Поляриметрия протонных пучков высоких энергий на коллайдере RHIC тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение. ва 1 Теоретические и экспериментальные исследования анализирующей способности упругих и инклюзивных реакций.

1.1 Теоретические модели.

1.2 Обзор по поляриметрии протонных пучков высоких энергий.

1.2.1 Анализирующая способность реакции инклюзивного образования п° - мезонов.

1.2.2 Анализирующая способность реакции инклюзивного образования заряженных пионов.

1.2.3 Поляриметр на основе реакции дифракционной диссоциации в кулоновском поле ядра.

1.2.4 Упругое рассеяние протонов в области Кулон-ядерной интерференции.

1.2.5 Упругое ре-рассеяние. ва 2 Поляриметр на базе процесса инклюзивного образования 7с°-мезонов и оптимизация поляриметра для RHIC HHERA-p.

2.1 Результаты измерения анализирующей способности реакции инклюзивного образования 71°-мезонов в эксперименте Е704.

2.2 Схема Инклюзивного Нейтрального

Пионного Поляриметра.

2.3 Кинематическое описание Инклюзивного

Нейтрального Пионного Поляриметра.

2.4 Оптимизиция Инклюзивного Нейтрального Пионного Поляриметра для RHIC.

2.5 Радиационные условия для ИНПП на RHIC.

2.6 Оптимизация Инклюзивного Нейтрального

Пионного Поляриметра для ускорителя HERA-p. а 3 Фотонный поляриметр.

3.1 Причины использования Локального Инклюзивного Фотонного Поляриметра (ЛИФП) для. эксперимента

PHENIX.

3.2 Схема Локального Инклюзивного

Фотонного Поляриметра.

3.3 Принцип работы ЛИФП.

3.4 Монте - Карло моделирование.

3.4.1 Моделирование выхода фотонов и анализирующей способности фотонного поляриметра.

3.4.2 Моделирование прохождения фотонов, нейтронов и K°L через электромагнитный калориметр.

3.5 Калибровка ЛИФП.

3.6 Анализ взаимодействия пучка с газом.

4 Триггерные и мониторные счетчики.

4.1 Основные функции триггерных и мониторных счетчиков.

4.2 Мониторирование светимости пучков поляризованных протонов.

4.3 Аппаратура для запуска поляриметра.

Быстрое развитие спиновой физики высоких энергий стимулировало становление новых методических направлений таких как, создание сильноточных поляризованных ионных источников, технику ускорения поляризованных пучков с применением "Сибирских Змеек", спин-ротаторов и спин-флипперов. В этом ряду особенно нужно отметить важность создания приборов, позволяющих измерять поляризацию пучков на всех этапах их ускорения и применения в физических экспериментах. Такие приборы называются поляриметрами. Интенсивное развитие поляриметров для коллайдеров началось совсем недавно в связи с разработкой таких программ на Тэватроне Фермилаба [1], подготовкой поляризационной программы на RHIG' [2], [3], и на ускорителе HERA-p [4]. Существовавшие в области малых и промежуточных энергий (0,5-10 ГэВ) поляриметры оказались непригодными для высоких энергий. Причина в том, что положенные в основу этих поляриметров реакции, например, упругое рассеяние на протонах и ядрах, имели анализирующие способности, которые быстро уменьшались с ростом начальной энергии Е0, как Ео"1/2 или быстрее при переданных импульсах -t=

0,1 + 0,3 (ГэВ/с) . Хотя, анализирующая способность этих реакций сохранялась заметной при больших t»l-3 (ГэВ/с)2, сечения при таких больших t падали так быстро с ростом энергии, что эти реакции.уже невозможно было использовать при энергиях >10 ГэВ. В связи с этим был начат поиск новых реакций и в этом направлении за последние.Несколько лет достигнуты выдающиеся результаты.

Существует ряд физических процессов, которые имеют заметную анализирующую способность а также большие сечения при высоких энергиях. Некоторые аспекты создания поляриметров, основанных на этих процессах, обсуждаются ниже.

Все известные поляриметры могут быть отнесены к двум группам: абсолютные поляриметры и относительные [5]. Обе группы могут быть описаны диаграммами Фейнмана на рис.1, и рис.2. b) N оreggeon -CDN

Рис.1. Диаграмма процессов упругого рассеяния.

