Прецизионное измерение скорости поглощения мюона ядрами 3 Не и 4 Не тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им.Б.П.КОНСТАНТИНОВА

- • I ., о

УДК 539.17 На правах рукописи

ВОРОПАЕВ Николай Иванович

ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ МЮОНА

ЯДРАМИ 3Не и 4 Не

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН.

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук ведущий научный сотрудник

доктор физико-математических наук, профессор, член-корр. РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.Г.ЗИНОВ,

доктор физико-математических наук,

профессор, член-корр. РАН С.С.ГБРШТЕЙН,

Ведущая организация — Российский Научный Центр Курчатовский институт

Г.Г.СЕМЕНЧУК, А.А.ВОРОБЬЕВ.

Защита состоится -УЗ

_Ц 199<?г. в /7 час на заседании диссертационного совета Д - 002.71.01 при Петербургском институте ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН по адресу: 188350, г.Гатчина Ленинградской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН. Автореферат разослан 1

Ученый секретарь диссертационного совета

И. А. Митропольский

Актуальность проблемы. Явление поглощения отрицательного шона (ц~) ядром, открытое более 40 лет назад, несет уникальную инфор-[ацию о структуре слабого тока ядра. Самым простым ядром является ротон (р). Слабый ток протона параметризуется шестью форм-факторами у,дм,дА,др,дз,дт, каждый из которых является функцией квадрата пере-;анного четырех-импульса д2 = — 0.88тл^ — лри поглощении мюона простом, ц~ + р —)■ п 1/р). Векторный и магнитный форм-факторы ду и 'м, в силу гипотезы сохранения векторного тока, равны соответствующим лектромагнитным форм-факторам, которые надежно определяются из экс-[ериментов по рассеянию электронов на протоне. Форм-факторы второго .ласса и дт для всех значений д1 считаются пренебрежимо малыми. Ак-иальный форм-фактор <?д, при д2 ~ 0, определяется по времени жизни нейтрона, а его зависимость от д2 хорошо изучена в экспериментах по квазиу-[ругому рассеянию антинейтрино на нуклоне. Экспериментально не иссле-юванным остался наведенный псевдоскалярный форм-фактор нуклона др. Интерес к др вызван и тем, что измерение этого форм-фактора дает возмож-юсть проверки теории, основанной на фундаментальном принципе в Квантовой Хромо-Динамике — киральной симметрии. Киральная теория возму-цения предсказывает значение др с точностью 1 — 3%: др(д= 8.21±0.09[1], Гр(5о) = 8.44 ± 0.23[2] . Для того, что бы экспериментально определить др : такой точностью, необходимо измерить скорость поглощения ¡Г протоном Ас) с точностью 0.1 — 0.3%, что является на сегодня не выполнимой зада-гей. Существующие эксперименты по измерению Лс не превышают по своей точности 7%, чего явно недостаточно для проверки теории.

Реакция поглощения мюона ядром 3Не по каналу образования тритона с +3 Не —» г^ + í (1.9 МэВ) является аналогом реакции поглощения мюона фотоном. Квадрат переданного четырех-импульса в этом процессе д? близок : 9о: 9? = —0.954т£. В Модели Элементарной Частицы (ЕРМ), ядра 3Не и 3Н усматриваются как члены одного изотопического дублета, в полной аналоги с дублетом протон-нейтрон (р, п), с заменой форм-факторов нуклона на :оответствующие форм-факторы ядра 3Не-3Н — Ру, Рм,Ра, Рр, ^> &г- Ана-югично нуклонным, форм-факторы Fv и Рм определены в экспериментах га рассеянию электронов. Аксиальный форм-фактор РА при д2 = 0 опре-гелен с точностью ~ 0.5% по времени жизни тритона (3Н). Экстраполяция FA в область осуществляется с точностью ~ 1%. Теоретические расчеты {гарм-фактора Рр, выполненные на основе гипотезы Частичного Сохранения Аксиального Тока (РСАС), приводят к значению РрСАС = 20.7±0.2. Необхо-шмо отметить, что значение РрСАС получено в предположении одинаковой ?2 зависимости форм-фактора Рд и псевдоскалярного параметра 7Г—3Не-3Н взаимодействия Рж. Имеющаяся до настоящего момента эксперименталь-тая точность измерений скорости поглощения ядром 3Не (А() составляет ^ 3%, что дает возможность оценить Рр с точностью не лучше 30%. Это 1вно недостаточно для проверки гипотезы РСАС, являющейся следствием

киральной симметрии сильного взаимодействия.

