения инвариантных масс Л(Л)7П а) Е*+ —> Лл"+; б) £*- Лтг-; в) Е*~ Лтг- иа"4 Лтг"; г) Ё*+ Лтг+ и Ё+ Лтг+. Сплошными линиями показаны результаты фитирования сигнала от Е*+, Ё*~, Е*_ и Ё*+ гиперонов и фона. Общее количество восстановленных Е* гиперонов составило: ЛГ(£*+) = 3631 ± 333, ЛГ(Е*") = 2970 ± 490, ЛГ(Е*-) = 2173 ± 222 и 7У(Е*+) = 1889 ± 265.

Востановление Е гиперонов, распадающихся за счет слабого взаимодействия, для которых первичная вершина и вершина распада четко отделены, осуществлялась в два этапа. На первом этапе были взяты Л(Л) гипероны в интервале ±2<т от измеренных значений масс Л(Л) (рис. 2). Затем, для каждого из треков, не ассоциированных с первичной вершиной, вычислялось значение инвариантной массы с отобранными Л(Л) гиперонами, в предположении, что трек принадлежит пиону. На следующем этапе использова-

лась процедура двухмерного CDA (Closest Distance of Approach) в плоскости ху. Двухмерное значение величины CDA вычислялась как растояние между направлением импульса Л (Л) и треком не ассоциированным с первичной вершиной, с которым на первом этапе вычислялась инвариантная масса. Дополнительно для подавления фона на Е гипероны накладывалось условие коллинеарности.

Распределения инвариантных масс для а) Е- -> Атт~ и б) Е+ —¥ Ä7r+ показаны на рис. 4. Эти распределения были отфитированы функцией Гаусса для сигнала, и функцией В(х) - для фона (см. формулу 2).

В результате фитирования общее количество восстановленных S гиперонов составило: N(Е~) = 2320 ± 68 и ЛГ(Ё+) = 1147 ± 49. Полученные значения ширин массовых пиков для S и S одинаковы и равны (2.8±0.1) МэВ/с2.

а) . б)

Рисунок 4: Распределения инвариантных масс для Ап~ и Лтг+: а) Е- —» Ап~ и б) Е+ —> Л7г+. Сплошными линиями показаны результаты фитирования сигнала от Е- и Е+ гиперонов и фона. Общее количество восстановленных Е гиперонов составило: N(E~) = 2320 ± 68 и N(Ё+) = 1147 ± 49.

Для извлечения относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов необходимо принять во внимание аксептанс установки. Для этого проводилось моделирование событий ГНР с использованием генератора LEPTO 6.5.1 [12], с включенными по умолчанию параметрами, характеризующими распределения странных кварков в нуклоне и их фрагментацию, а также полного описания спектрометра, основанного на программе COMGEANT [27] и GEANT 3.21 [28]. Реконструкция событий и процедура их отбора были идентичны процедуре, применяемой к экспериментальным данным. Вычисление аксептанса проводилось следующим образом. На первом этапе вычислялись отношения: Rrec = где N^J' - чис-

ло реконструируемых тяжелых гиперонов, N^ec - число реконструируемых

Л барионов и Ядеп = А^Р/Л^, где И^р . число сгенерированных тяжелых гиперонов, - число сгенерированных Л барионов. На втором этапе находился аксептанс (Л), как отношение Ягес к ЯдСп:

Ядеп

Величина аксептанса также включает поправки на Вг(£* —> Ап) = 0.87±0.02 и Вг(Е -> Лтг) = 1.00±0.04 [25]. Относительные выходы Е'иНк Л гиперонам, поправленные на аксептанс, со статистическими и систематическими неопределенностями приведены в таблице 3. Эти выходы находятся в пределах от 3.8 % до 5.6 % с относительной статистической ошибкой ~10%. Процент Л и Л гиперонов из распадов более тяжелых гиперонов и антигиперонов одинаковый в пределах статистических ошибок. Вклад в систематическую ошибку рассматривался от трех источников. 1) Числа восстановленных Л и Л событий, то есть систематическая неопределенность оценивалась путем изменения массового интервала восстановленных Л и Л событий, вместо стандартного интервала ±2<т брались ±2.5 а и ±1.5 а. 2) Числа фоновых событий, то есть вклада фона оцениваемого с помощью смешивания Л и п из различных событий. 3) Принималась во внимание неопределенность, связанная с вычислением аксептанса.

Таблица 3: Относительные выходы тяжелых гиперонов к Л и антигиперонов к Л со статистическими и систематическими неопределенностями в ГНР заряженных лептонов.