Р х р а) N

Рис. 2. Диаграмма процессов неупругого рассеяния

Абсолютный поляриметр основан на электромагнитных процессах, поэтому его параметры могут быть рассчитаны с хорошей точностью (включая знак поляризации). Примерами абсолютного поляриметра является Кулон-ядерный интерференционный поляриметр (КЯИП), основанный на рр-упругом рассеянии (рис. 1)[6], и поляриметр, основанный на упругом ре-рассеянии[7] (в этом случае нижняя линия на рис. 1.а представляет электрон) или поляриметр Примакова[8] (рис. 2.а). Поляриметры, основанные на процессах инклюзивного образования 7i±[9] и тг°[10]-мезонов являются относительными, так как эти процессы являются сильными и предварительными расчетами нельзя определить величину и знак эффекта асимметрии (нет количественной теории сильного взаимодействия при малых рт). Знак асимметрии должен фиксироваться сравнением с измерениями, сделанными абсолютным поляриметром.

В каждом конкретном эксперименте поляриметры могут быть так же классифицированы по следующим признакам:

- конструктивный (деструктивный). Поляриметр работает, не прерывая (прерывая) основной эксперимент;

- локальный (не локальный). Поляриметр измеряет поляризацию в месте столкновения пучков в коллайдерах;

-on-line (off-line). Поляриметр может (не может) производить постоянное мониторирование поляризации пучка в режиме набора статистики.

Схема классификации поляриметров представлена на рис. 3.

Для наиболее эффективной работы поляриметр должен иметь следующие характеристики:

1) большую анализирующую способность AN, известную с хорошей точностью;

2) большое сечение реакции а;

3) максимальная величина произведения М= А • а - фактор качества;

4) слабую зависимость AN от импульса частиц пучка;

5) простота и надежность установки.

Поляризация пучка Рь определяется через анализирующую способность, An, используемой реакции « экспериментально измеряемую асимметрию, s, следующим образом: о

N+ +Nгде ЬГи N~- количество полезных событий при положительной Р+ь и отрицательной Р~ь поляризации пучка.

Статистическая точность измерения асимметрии определяется соотношением:

Ае = -== = -=. (2) viV+ + N~ л/N

В случае, когда б«1 точность измерения поляризации пучка может быть выражена зависимостью:

•■тяг (3)

Рис. 3. Классификация поляриметров. Введение величины М, называемой фактором качества поляриметра, определяемой соотношением:

М = А2 • а, (4) более удобно для сопоставления эффективностей различных поляриметров.

Данная диссертация посвящена исследованию двух новых типов поляриметров: поляриметра, основанного на реакции инклюзивного образования 71°-мезонов и поляриметра, основанного на процессе инклюзивного образования фотонов в рр-взаимодействии. Обсуждаются конкретные проблемы создания, калибровки и использования таких поляриметров на поляризованном протонном коллайдере RHIC. Приведены результаты исследования тригерных и мониторных счетчиков. Они предназначены для определения светимости взаимодействующих пучков, которая необходима для нормировки полезных событий и вычисления лево-правой асимметрии.

Целью данной диссертационной работы являлось модельная разработка двух типов поляриметров и оптимизация их для применения на коллайдере RHIC и ускорителе HERA-p.

Научная новизна проведенных исследований состоит в том, что диссертантом были предложены два новых типа поляриметров, предназначенных для измерения поляризации протонных пучков, обладающих высокой скоростью счета, большой анализирующей способностью и проведено их моделирование. Важными преимуществами данного типа поляриметров являются: полный охват по азимутальному углу, способность измерять поляризацию протонных пучков в широком диапазоне энергий (от Vs=18,3 ГэВ до Vs—500 ГэВ), в местах столкновения пучков и использования практически надежного прибора - электромагнитного калориметра.

Практическая ценность настоящей работы заключается в том, что данные, полученные при проведении моделирования, позволят создать on-line поляриметры, способные измерять поперечные компоненты поляризации, что является важным фактором для применения их на коллайдере RHIC. Например, в экспериментах PHENIX и STAR необходимо точное знание поперечных компонент поляризации для правильной обработки экспериментальных результатов, полученных при работе с продольно поляризованными пучками протонов. В настоящее время реализуются оба предложения диссертанта. На PHENIX реализуется ЛИФП на базе свинцового стекла PbW02, а на STAR - ИНПП на базе электромагнитного калориметра типа сендвич плюс на свинцовых стеклах TF1000.

Результаты, выносимые на защиту

- Методика разработки Локального Инклюзивного Фотонного поляримета (ЛИФП),

- Предложение использовать на поляризованных пучках RHIC новый тип поляриметра - Локальный Инклюзивный Пионный Поляриметр (ЛИЛИ) с высоким параметром качества,

- Оптимизированные параметры ЛИФП и ЛИНИ - геометрия поляриметров, энергетические пороги, время необходимое для измерения поляризации протонных пучков с определенной точностью.

- Результаты измерений характеристик детекторов неупругого рассеяния. Показано, что они могут измерять положение точки взаимодействия с точностью а = ± 30 см. Такие измерения крайне важны для восстановления вершины образования 7г°-мезонов и подавления фонов.