В связи с созданием в ПИЯФ новой экспериментальной методики, основанной на ионизационной камере высокого давления, появилась возможность существенного повышения точности измерения скорости поглощения мюона ядром 3Не.

Цель работы. Основной целью данной работы является измерение скорости поглощения отрицательного мюона ядром 3Не по каналу образования тритона:

ц~ +3 Не ^ +¿(1.9 МэВ) ,

(Аг) с точностью не хуже достигнутой в теории, т.е. ~ 1%.

Научная новизна работы. Создана оригинальная экспериментальная установка на основе спектрометрической многоанодной ионизационной камеры (ИК) высокого давления с сеткой, являющейся мишенью и детектором одновременно. Впервые данная методика применена для исследования процесса поглощения шоона ядрами. Уникальные характеристики установки позволили в десять раз улучшить экспериментальную точность значений скорости поглощения мюона ядром 3Не по каналу образования тритона, а также получить другие параметры, характеризующие как сам процесс поглощения, так и сопровождающие его процессы. Прецизионное измерение позволило проверить теоретические предсказания наведенного псевдоскалярного форм-фактора дало возможность проверки существования мезонных обменных токов в ядре, позволило определить псевдоскалярный параметр тг—3Не-3Н взаимодействия с рекордной точностью.

Практическая ценность. Полученные результаты демонстрируют большие возможности использованной методики, которые заключаются в выделении остановок мюона в чувствительной области камеры с точностью лучше Ю-4 и регистрации заряженных частиц с эффективностью 100%. Уникальные возможности новой методики, стимулируют ее применение в других экспериментах.

Структура и объем диссертации. Предлагаемая диссертация состоит из 5-и глаз, которые включают в себя 11 таблиц и 24 рисунка.

В первбй главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ в области поглощения мюопа ядрами и поставлена задача исследований.

Во второй главе описывается экспериментальная установка. Основными частями установки являются (см. рис. 1):

1) ионизационная камера с системой газового наполнения и с системой подачи высокого напряжения;

2) мониторный блок входного пучка,

3) электронные и нейтронные счетчики,

4) аппаратура, обеспечивающая регистрацию событий, чтение и запись информации.

Основой установки является спектрометрическая многоаиодная ионизационная камера (ИК) высокого давления с сеткой. ИК предназначена для регистрации и спектрометрического анализа сигналов от мюонов и появившихся после них тритонов с эффективностью 100%. Камера работала при давлении газа Р = 120 атм и температуре Т=300 К, при электрическом напряжении на катоде 30 кВ и на сетке 3.5 кВ. Мониторные счетчики S1 и S2 регистрировали мюоны пучка. Электронные Е и нейтронные N счетчики предназначены для регистрации электронов от распада мюонов и нейтронов от канала развала ядра, соответственно.

В третей главе описывается логика работы online триггера, методика выделения полезных сигналов с ИК при offline анализе и условия отбора событий для статистического анализа. Триггер обеспечивал запись только таких событий, когда в течение; 8 мкс перед влетевшим в камеру мюоном и 9 мкс после него не было другого мюона, при этом на одном из центральных анодов камеры должен появиться хотя бы один сигнал. Для преобразования аналоговой информации с ИК в цифровую использовались 8-битные аналого-цифровые преобразователи — FADC, с ценой канала 10 не. Методику выделения полезных сигналов с FADC на фоне электронического шума, можно разделить на 3 этапа. На первом этапе — сигналы с FADC сглаживались с помощью двух последовательных цифровых фильтров по шести и тринадцати каналам FADC, соответственно. На втором этале — определялся пьедестал FADC в каждом событии и осуществлялся поиск полезных сигналов. И на третьем этале — вычислялись основные характеристики сигналов — заряд, начало сигнала и его конец, по которым отбирались события для статистического анализа. Условия отбора событий, описанные в этой главе, обеспечивают низкую примесь мюонов, остановившихся за пределами чувствительной области камеры или в непосредственной близости от катода или сетки. Примесь таких событий, как показано в работе, не привышает уровня 10"4.