Относительный СОМРАББ

выход

Е'+/Л 0.055 ± 0.005(стат)±0.005(сист)

Е—/Л 0.047 ± 0.006(стат)±0.006(сист)

Е—/Л 0.056 ± 0.009(стат)±0.007(сист)

£*+/Л 0.039 ± 0.006(стат)±0.006(сист)

Е-/Л 0.038 ± 0.003(стат)±0.002(сист)

Ё+/А 0.043 ± 0.004(стат)±0.002(сист)

В диссертации представлены впервые измеренные относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов к Л и А в реакции глубоко-неупругого рассеяния заряженных лептонов. Ранее, были измерены только выходы тяжелых гиперонов к Л в ГНР нейтрино коллаборацией

NOMAD [29], при этом средняя энергия нейтрино в канале заряженного тока составляла 45.3 ГэВ. Полученные в данной работе и в эксперименте NOMAD [10] значения относительных выходов представлены в таблице 4. Отметим, что статистика восстановленных тяжелых гиперонов в COMPASS в области фрагментации пучка больше (от 30 до 130 раз), чем в эксперименте NOMAD. Интересно сравнить выходы тяжелых гиперонов в COMPASS и NOMAD несмотря на разницу типа взаимодействия и энергию. Полученные, в данной работе, отношения для Е*+/А и Е*~/А в пределах экспериментальных ошибок совпадают. С одной стороны, то же самое заключение справедливо и для отношений полученных в эксперименте NOMAD. С другой стороны, значения, полученные в NOMAD, в два раза меньше, чем в COMPASS. В пределах неопределенности, отношение Е~/Л измеренные в NOMAD сравнимы с нулем, в то время как в COMPASS получены ненулевые значения для отношений Е~/А и Е+/Л.

Таблица 4: Относительные выходы тяжелых гиперонов к Л и тяжелых антигиперонов к А в экспериментах COMPASS и NOMAD в области фрагментации пучка [10].

Относительный COMPASS NOMAD

выход

Е*+/А 0.055 ± 0.005 0.025 ±0.019

Ë—/À 0.047 ± 0.006 -

/А 0.056 ± 0.009 0.037 ±0.015

Ё*+/А 0.039 ± 0.006 -

Е-/Л 0.038 ± 0.003 0.007 ± 0.007

Н+/Л 0.043 ±0.004 -

Относительные выходы, тяжелых гиперонов и антигипероной во всей кинематической области <52 и у также представляют большой интерес. При этом условия отбора ГНР событий <32>1 (ГэВ/с)2 и 0.2 < у < 0.9 не использовались. В остальном процедура реконструкции гиперонов и антигиперонов во всей кинематической области С}2 и у, была аналогична процедуре использованной в облисти ГНР. В результате общее количество восстановленных А и А барионов, тяжелых гиперонов Е* и Е во всей кинематической области О? и у на порядок больше, чем в ГНР.

В таблице 5 приведены отношения относительных выходов тяжелых гиперонов к А и антигиперонов к А во всей кинематической области <32 и у к соответствующим относительным выходам в ГНР. Относительные

выходы тяжелых гиперонов к Л и антигиперонов к Л во всей области <52 и у к ГНР различаются приблизительно на 6%, что значительно меньше экспериментальных ошибок. Среднее значение С}2 во всей кинематической области равно 0.47 (ГэВ/с)2 и 3.58 (ГэВ/с)2 в ГНР. Равные отношения относительных выходов тяжелых гиперонов в двух кинематических областях при 8 кратном различии средних значений <32 указывает на независимость этих выходов от значения <32.

Таблица 5: Отношения относительных выходов тяжелых гиперонов к Л и антигиперонов к Л во всей кинематической области <22 и у к соответствующим относительным выходам в ГНР.

Отношение Величина

Е*+/Л 1.03 ±0.08 (стат

Е—/Л 0.97 ±0.11 (стат

Е—/Л 1.03 ±0.16 (стат

Ё*+/Л 0.97 ±0.13 (стат

Н-/Л 1.06 ±0.09 (стат

Н+/Л 1.06 ± 0.09 (стат

В четвертой главе представлено сравнение экспериментальных и моделированных данных. Описана настройка параметров функции фрагментации. Настройка выполнена минимизацией разности измеренных и предсказанных значений относительных выходов странных частиц. Также приведены распределения по кинематическим переменным Q2, W, z и рт для всех изучаемых в данной работе гиперонов.

Для моделирования взаимодействий ГНР широко используется модель LUND [30,31], на основе которой был создан генератор LEPTO [12] с программным пакетом JETSET [13] для описания процесса фрагментации.

Согласование экспериментальных и моделированных данных достигается с помощью настройки значений параметров фрагментации программного пакета JETSET генератора LEPTO. В процессе настройки программы использовались следующие параметры функции фрагментации: PARJ(l) - подавление рождения пары дикварк-антидикварк в цветовом поле по сравнению с рождением кварк-антикварковой пары; PARJ(2) - подавление рождения ss пары в поле по сравнению с рождением пар и й или d d; PARJ(3) - подавление рождения странных дикварков, дополнительно к нормальному подавлению странных кварков; PARJ(4) - подавление дикварков со спином 1 по сравнению с дикварком со спином 0; PARJ(5) -относительный выход барионов (антибарионов); PARJ(7) - дополнитель-

ное подавление странного мезона. В качестве настраиваемых величин использовались предсказываемые относительные выходы странных частиц к Л в сравнении со значениями полученными в эксперименте COMPASS (см. таблицу 3). Минимизация функционала F была выполнена следующим образом

где Ri(Exp) - поправленные на аксептанс экспериментальные относительные выходы, Ri(Lepto) - относительные выходы, предсказываемые для кинематических условий эксперимента COMPASS, генератором LEPTO/JET-SET и - статистическая ошибка величины Ri^Exp)- В процессе мини-

мизации использовались несколько итераций перебора параметров с разным шагом - большой шаг для первой итерации и меньший для последующих. Далее генерировался набор моделированных событий с новыми параметрами, трассировкой треков частиц через установку и полной реконструкцией.