Полученные результаты докладывались на научных семинарах МИФИ, ИФВЭ, ИТЭФ, научных сессиях МИФИ 1998, 1999, и 2000 годов а также на международных семинарах и конференциях (1. Международный VII семинар по спиновым явлениям в физике высоких энергий, Дубна 7-12 ноября 1997г. 2. Международный 13-ый Симпозиум по спиновым явлениям в физике высоких энергий, Протвино, 8-12 Сентября 1998г. 3. Международный Семинар по Глубоко-неупругому рассеянию на поляризованных мишенях: Теория встречается с экспериментом, Цейтен, Германия, 1-5 Сентября 1997г). Основные результаты диссертации опубликованы в работах [11,12,13,14]. Личный вклад автора состоит в предложении идеи, в проведении всех Монте-Карло расчетов, разработке метода подавления фона, а также проведении исследований отдельных узлов триггерных и мониторных детекторов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, могут быть сформулированы следующим образом:

1) Предложен новый тип поляриметра, основанный на реакции инклюзивного образования 7г°-мезонов и обладающий следующими преимуществами:

- полное перекрытие азимутального угла, что позволит проводит измерения поперечных компонент поляризации;

- практически полное покрытие полезной кинематической области по xF;

- практически полное покрытие полезной кинематической области по pt;

- вследствие использования электромагнитных калориметров ИНПП является более предпочтительным при увеличении энергии чем ИЗПП;

- нет необходимости в использовании магнитных спектрометров и в применении дополнительных методов для идентификации частиц, так как эти функции обеспечивают ЭМК.

2) Путем анализа данных, полученных от моделирования работы ИНПП и ИЛФП поляриметров, диссертантом разработаны критерии отбора полезных событий.

3) В результате моделирования ИНПП получено оптимальное расположение и оптимальный энергетический порог, что позволило получить максимальное значение фактора качества d=S/(S+B).

4) Рассчитана статистика, необходимая для измерения поляризации пучка с точностью 5%. Также рассчитано время, Т, необходимое

31 1 для набора этой статистики при светимости пучка L=3-10 -сек" • л см". Наибольшее значение Т=15 мин необходимо в эксперименте HERA-p при начальной энергии протонов 820 ГэВ. Это значение допустимо, так как позволяет произвести несколько измерений поляризации в течении десяти часов времени жизни коллайдерных пучков.

5) Предложен принципиально новый поляриметр, основанный на реакции инклюзивного образовании гамма квантов, позволяющий измерять поперечные компоненты поляризации пучков в условиях эксперимента PHENIX и обладающий следующими преимуществами:

- фотон - нейтральная частица, поэтому он не подвержен действию магнитных полей детектора PHENIX;

- фотон может быть легко идентифицирован электромагнитным калориметром;

- очень важным является тот факт, что фотонный детектор может охватывать весь азимутальный угол. Эта особенность важна для определения поперечных компонент поляризации, которые являются помехой при работе PHENIX с продольно поляризованными пучками.

6) Показана полезность использования трековых детекторов для восстановления вершины образования фотонов. Это позволит существенно подавить влияние фона от взаимодействия пучка с газом и со стенками вакуумной камеры.

7) Рассчитана необходимая статистика для измерения поляризации пучка Локальным Инклюзивным Фотоннам Поляриметром с точностью 5% и определено время, Т, необходимое для набора такой статистики.

8) Показано, что эффективность регистрации зараженных частиц мониторирующими счетчиками не зависит от места их попадания в сцинтиллятор.

В заключение мне хочется выразить свою глубокую признательность и благодарность научным руководителям Нурушеву Сандибек Байтемировичу и Грушину Виталию Викторовичу за постоянное внимание и моральную поддержку, без которых выполнение этой работы было бы невозможным. Я искренне признателен всем соавторам за плодотворную и интересную работу. Отдельная благодарность Михаил Федоровичу Рунцо (МИФИ г. Москва), Валерию Михайловичу Емельянову (МИФИ г. Москва), Борис Ивановичу Громову (МИФИ г. Москва) за полезные консультации в процессе подготовки диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. A.D. Krisch 1.: Proc. of 11th Intern. Symo on High Energy Spin Physics, September16-21, 1994, Blommington, USA, p.3.

2. Y.I. Makdisi In:Proc. Of 12th. Intern. Symp.on High-Energy Spin Physics, September 10-14, 1996, Amsterdam, The Netherlands, p.107.3. N. Enyo ibid, p.118.

3. M. Anselmino et al., Workshoip on 'Future Physics at HERA', Hamburg, 1996, ed. by G. Ingelman, A. de Roeck, R. Klanner, p.837.