В четвертой главе описывается методика статистической обработки экспериментальных данных и приводятся полученные результаты. Поглощение мюона ядром 3Не идет по трем каналам:

Скорость поглощения мюона по каналу образования тритона определялась по формуле

где — количество тритонов, И^е — количество мюонов, не захватив-шихся ядром, Ао = 0.45516 мкс-1 — скорость распада мюона. Тритоны считались в узком энергетическом окне (см. рис. 2). Фон под пиком тритонов

(1)

(2)

полностью связан с каналом развала ядра и определялся линейной интерполяцией. Основная поправка к скорости поглощения Л( составляет +6.45% и связала с ограничением времени появления тритона (< 6 мкс). Остальные поправки к Л(, рассмотренные в работе, связаны с потерей тритонов при отборе событий и составляют 0.74%.

Все источники ошибок, учтенные при определении А(, приведены в таблице, Статистическая ошибка А( равная 0.136%, связана с погрешностью

Таблица. Рассмотренные источники ошибок и вычисленные их значения для измеренной скорости

Статистические ошибки , %

1 Ошибка определения числа мюонов ±0.136 0.17

2 Ошибка определения числа тритонов ±0.100

Систематические ошибки , %

3 Ошибка определения количества фона под пиком тритона ±0.15 0.17

4 Ошибка поправок к числу тритонов ±0.07

5 Ошибка определения числа мюонов ±0.02

Неопределенности,связанные с кинетикой , %

6 Влияние квазистабильного 2з-уровня +0.16 0.22

7 Влияние переворота спина +0.16

определения количества шоонов. Эта ошибка возникает иэ-за необходимости пересчета остановившихся мюонов, чтобы не загружать излишней информацией аппаратуру. Основная систематическая ошибка связана с погрешностью интерполяции фона в энергетическом спектре вторых сигналов под пик тритонов (см. рис. 2) и составляет 0.15%. В результате эксперимента была набрана следующая статистика: количество тритонов — Nt = 1141263, количество пересчитанных мюонов с распадом — = 349479 (к — коэффициент пересчета). В эксперименте были использованы три коэффициента пересчета к=500, 1000 и 2000, с учетом которых полное количество мюонов равно — 374028500. Поправляя тритоны на 7.18% и используя формулу (2), для скорости поглощения получим:

А£ - 1496.2 ± 2.6(стат.) ±2.5(сис.) ±Ц (кин.) с-1.

Ошибка, связанная с кинетикой ±оо(кин.), вызвана экспериментальной погрешностью для скорости переворота спина в ls-состоянии и времени жизни 2э-состояния мезоиона (3Нер)+ и вычислена на основании данных этого же эксперимента. Если опираться на теорию, которая предсказывает скорость разрядки 2з-состояния Аг, = 30 мкс-1 [3], тогда эта ошибка перейдет в поправку к At, равную +1.4 с-1. Теория для скорости переворота спина в ls-состоянии дает пренебрежимо малое значение.

Кроме тритонов в эксперименте регистрировались и другие два канала поглощения /г. Скорость поглощения мюона по каналам развала Ль определялась также по формуле (2), однако процедура вычисления количества этих событий отличается от вычисления количества тритонов. Вторые сигналы для событий развала ядра отбирались в диапазоне времени 2.2-í-6 мкс, чтобы полностью исключить фон случайных совпадений от двойных и повторных мюонов. Эффективность регистрации каналов развала ядра камерой вычислялась экстраполяцией энергетического спектра вторых сигналов в нуль и составила Еь = 17±2%. В итоге для скорости поглощения по каналам развала было получено значение:

Ль = 632 ± 4(стат.) ± 14(сист.) с-1.

В этом же эксперименте проводились измерения скорости поглощения мюона ядром 4 Не, которое идет по трем каналам:

(t + n-h Uм

d + п + п . (3)

р + П+П + П+Рц

Все три канала имеют заряженную частицу, что позволяет регистрировать их ионизационной камерой. Процедура вычисления скорости поглощения по этим каналам была аналогична вычислению скорости поглощения по каналам развала 3Не. Эффективность регистрации каналов развала 4Не составила

£6("Не) = 12.0 ± 0.3(стаг.) ± 2.6(сист.) %.

Таким образом, для скорости поглощения мюона ядром 4Не получено значение:

Ль(4Не) = 383 ± 4(стат.) ± 10(сист.) с"1.

Все приведенные скорости поглощения мюона впервые измерены с высокой точностью одной методикой.

В пятой главе (Заключение) суммируются преимущества экспериментальной методики, позволившие измерить скорость поглощения мюона ядром 'Не с точностью 0.3%. Таковыми являются:

1) эффективное выделение остановок мюонов в чувствительной области камеры, изолированной от катода и сетки, с точностью лучше чем Ю-4.