В таблице 6 представлены значения параметров до и после настройки программного пакета JETSET.

Было проверено, что процедура настройки параметров не приводит к искажению распределений кинематических переменных <32 и IV, характеризующих полуинклюзивное ГНР, а также г и рт распределений самих гиперонов. На рисунках 5-8 приведены распределения кинематических переменных (З2, V/, г и рт для экспериментальных данных, моделированных событий с параметрами по умолчанию и настроенными параметрами ЛЕТЭЕТ для Е*+ (а) и (в) гиперонов, а также отношение Монте-Карло распределений до и после настройки параметров ЛЕТЭЕТ (б) и (г) соответственно.

,2

(3)

Таблица 6: Параметры JETSET до и после настройки.

Параметры Default Настроенные _(COMPASS)

PARJ(l) 0.1 0.03

PARJ(2) 0.3 0.45

PARJ(3) 0.4 0.175

PARJ(4) 0.05 • 0.078

PARJ(5) 0.5 3.0

PARJ(7) 0.5 0.13

О 40000 F-Ф 35000 Е-О F —30000 t-

§"25000 I-

С 20000 Ё-О Е

¿J 15000 Е-10000 Е-5000 Е-

•■ МС detault - МС aHer lunlng Real Data

8 10 12 14 16 18 20

Q2 [GeV/cf

MC detault - MC atler tunlng Real Data

10 12 14 16 18 20

Q2 [GeV/cf

в)

14 16 18 20

Q2 [GeV/cf

++

Ы-

Г)

10 12 14 16 18 20

Q2 [GeV/cf

Рисунок 5: Распределение кинематической переменной ф2 для £*+ (а) и Е~ (в), отношение распределений <22 полученных в Монте-Карло до и после настройки параметров ЛЕТБЕТ (б) и (г) соответственно.

> 12000 О

Г- 10000

10 12 14

а)

w [GeV]

+

б)

16 18 20 W [GeV]

h

8 10 12

Г)

16 13 20

W [GeV]

Рисунок 6: Распределение кинематической переменной W для £*+ (а) и Н~ (в), отношение распределений W полученных в Монте-Карло до и после настройки параметров ■JETSET и (г) соответственно.

* 14000 г \ 12000 г

g 10000 Г 3 8000 -J 6000 -4000 г 2000 -

.......МС default

-МС «Пег tuning

Real Data

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

6)

¿O 2500 -

Í5

£ 2000 -

£ 1500 -

МС default - МС etler tuning Real Data

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Рисунок 7: Распределение кинематической переменной 2 для Е*+ (а) и Н~ (в), отношение распределений 2 полученных в Монте-Карло до и после настройки параметров ЛЕТБЕТ (б) и (г) соответственно.

> 12000 -q 10000 г

1Л

8000 г S 6000 -

- МС default •• МС after tuning Real Data

0 0.1 0.2 0.3 0.4

a)

¿> 2200 E> 2000 Е-2 18001 О 1600 Е-1400 Е-£ 1200 Е-fl) 1000 Е-

-.....МС default

----МС after tuning

Real Data

J00p 200 E-0^.....

0.2 0.4 0.6 0.8

4 1.6 1.8 2

рт [GeV/c]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

рт [GeV/c]

б)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.6 2

Рт [GeV/c]

О

Рисунок 8: Распределение кинематической переменной рт для £*+ (а) и (в), отношение распределений рт полученных в Монте-Карло до и после настройки параметров ЛЕТБЕТ (б) и (г) соответственно.

В таблице 7 приведены относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов к Л и Л барионам для экспериментальных данных, со значениями параметров программного пакета JETSET по умолчанию и с настроенными значениями в ГНР. Важно отметить, что полученные новые относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов, а также отношения Л /Л и К°/ Л, хорошо согласуются с экспериментальными данными полученными на установке COMPASS. Отметим, что новые значения параметров также изменяют неисследуемые в данной работе отношения Е°/А и £°/А.

Аксептансы, рассчитанные с параметрами JETSET по умолчанию и с настроенными, согласуются в пределах одного стандартного отклонения. Разница абсолютных значений была включена в систематическую неопределенность. В эксперименте COMPASS программа моделирования с параметрами по умолчанию предсказывала выходы для непрямого рождения А и А составили 58% и 54% соответственно. С новыми значениями параметров эти величины составили 37% и 32% 2.

Таблица 7: Относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов к А и А барионам для экспериментальных данных, для смоделированых событий с параметрами по умолчанию и с настроенными параметрами JETSET в ГНР.