4. V.A. Korotkov, W.-D. Nowak, Worshop on 'Physics with Polarized Protons at HERA', DESY, March.-September 1997, ed. by A. De Roeck and T. Gehrmann, p.204.

5. Nurushev S.B. In:Proc. of Intern. Workshop on Spin Phenomena in High Energy Physics, September 14-17, 1983, Protvino, Russia, p.5.

6. B.Z. Kopilovich and L.I. Lapidus, Sov. J. Nucl. Phys.19. 1974, p.114.

7. I.V. Glavanakov, Yu.F. Krechetrov, A.P.Polytsin, G.M. Radutsky, A.N. Tabachenko, S.B. Nurushev. Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res. A 381 (1996) 275-279.

8. H. Primakoff, Phys. Rev. 81. 899 (1951).

9. D.L. Adams et al, Phys.Lett, B264, 462(1991).

10. D.L. Adams et al, Z.Physik C, 56, 181(1992).

11. A.A. Bogdanov, V.A. Korotkov, S.B. Nurushev, V.A. Okorokov, K.E. Shestermanov, M.N. Strikhanov, A.N. Vasiliev. The Inclusive Neutral Pion Polarimeter for High energy Accelerators/Colliders. Preprint IHEP 98-54. Protvino 1998.

12. A.A. Bogdanov, M.F. Runtzo, M.N. Strikhanov, S.B. Nurushev, A.N.Vasiliev, Y. Goto, K. Imai, N. Saito.Preporint IHEP2000-37.Protvino 1999.

13. E.A. Andreeva, A.A. Bogdanov, S.B. Nurushev, M.N. Strikhenov, K.E. Shestermanov, A.N. Vasiliev. The Inclusive Neutral Pion Polarimeter for RHIC. IHEP 97-61. Protvino 1997.

14. K.P. Das and R.C. Hwa, Phys.Lett. B68, 459 (1977).

15. R.C. Hwa, Phys.Rev. D22, 15903 (1980).

16. Y.Yamamato, K.Kubo, and H.Toki, Prog.Teor.Phys. 98, 95 (1997).

17. T.A.DeGrand and H.I. Miettinen, Phys.Rev. D23, 1227 (1981); D24, 2419(1981); D31, 661 (1985).

18. Z.Liang and T.Meng, Z.Phys. A344, 171 (1992).

19. S.M.Troshin and N.E.Tyrin, Phys.Rev. D54, 838 (1996).

20. J.Qiu and G.Sterman, preprint HEP-PH/9806356, 1998.

21. S. Saroff et al, Phys.Rev. Lett. 64, 995 (1990)

22. D.G. Underwood, ANL-HEP-PR-77-56.

23. K. Kuroda,AIP Conf. Proc. 95, 618 (1982).

24. B. Margolis and G.H. thomas, AIP Conf. Proc. 42, 173 (1978).

25. R.L. Walker, Phys. Rev. 182,1729 (1969).

26. K. Kuroda Proton Polarimeters at High Energy. LAPP. EXP-82-06. 1982.

27. P. Scofield, Phys. Rev. 79 (1950) 615.

28. S.B. Nurushev et al., in: Proc. Of the V Int. Workshop on High Energy Spin Phys. Protvino, 1993, p.311

29. A. Goledoukin (HERMES Collaboration), The HERMES Polarized Proton Target at HERA. In: Proc.

30. Hong Pi, Сотр. Phys. Comm. 71,173 (1992).

31. Hong Pi, An event generator for interaction between hadrons and nuclei FRITIOF Version 5. (1996)

32. Spinka H., "Progress Report on the Design of the RHIC

33. Pion Inclusivw Polarimeter". In: Proc. of RIKEN BNL Research Center Workshop, April 27-29, 1998, v.7 p.157

34. Particle Data Group, Phys. Rev. 54D, 152(1996).

35. Groom D.E. Radiation level in SSC Detectors. In: Proc. of Summer Study on High Energy Physics in the 1990's, June 27-July 15, 1988 Snowmass, Colorado, ed. Sh. Jensen, p. 711.

36. D.P. Morrison for the PHENIX Collaboration, Nucl.Phys. A638 (1998)565c.

37. RHIC Design Makual, revised version, April 1998, p.WBS

38. D. Bessel et al., Nucl. Intstr. and Meth. 166 (1979) 513

39. V.V. Abramov, A new scaling for single-spin asymmetry in meson and barion hadroprodaction, Preprint IHEP 98-84, Protvino, 1999

40. Experiment for total and elastic pp-cross section at RHIC. BNL Proposal, updated version, September 1995.

41. A. Bogdanov et al., Preprint MEPhI 008-2000.