2) 100% эффективность регистрации тритонов от захвата мюона ядром 3Не.

3) высокое энергетическое разрешение установки (ДВ = ЗОкэВ), позволяющее значительно снизить фоновое количество событий от канала развала ядра под пиком тритонов.

1) возможность определения в самом эксперименте параметров кинетики, влияющих на результат измерения, таких как скорость переворота спина в ls-состоянии и время жизни 2з-состояния мезоиопа 3Нец.

Основным результатом проведенных исследований стала скорость поглощение мюона по каналу образования тритона, измеренная с высокой точностью At = 1496 ± 4 с-1, и как следствие определение псевдоскалярного форм-фактора FP = 20.8 ±2.8 по плоту Fa(Fp), приведенному на рисунке 3. Значение для Fp в точности совпало с предсказанием РСАС, подтверждая правильность гипотезы и то, что q2 зависимость параметров Fp и приблизительно одинакова для малых значений q2.

Кроме основных результатов данной работы, приведенных в качестве защищаемых пунктов, в заключении приводятся также и другие результаты, которые появились как следствие представляемой работы: 1) На основе результата измерения A¡, в "микроскопическом" описании ядра 3Не, определен форм-фактор нуклона gp(q2) = 8.63 ± 1.53 [4], значение которого хорошо согласуется с теорией [2],[1]. Вычисления проведены в импульсном приближении с учетом обменных мезонных токов ядра. 2) На основании результата измерения А(, в работе [5] вычислен эффективный параметр 7г—3Не-3Н взаимодействия Ge¡* = 45.8 ± 2.4 . Точность Ge¡í в этих расчетах почти на порядок превосходит точность экспериментов по рассеянию 7г-мезонов на ядре 3Не-3Н.

3) Используя энергетический спектр тритонов (см. рис. 2), вычислена новая граница для примеси тяжелого мюонного нейтрино в диапазоне масс 28 - 40 МэВ [6].

Апробация работы. Результаты данной работы были доложены на следующих конференциях:

1) На 15-ой Европейской конференции по проблемам малонуклонных систем (Пенискола, Испания, 5-9 июня 1995),

2) На Международном симпозиуме по мюонному катализу и физике экзотических атомов и молекул (Дубна, 19-24 июня 1995 Россия),

3) На Международном симпозиуме по электро-слабым взаимодействиям и объединенным теориям (Морионд, Франция, 1998),

4) На Международном совещании по экзотическим атомам, молекулам и мюонному катализу (19-24 июль, 1998, Аскона, Швейцария).

Публикация результатов эксперимента. Результаты данной работы опубликованы в следующих изданиях:

1) D.V. Baiin et al., // Few-Body Systems Suppl. 8, Springer-Verlag, Wien (1995) 248.

2) D.V. Baiin et al., // Precision Measurement of Nuclear Muon Capture by 3He, Preprint 2067 (1995), PNPI, Russia, Gatchina, p. 12.

3) A.A. Vorobyov et al., // Hyperfine Interactions 101/102 (1996) 413.

4) P. Ackerbauer et al., // Preprint PSI-PR-97-21 (August 1997) p. 13.

5) P. Ackerbauer et al., // Phys. Lett. B417 (1998) 224.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Впервые для исследования реакции поглощения мюона ядрами 3 Не С Не) применена ионизационная камера высокого давления, служащая одновременно мишенью и детектором остановившихся мюонов и заряженных продуктов реакций поглощения. Методика обеспечивает высокую эффективность и прецизионность в измерении скорости поглощения. С помощью созданной в ПИЯФ экспериментальной установки выполнены измерения скорости поглощения мюона ядрами 3Не и 4Нё на пучке Швейцарской мезонной фабрики.

2. Измерена скорость поглощения мюона ядром 3Не по каналу образования тритона: +3 Не £ + Результат измерения: А{ = (1496 ± 4) с-1. Достигнутая точность измерения более чем на порядок превзошла точность предыдущих экспериментов.

3. Показано экспериментально, что скорость разрядки 2э - метастабиль-ного состояния в мезоатоме 3Не/х в условиях данного эксперимента высока {т2з < 48нс) и, наоборот, скорость перехода между состояниями мезоатома Г=0 —» Г=1 мала (г > 0.15мкс). Эти результаты доказывают, что измеренное значение А{ соответствует статистической заселенности уровней сверхтонкой структуры 3Не/х - атома.