Относительный С "default" Данные С настроенными

выход параметрами COMPASS параметрами

JETSET JETSET

Л/Л 1.22 ±0.01 1.71 ±0.02 1.72 ±0.01

К°/А 6.06 ±0.01 6.21 ±0.05 6.22 ±0.01

Е*+/Л 0.082 ± 0.001 0.055 ± 0.005 0.052 ± 0.001

Е—/Л 0.074 ± 0.001 0.047 ± 0.006 0.038 ±0.001

Е—/Л 0.084 ± 0.001 0.056 ± 0.009 0.067 ±0.001

Ё*+/Л 0.060 ± 0.001 0.039 ± 0.006 0.037 ± 0.001

Н-/Л 0.051 ± 0.001 0.038 ± 0.003 0.029 ±0.001

Н+/Л 0.056 ± 0.001 0.043 ± 0.004 0.040 ±0.001

£°/А 0.200 ±0.003 - 0.130 ±0.002

Й°/А 0.200 ±0.003 - 0.120 ±0.002

2Эти величины также включают вклад непрямого рождения А (Л) от распадов Н° (Н°) и гиперонов.

Заключение

В эксперименте COMPASS набрана уникальная статистика Л и Л гиперонов в ГНР заряженных лептонов. Число восстановленных А и А гиперонов составило 112000 и 67000 соответственно.

Впервые:

а) измерены выходы тяжелых гиперонов £*-, £*_, Ё*+, Е- и Е+ в ГНР с относительной неопределенностью порядка 10%;

б) точность выполненных измерений позволила провести настройку параметров программы моделирования LEPTO/JETSET в ГНР. С новыми значениями параметров оценены непрямые выходы А и А гиперонов.

Следует отметить, что ранее были измерены только выходы тяжелых гиперонов £*+, £*", Е-, но не антигиперонов £*_, £*+, Е+, в ГНР нейтрино коллаоорацией NOMAD [10]. Из за больших экспериментальных ошибок измерений в эксперименте NOMAD, мы не можем сделать определенных сравнительных выводов о выходах тяжелых гиперонов в ГНР заряженных лептонов и в ГНР нейтрино.

Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые измерены относительные выходы тяжелых гиперонов £(1385)+, £(1385)-, Е(1321)~ и антигиперонов £(1385)", £(1385)+, Е(1321)+ по отношению к А и А барионам в ГНР заряженных лептонов:

£(1385)+/А = 0.055 ± £(1385)-/À = 0.047 ± £(1385)-/А = 0.056 ± £(1385)+/А = 0.039 ± Е(1321)-/Л = 0.038 ± Ё(1321)+/Л = 0.043 ±

0.005(стат)±0.005(сист) 0.006(стат)±0.006(сист) 0.009(стат)±0.007(сист) 0.006(стат)±0.006(сист) 0.003(стат)±0.002(сист) 0.004(стат)±0.002(сист)

2. Измерены относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов как в ГНР, так и во всей кинематической области <32 и у. Показана в пределах статистических ошибок независимость этих выходов от значения <32. Показано, что относительные выходы тяжелых гиперонов во всей кинематической области и ГНР различаются приблизительно на 6%, что значительно меньше экспериментальных ошибок.

3. Уникальные измерения относительных выходов позволили провести оптимизацию значений параметров LEPTO/JETSET PARJ(l) -PARJ(5), PARJ(7), связанных с рождением странных кварков и процессами их фрагментации в ГНР заряженных лептонов. Новые значение этих параметров существенно отличаются от параметров, включенных в стандартную версию LEPTO/JETSET.

4. Оценен вклад непрямого выхода Л и Л барионов в ГНР, который составляет порядка (37±3)% и (32±3)% соответственно от полного числа рожденных гиперонов.

Список литературы

[1] HERMES Collaboration, A. Airapetian et al., Phys. Rev. D74 (2006) 072004.

[2] WA21 Collaboration, G.T.Jones et al., -Z. Phys. C28 (1985) 23.

[3] WAo9 Collaboration, S.Willocq et al., Z. Phys. C53 (1992) 207.

[4] E632 Collaboration, D.De Prospo et al., Phys.Rev. D50 (1994) 6691.

[5] NOMAD Collaboration, P.Astier et al., Nucl. Phys. B588 (2000) 3.

[6] NOMAD Collaboration, P.Astier et al., Nucl. Phys. B605 (2001) 3.

[7] E665 Collaboration, M.R.Adams et al., Eur. Phys. J. C17 (2000) 263.

[8] STAR Collaboration, B.I.Abelev et al.,Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 252001.

[9] COMPASS Collaboration, M.Alekseev et al., Eur. Phys. J. 64 (2009) 171.

[10] NOMAD Collaboration, P.Astier et al., Nucl. Phys. B621 (2002) 3.

[11] COMPASS Collaboration, C.Adolph et al., Eur. Phys. J. C73 (2013) 2581.

[12] A.E.G.Ingelman, A.Edin, J.Rathsman, Сотр. Phys. Commun. 101 (1997) 108.

[13] T.Sjöstrand, Сотр. Phys. Commun. 82 (1994) 74.

[14] COMPASS Collaboration, P.Abbon et al., The COMPASS Experiment at CERN, Nucl. Instrum. Meth. A577 455 (2007).

[15] O.A.Rondon, Phys. Rev. C60 (1999) 035201 and references therein.

J. Bisplinghoff et al., A scintillating fibre hodoscope for high rate applications, Nucl. Instrum. Meth. A490 (2002) 101-111.