4. Прецизионное измерение скорости ц - захвата А1 позволило надежно определить значение псевдоскалярного форм-фактора слабого заряженного тока Рр для изотопического дублета 3Не - 3Н: ^р(^) = 20.8 ± 2.8

= —0.954тд). Эта величина оказалась в точном соответствии с предсказанием, основанном на гипотезе частичного сохранения аксиального тока (РСАС): = 20.7.

5. Измеренное значение А» оказалось на 30% выше скорости поглощения мюона на ядре 3Не, вычисленной в импульсном приближении, что указывает на большую роль мезонных токов в этом процессе. В последних теоретеческих расчетах, учитывающих мезонные токи в ядре 3Не, удалось добиться хорошего согласия с полученном в диссертации значением скорости А».

6. Измерены скорости поглощения мюона ядрами 3Не и 4Не по каналам развала этих ядер, с точностью в 10 и 4 раза (соответственно^ превышающую точность предыдущих экспериментов:

Аь(3Не) = 632 ± 15 с"1, Аь(4Яе) = 383 ± 11 с-1.

30 си _1

=9 к

и

I

Вакуум

в2\

Не(120ати)

м / в-

ик /

2 .Ж.в

ПУ ик 1-14

ПУ Ъ2

-э ПУ 51

ПУ е

1-5

Рисунок 1: Схема экспериментальной установки. Обозначения: ИК — ионизационная камера (1, 2, 3, 4 — катод, сетка, анод, беррилевое окно); 5 — охранный объем; и Б2 — мониторные счетчики; К — коллиматор пучка; Е — электронные счетчики; N — нейтронные счетчики; ПУ — предусилители.

Энергия ( 1 канал = 1.6 кэВ )

Рисунок 2: Энергетический спектр сигпалов от продуктов поглощения мюона гдром 3Не, соответствующих основному типу событий, в которых трек от гритона полностью уложился на одном аноде.

Рисунок 3: Ограничения на возможные значения аксиального ^ и псевдоскалярного Гр форм-факторов. Коридор из сплошных кривых— это результат измеренной нами Л4 с учетом только ошибки эксперимента (±1ст), пунктиром показано,как расширяется коридор,если учесть ошибки Ру и Рм. Вертикаль-' ные линии — экстраполяция для Ра из ¡3-распада 3Н. Горизонтальная линия соответствует гипотезе частичного сохранения аксиального тока (РСАС).

Список литературы

[1] H.W.Fearing и др. // Phys.Rev. D56(1997)1783.

[2] V.Bernard п др. // Phys.Rev. D50(1994)6899.

[3] L.I.Menshikov и др.,// Z.Phys.D-Atoms,Molecules and Clusters 7 (1987) 203-211.

[4] J.G.Congleton, E.Trulilik. // Phys.Rev. 053(1996)956.

[5] N.C. Mukhopadhyay and K. Junker, PSI-PR-95-Зб RPI-96-N112 (Nov.1996).

[6] W. Schott и др., // Hyperfine Interactions 101/102 (1996) 445-449.

Сс" /

/ /./■ ' ' ..' /

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б. П. КОНСТАНТИНОВА

УДК 539.17 На правах рукописи

ВОРОПАЕВ Николай Иванович

ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ МЮОНА

ЯДРАМИ 3Не и 4Не

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители —

доктор физико-математических наук, профессор, член-корр. РАН

А.А.ВОРОБЬЕВ.

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Г.Г.СЕМЕНЧУК,

Санкт-Петербург 1998

Предисловие

Представляемая диссертация появилась в результате выполнения научно-исследовательской работы (НИР) Отдела Физики Высоких Энергий (ОФВЭ) Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ). Работа явилась завершением усилий большой группы людей, объединившихся в международную коллаборацию (Россия, США, Швейцария, Австрия, Германия, Бельгия) в 1987 году для изучения физики мезоатомных процессов и, в частности, физики мюонного катализа dd и dt синтеза. Основой экспериментальной установки стала спектрометрическая многоанодная ионизационная камера высокого давления с сеткой (ИК), созданная в Ленинградском институте ядерной физики (ЛИЯФ) в период 1980-1983 годов. Работа ИК была опробована на ускорителе ЛИЯФ при изучении мюонного катализа в различных смесях изотопов водорода и продемонстрировала свои уникальные возможности, которые заключаются в 100% эффективности регистрации заряженных частиц, хорошем энергетическом разрешении ~ 50 кэВ и в возможности выделять объем остановок мюона в чувствительной области ИК с точностью ~ Ю-4. Уникальная установка в сочетании с самым интенсивным в мире пучком Швейцарской мезонной фабрики дали возможность изучения процесса поглощения отрицательного мюона ядром гелия на качественно новом уровне. Измерения были выполнены летом 1993 г. на пучке цЕ4 канала ускорителя Paul Sherrer Institut (PSI) в Швейцарии. Результаты настоящей работы докладывались на четырех международных конференциях [1, 2, 3, 4] и опубликованы в работах [5, б, 7].