H.Angerer et al., Present status of silicon detectors in COMPASS, Nucl. Instrum. Meth. A512 (2003) 229-238.

М.Д.Шафранов, Микроструктурные газовые детекторы, ФЭЧАЯ, ТЗЗ вып. 5 (2002).

Micromegas as a large microstrip detector for the COMPASS experiment.

D.Thers et al., Nucl. Instrum. Meth. A469 (2001) 133-146.

M.C. Altunbas et al., Construction, test and commissionig of the triple-GEM tracking detector for COMPASS, Nucl. Instrum. Meth. A490 (2002) 177-203.

E.Iarocci, Nucl. Instrum. Meth. A217 (1983) 30.

V.N. Bychkov et al., Construction and Manufacture of Large Size Straw-Chambers of the COMPASS Spectrometer Tracking System, Part. Nucl. Lett. 2 (2002) 111.

E. Albrecht et al., The mirror system of COMPASS RICH-1, Nucl. Instrum. Meth. A502 (2003) 112.

C.Bernet et al., The COMPASS trigger system for muon scattering, Nucl. Inst-um. Meth. A550 (2005) 217.

Review of Particle Properties, J. Phys. G 37, 7A (2010) 075021.

STAR Collaboration, Quinhua Xu, Proc.l7th International Spin Physics Symposium (SPIN06), Kyoto, AIP conference Proceedings, 915 (2006) 428; hep-ex/0612035.

COMGEANT webpage, http://valexakh.web.cern.ch/valexakh/ wwwcomg/ index.html

GEANT, CERN Program Library Long Writeup W5013.

NOMAD Collaboration, J. Altegoer et al., Nucl. Instrum. Meth. A404 (1998) 96.

П.Э. Волковицкий , Модель фрагментации струн Лундского университета, в сб.: Элементарные частицы, 12 школа физики ИТЭФ, М. в. 4 (1986) 68.

В. Andersson et al., Parton-fragmentation and string dynamics, Phys. Rep. 97 (1983) 31.

Получено 22 апреля 2014 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 23.04.2014. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,8. Тираж 100 экз. Заказ № 58249.

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

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Лаборатория Физики Высоких Энергий

На правах рукописи

УДК 539.125:539.12-1+539.172.6

04201459524

РОССИЙСКАЯ НАТАЛЬЯ СЕРГЕЕВНА

ОБРАЗОВАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ГИПЕРОНОВ В ГЛУБОКО-НЕУПРУГОМ РАССЕЯНИИ МЮОНОВ НА ДЕЙТРОНАХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ COMPASS (CERN)

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

_О.М. Кузнецов

Дубна, 2014

АННОТАЦИЯ

"Не существует совершенной красоты, которая не содержала бы в себе некоторую долю странности".

Ф. Бэкон

В работе представлены результаты измерений, впервые в мировой практике, выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов в глубоко-неупругом рассеянии лептонов. Набор данных производился в 2003-2004 годах экспериментом COMPASS (COmmon Мпоп Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) расположенным на канале M2 ускорителя SPS (Super Proton Synchrotron) европейской организации CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire). Использовался пучок мюонов со средней энергией 160 ГэВ и мишень, наполненная веществом 6LiD, которое обладает высокой поляризационной способностью. Приводятся результаты измерений выходов тяжелых гиперонов Е(1385)+, Е(1385)-, £(1385)-, Ё(1385)+, Е(1321)" и Ё(1321)+ по отношению к А и Ä барионам. Относительные выходы тяжелых гиперонов к А и антигиперонов к А находятся в пределах от 3.8 % до 5.6 % с относительной статистической ошибкой ~10%. Эти отношения важны для настройки генератора LEPTO. который широко используются для симуляции событий в области глубоко-неупругого рассеяния (ГНР). Уникальные измерения позволили впервые оптимизировать параметры LEPTO генератора связанные с рождением странных кварков и процессами фрагментации в ГНР заряженных лептонов.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. Формализм ГНР и рождение гиперонов 11

1.1 Глубоко-неупругое рассеяние заряженных лептонов на нуклонах . . 11

1.2 ГНР и кварк-партонная модель ....................14

1.3 Струнные модели адронов .......................18

1.4 Скрытая странность нуклона......................22

1.5 Гипероны.................................25

1.6 Обзор экспериментальных данных...................30

ГЛАВА 2. Эксперимент COMPASS 33

2.1 Введение.................................33

2.2 Мюонный пучок.............................35

2.3 Установка COMPASS ..........................37

2.3.1 Поляризованная мишень.......................37

2.3.2 Магниты SM1 и SM2 .........................38

2.3.3 Координатные детекторы.......................39

2.3.4 Адронные калориметры........................43

2.3.5 Триггерная система..........................44

2.4 Реконструкция событий.........................49

2.5 Контроль за стабильностью реконструированных данных......50

2.6 Программы анализа данных......................51

ГЛАВА 3. Восстановление и анализ тяжелых гиперонов на установке

COMPASS 53

3.1 Введение.................................53

3.2 Поиск и восстановление Л и А барионов................54

3.3 Поиск и восстановление Е* и Е гиперонов...............59

3.3.1 £* гипероны..............................59

3.3.2 Е гипероны...............................61

3.3.3 Аксептанс................................64

3.4 Обсуждение результатов ........................64

3.4.1 Сравнение с другими экспериментами................66

3.4.2 Источники систематической неопределенности...........67

3.5 Полная кинематическая область Q2 и у................70

ГЛАВА 4. Монте - Карло: настройка параметров LEPTO/.JETSET 74

4.1 Введение.................................74

4.2 Моделирование экспериментальной установки COMPASS......74

4.3 Сравнение экспериментальных данных и моделированных событий 75

4.4 Настройка параметров фрагментации.................77

4.4.1 Параметры модели Лунд.......................77

4.4.2 Процедура минимизации.......................77

4.5 Распределения по кинематическим переменным...........79

4.6 Обсуждение результатов ........................84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89

ПРИЛОЖЕНИЕ А. 91

ПРИЛОЖЕНИЕ В. 93 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 105

ВВЕДЕНИЕ

Знание - это абсолютная ценность ...

М. Горький

Настоящая диссертация посвящена изучению рождения тяжелых гиперонов в глубоко-неупругом рассеянии заряженных мюонов на изоскалярной мишени. Исследования выполнены на установке COMPASS расположенной на канале М2 ускорителя SPS европейской организации по ядерным исследованиям CERN. Набор данных проводился в 2003-2004 годах на пучке мюонов с импульсом 160 ГэВ/с. Исследование относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов в ГНР важно для понимания роли странных кварков в структуре нуклона и в процессе адронизации. Самый легкий из группы странных барионов - А гиперон изучен наиболее подробно. Различают прямое рождение А гиперонов в первичной вершине и непрямое от каскадных распадов более тяжелых гиперонов, таких как Е°, Е*, Е°, Н или Q 1. Исследование относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов необходимы для интерпретации результатов многих экспериментов, например результатов по измерениям продольной поляризации А и А гиперонов рожденных в глубоко-неупругом рассеянии мюонов. Продольная передача спина в А (А) в ГНР была измерена в экспериментах [1-9]. А гипероны, рожденные из распадов более тяжелых гиперонов, поляризованы иначе, чем рожденные напрямую. До настоящей работы, существовавшая оценка [1] указывала, что только 40% наблюдаемых А гиперонов рождаются напрямую.

Относительные выходы Е°, Е*+, Е*- и Е~ изучались в слабых взаимодействиях в эксперименте NOMAD (Neutrino Oscillation MAgnetic Detector) с использованием нейтринного пучка [10]. До настоящей работы информация об образовании тяжелых гиперонов в электромагнитных взаимодействиях отсутствовала, а относительные выходы античастиц Е*~, Ё*+ и Н никогда не изучались в ГНР.

Выполненный в диссертации анализ основан на статистике 112000 А и 67000 А событий, что является уникальным набором данных, особенно из-за рекордной статистики А [11].

1 Здесь и дальнейшем (за исключением отдельных случаев) масса гиперонов £(1385) и Е(1321) не будет указываться, но будет использоваться символ "*"для £(1385) с Jp = 3/2+. Кроме того, все гипероны, за исключением Л бариона, будут называться тяжелыми.

Основными целями диссертационной работы были:

1. Изучение рождения тяжелых гиперонов и антигиперонов £(1385)+, £(1385)", £(1385)", £(1385)+, £(1321)" и Ё(1321)+ в ГНР заряженных леп-тонов.

2. Оптимизация параметров программы моделирования LEPTO/JETSET [12,13], связанных с рождением странных частиц, на основе выполненных измерений.

Научная новизна.

1. Впервые в ГНР заряженных лептонов измерены выходы тяжелых гиперонов £*+, £*~, Е- и антигиперонов £*_. £*+, Е+ по отношению к А и Ä соответственно. Все относительные выходы составляют от 3,8% до 5,6%. В пределах относительной неопределенности порядка 10%, измеренные значения относительных выходов для гиперонов и антигиперонов совпадают.

2. Впервые измеренные относительные выходы антигиперонов£*~, £*+ и Е- уникальны. Если для тяжелых гиперонов существовали измерения в ГНР нейтрино, то выходы антигиперонов никогда не изучались в ГНР.

3. Измерены относительные выходы тяжелых гиперонов и антигиперонов не только в ГНР (Q2 > 1 (ГэВ/с)2), но и во всей кинематической области Q2 и у. В пределах статистических ошибок величина этих выходов не зависит от значения Q2.

4. Из результатов измерений в сравнении с предсказаниями Монте-Карло получены новые значения параметров LEPTO/JETSET генератора, связанные с рождением странных кварков и процессами их фрагментации. Новые значения этих параметров существенно отличаются от параметров, включенных в стандартную версию LEPTO/JETSET.

5. Используя новые значения параметров генератора LEPTO/JETSET, получено, что непрямой выход А и Ä в ГНР составляет (37±3)% и (32±3)% соответственно от полного числа рожденных гиперонов.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны и реализованы критерии отбора для реконструкции тяжелых гиперонов и антигиперонов, рожденных в ГНР заряженных лептонов на изоскалярной мишени.