Предлагаемая диссертация состоит из 5 глав, которые включают в себя 12 таблиц и 24 рисунка. Первая глава (Введение) посвящена обзору теоретических и экспериментальных работ в области поглощения мюона ядрами. Во второй главе описывается установка, которая была разработана и создана специально для проведения этого эксперимента. В третьей главе описывается методика работы с флаш-ADC (FADC) и логика отбора полезных событий для статистического анализа. В четвертой главе подробно излагается статистический анализ экспериментальных данных и приводятся полученные результаты. Здесь же приведены вычисления поправок и ошибок к значению скорости поглощения. В пятой главе подводится итог выполненной работы: приводятся результаты теоретического анализа данных эксперимента и выдвигаются пункты диссертации для защиты.

Основные усилия автора были сосредоточены на разработке анодного блока ИК, на проведении сеансов набора данных на пучке, на разработке методики отбора полезных событий, набранных в эксперименте, на анализе данных и получении результатов, приведенных в работе. Основные принципы отбора полезных событий с многоанодной ИК были развиты автором в работе по мюонному катализу [8], на основании оригинальной работы [9].

Содержание

1 Обзор теоретических и экспериментальных результатов исследования процесса поглощения мюона ядрами 4

1.1 Теория..................................................................4

1.1.1 Поглощение мюона протоном................................4

1.1.2 Поглощение //"" ядром 3Не..................................8

1.1.3 Кинетика мезоатомных процессов в газообразном гелии 10

1.2 Эксперименты......................................12

1.2.1 Поглощение мюона протоном..........................12

1.2.2 Поглощение мюона ядром гелия............................13

1.2.3 Поглощение мюона тяжелыми ядрами....................14

1.3 Постановка задачи....................................................15

2 Описание экспериментальной установки 16

2.1 Детекторы.................................16

2.2 Электроника...........................................18

3 Анализ информации с ИК и отбор полезных событий 23

3.1 Отбор событий, во время эксперимента............................23

3.2 Анализ информации с ЕАБС........................................24

3.2.1 Цифровая фильтрация шумов..............................24

3.2.2 Выделение сигналов на фоне шума .......................24

3.3 Отбор событий, набранных в эксперименте ......................26

4 Статистический анализ отобранных событий 42

4.1 Определение скорости поглощения рГ ядром 3Не по каналу образования тритона, Аг..............................................42

4.2 Вычисление поправок к Л4 ..........................................45

4.3 Определение точности измерения ................................49

4.3.1 Статистические ошибки ....................................49

4.3.2 Систематические ошибки....................................51

4.3.3 Вычисление скоростей процессов кинетики................54

4.4 Определение скорости поглощения мюона ядром 3Не по каналам развала ядра А*,..................................................61

4.4.1 Определение фона случайных совпадений ................61

4.4.2 Результаты анализа событий развала ядра 3Не..........62

4.5 Определение скорости поглощения мюона ядром 4Не............64

5 Обсуждение результатов 76

Глава 1

Обзор теоретических и экспериментальных результатов исследования процесса поглощения мюона ядрами

1.1 Теория

1.1.1 Поглощение мюона протоном

Явление поглощения отрицательного мюона (//") ядром, открытое более 40 лет назад, позволяет получить уникальную информацию о структуре ядра в рамках теории слабого взаимодействия (Стандартной Модели). Для начала рассмотрим простейшую ситуацию — поглощение мюона свободным и кварком. Этот процесс характеризуется чисто лептонным взаимодействием, а его ток записывается в простой V — А форме:

■</|^|»> = - 7бК)( 2 ,1 2 - ъ)и„), (1.1)

<7 "Г ТП\у

где д — константа слабого взаимодействия; Уи,1 — ис! элемент матрицы Кобояши-Маскава-Каббибо; тпцг — масса \У-бозона; и — Дираковский спинор для кварков и лептонов; <?2 — переданный 4-импульс; 7 — матрицы Дирака. Переходя от кварка к протону, который не является истинно элементарной частицей, необходимо учесть структуру последнего. Для этого слабый ток процесса поглощения мюона протоном ¡л~ +р —> п + у^ (см. рис.