2. Результаты выполненных впервые измерений относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов могут использоваться при анализе те-

кущих и планировании будущих экспериментов.

3. Измерения относительных выходов позволили провести оптимизацию значений параметров LEPTO/JETSET PARJ(l) - PARJ(5), PARJ(7) генератора связанных с рождением странных кварков и процессами их фрагментации. Новые значения этих параметров существенно отличаются от значений использовавшихся в генераторе до настоящей работы.

Автор защищает:

1. Полученные впервые результаты измерений относительных выходов тяжелых гиперонов Е(1385)+, Е(1385)~, Е(1321)~ и антигиперонов Ё(1385)~, Е(1385)+, Е(1321)+ по отношению к Л и Л барионам в ГНР заряженных лептонов на изоскалярной мишени.

2. Сравнительный анализ относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов в ГНР по отношению ко всей кинематической области Q2 и у. Независимость в пределах статистических ошибок относительных выходов от значения Q2.

3. Оптимизацию параметров программы моделирования LEPTO/JETSET для наиболее точного описания результатов выполненных измерений по рождению гиперонов и антигиперонов.

4. Оценки непрямого выхода А и А барионов в ГНР, которые составляют (37±3)% и (32±3)% соответственно от полного числа рожденных гиперонов.

Апробация работы.

Результаты работы были опубликованы в зарубежных и российских журналах. а также неоднократно докладывались автором на рабочих совещаниях коллаборации COMPASS, научных семинарах и международных конференциях:

1. The 2013 European Physical Society Conference on High Energy Physics, Стокгольм, Швеция, 2013.

2. The 20th International Symposium on Spin Physics, ОИЯИ, Дубна, Россия, 2012.

3. 12th International Workshop on Meson Production, Properties and Interaction, Краков, Польша, 2012.

4. Advanced Studies Institute Symmetries and Spin, Прага, Чешская Республика, 2011.

5. Hadron Structure']. 1, Institute of Physics, SAS, Братислава, Словакия, 2011.

6. XVIII International Workshop on Deep-Inelastic Scattering and Related Subjects, Флоренция, Италия, 2010.

7. XX International Baldin Seminar on High Energy Physics Problems "Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chromodynamics ОИЯИ, Дубна, Россия, 2010.

8. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН "Физика фундаментальных взаимодействий", Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова, Москва, Россия, 2009.

9. XIV Научная конференция молодых ученых и специалистов, ОИЯИ, Дубна, Россия, 2010.

10. 10-я Международная Байкальская Школа по Физике Элементарных Частиц и Астрофизике, Большие Коты, Россия, 2010.

11. Научные семинары в Лаборатории Физики Высоких Энергий ОИЯИ, Дубна, Россия, 2009, 2010, 2011 и 2013.

12. XV Научная конференция молодых ученых и специалистов, ОИЯИ, Дубна, Россия', 2011.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. С. Adolph, N.Rossiyskaya, ... (COMPASS Collaboration) Study of £(1385) and E!(1321) hyperon and antihyperon production in deep inelastic muon scattering, Eur. Phys. J., С 73, 2013, 2581.

2. В.Ю.Алексахин, О.М.Кузнецов, H.С.Российская, М.Г.Сапожников, Оптимизация значений параметров генератора LEPTO/JETSET для области ГНР заряженных лептонов, Письма в ЭЧАЯ. 2014. Вып.4.

3. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration) Study of Heavy Hyperons Production in DIS at COMPASS, ISSN 1063 7796, Physics of Particles and Nuclei, 2014, Vol. 45, No. 1, pp. 113-116.

4. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Yield of heavy hyperons and antihyperons in DIS, Proceeding of XVIII International Workshop on Deep-Inelastic Scattering and Related Subjects, POS(DIS 2010) 132.

5. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Formation of heavy hyperons and antihyperons in DIS at COMPASS, Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chromodynamics: Proc. of the XX Intern. Baldin Seminar on High Energy Physics Problems, Dubna, Russia, October 4-9, 2010 / Ed.: S.G.

Bondarenko, V.V. Burov, A.I. Malakhov, E.B. Plekhanov. Dubna: JINR, 2011, V.l, P. 325-332.

6. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration). Heavy hyperons production in DIS at COMPASS, Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 219-220, 2011, 39-42.

7. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Study of heavy hyperons production in Deep Inelastic Muon Scattering, EPJ Web of Conferences 37, 09031, 2012.

8. N.Rossiyskaya (for the COMPASS Collaboration), Study of Hyperon and Antihyperon Production in Deep Inelastic Muon Scattering PoS(EPS-HEP 2013)019.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в получение результатов, выносимых на защиту, является определяющим. Данная работа была предложена и выполнена Дубненской группой COMPASS. Результаты, вошедшие в диссертацию, по измерению выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов были получены непосредственно автором, а оптимизация параметров генератора LEPTO проведена при его активном участии. Автор принимал активное участие в обсуждении результатов исследования и подготовке публикаций по теме диссертации. Автором неоднократно докладывались результаты работы на рабочих совещаниях коллаборации COMPASS, научных семинарах и международных конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация содержит 112 страниц и состоит из "Введения", четырех глав ("Формализм ГНР и рождение гиперонов", "Эксперимент COMPASS", "Восстановление и анализ тяжелых гиперонов на установке COMPASS", "Монте - Карло: настройка параметров LEPTO/JETSET"), "Заключения", двух приложений и списка цитируемой литературы. В диссертации приведены 67 рисунков и 28 таблиц.

Содержание диссертации.

Во введении демонстрируется актуальность исследуемой темы, перечислены основные проблемы, сформулированы цели и практическая ценность работы, представлена научная новизна. В первой главе приводится обзор

экспериментальных данных по теме диссертации. Кратко излагается формализм ГНР заряженных лептонов на нуклоне и кварк-партонная модель. Дается обзор струнных моделей адронов и рассматривается вопрос о вкладе странных кварков в массу нуклона. Во второй главе представлено общее описание спектрометра COMPASS. Рассмотрены вопросы о контроле за стабильностью и программного обеспечения реконструкции данных. В третьей главе представлен анализ экспериментальных данных. В пей рассматриваются вопросы реконструкции и измерения относительных выходов тяжелых гиперонов и антигиперонов в ГНР. Приводится сравнение полученных результатов с результатами других экспериментов. Также, представлен анализ относительных выходов тяжелых гиперонов во всей кинематической области Q2 и у. В четвертой главе представлено сравнение экспериментальных и моделированных данных. Описана настройка параметров функции фрагментации. Настройка выполнена минимизацией разности измеренных и предсказываемых значений относительных выходов странных частиц. Также приведены распределения по кинематическим переменным Q2, W, z и рт для всех изучаемых в данной работе гиперонов. В заключении обсуждаются полученные результаты.

ГЛАВА 1

ФОРМАЛИЗМ ГНР И РОЖДЕНИЕ ГИПЕРОНОВ

Должны стремиться к знанию не ради споров,

не для презрения других, не ради выгоды, славы, власти или других низменных целей, а ради того, чтобы быть полезным в жизни.

Ф. Бэкон

1.1 Глубоко-неупругое рассеяние заряженных лептонов на нуклонах

Глубоко-неупругим рассеянием (ГНР) называют такие инклюзивные процессы взаимодействия лептонов и адронов, при которых квадрат передачи 4-импульса лептоном и квадрат суммарной полной энергии вторичных адронов в системе их центра инерции значительно превышают характерную энергию покоя адронов [14]. Благодаря большой величине переданного импульса, глубоко-неупругое рассеяние играет важную роль в исследовании структуры адронов и ядер и выяснении динамики взаимодействия на малых расстояниях. Взаимодействие мюона с нуклоном относится к типу электрослабых взаимодействий и может быть описано с использованием модели обмена виртуальным фотоном или промежуточными векторными бозонами W± и Z0. При этом, виртуальный фотон или W±. Z° взаимодействует с составляющими нуклон кварками, делая тем самым процессы ГНР важным инструментом для изучения структуры нуклонов. Считается [14], что фотон поглощается кварком, который получает энергию, после чего начинается процесс фрагментации кварка в адроны. В эксперименте COMPASS регистрируются реакции, в которых налетающей и рассеянной частицей является мюон и происходит взаимодействие посредством нейтрального тока, то есть обмен виртуальным фотоном или ¿^-бозоном. Процессы, проходящие в результате обмена Z0-бозона в качестве промежуточной частицы, сильно подавлены по причине его большой массы М^о =91.1 ГэВ (здесь и далее по тексту будем использовать систему единиц, в которой h = с — 1). Также пренебрежем многофотонными обменами, вклад от которых мал, так как связан с высокими степенями постоянной тонкой структуры а — 1/137. Поэтому будем рассматривать только

процессы с виртуальным фотоном 7*. Диаграмма процесса //ЛГ ->• // X одно-фотопного обмена приведена на рис. 1.1. Лсптон (р) рассеивается на нуклоне {N) и в конечном состоянии регистрируется, либо только рассеянный лептон (ц ) (инклюзивный процесс), либо кроме рассеянного лептона (//) регистрируется также часть адропной системы X (полуинклюзивный процесс).

ц' (А1)

Рисунок 1.1. Диаграмма ГНР р,N р X. Лептонный тензор описывает, процесс излучения лепт.оном виртуального фотона и рассчитывается в рамках квантовой электродинамики. Адронный тензор IVсодержащий информацию о внутренней структуре ядра мишени, не может, выть полностью pacc4um.au, т.ак. как зависит от. непертурбативного характера динамики взаимодействия.

Для описания ГНР используются следующие 4-импульсы и лоренц-инвариантпые кинематические переменные: к = (Е, к) 4-импульс налета роще го лептона; к' = (Е', к') - 4-импульс рассеянного лептона; р = (М, 0) - 4-импульс нуклона;

Здесь Е энергия налетающего лептона в лабораторной системе, Е - энергия рассеянного лептона в лабораторной системе, М масса нуклона. д = к — к' - 4-импульс виртуального фотона 7*;

С}1 — —(¡2 « 4ЕЕ ягг\г% квадрат переданного 4-импульса (пренебрегая массой лептона), где О угол рассеянного лептона. и = ^ — Е �