1.1) параметризуется шестью форм-факторами и имеет следующий вид:

(ПШР) = + + + 9АЪЪ + + ^ •

(1.2)

В этом выражении, щ(иу) — Дираковский спинор для протона (нейтрона), I — изоспиновый оператор понижения, М = (Мп + Мр). Шесть слагаемых выражения (1.2) пропорциональны форм-факторам: скалярному (дв), векторному (ду), магнитному {дм), аксиальному (дл), псевдоскалярному (дР) и тензорному (дт), которые являются функциями квадрата переданного 4-импульса (¡2. Для процесса поглощения мюона протоном д2 = $ = —0.88пг^. Слабый ток выражения (1.2) можно разложить на две составляющие: У^

w

Рисунок 1.1: ) из кварков протона.

иис1

Фейнмана для процесса поглощения мюона одним

— векторный ток (слагаемые с дз, ду и дм) и А^ — аксиальный ток (слагаемые с дд, др и дт)- Слагаемые с дл, др, дм и ду называют током первого рода, а слагаемые с д$ и дт током второго рода. Теоретические и экспериментальные усилия, направленные на определение токов второго рода, приводят к заключению, что либо таковые отсутствуют в природе, либо они пренебрежимо малы по отношению к токам первого рода. Так, например, в работе [10] показано, что отношения дв/ду и дт/дл не превышают 1 — 2%. Поэтому можно считать, что подавляющий вклад в процесс поглощения вносят форм-факторы первого рода, хотя вопрос количественного определения <7я и дт остается открытым. Теоретические расчеты, способные предсказать значения форм-факторов дм, ду и да, отсутствуют. Однако, указанные форм-факторы хорошо изучены экспериментально. Первые два из них, магнитный и векторный, в силу гипотезы о сохранении векторного тока (СУС)

9^ = 0,

равны соответствующим форм-факторам электромагнитного тока. CVC является следствием другой гипотезы, которая впервые была высказана Гер-штейном и Зельдовичем в 1958 году: при повороте в изоспиновом пространстве адронный векторный ток слабого взаимодействия заменяется на изовек-торную компоненту электромагнитного тока.

Форм-факторы электромагнитного тока хорошо изучены в экспериментах по рассеянию электронов на нуклоне, и для квадрата переданного 4-импульса <7о имеют следующие значения [11]:

дм(д2о) = 3.582(3), gv(q2o) = 0.9755(5) .

Что касается аксиального форм-фактора, его q2 — зависимость изучена в экспериментах по квазиупругому рассеянию антинейтрино на протоне, ТТ^р —> ß+n [12]. Результаты этих экспериментов дают следующую зависимость:

( 2\ _ Ы0)

9Aq > - (1 - g2/Mi)2 '

где М\ = 1.08 ± 0.04 ГэВ2. Значение аксиального форм-фактора при q2 = 0 определяется по времени жизни нейтрона [13], <7л(<?2 = 0) = 1.2601(25). Для переданного 4-импульса q2 = q2 получим следующее значение аксиального форм-фактора: gA(qо) = 1.238(3).

Псевдоскалярный форм-фактор нуклона

В противоположность форм-факторам нуклона ду , дм и дл, описанным выше, псевдоскалярный форм-фактор дР экспериментально не изучен. Повышенный интерес к др вызван еще и тем, что измерение этого форм-фактора дает возможность проверки теории, основанной на идее киральной симметрии сильного взаимодействия. Киральным преобразованием называют вращение в изотопическом пространстве независимо левых и правых кварковых состояний. Реализуется такое вращение добавлением к кварку поля псевдоскалярного мезона (Гоулдстоновского бозона). Лагранжиан, инвариантный относительно такого преобразования, называется кирально симметричным. Киральная симметрия является не строгой, так как существующий в природе кандидат на роль кванта поля псевдоскалярных мезонов, 7г-мезон, имеет массу. Киральная симметрия связана со свойствами сильного взаимодействия и является одной из самых фундаментальных симметрий в квантовой хромодинамике. Как известно, любая симметрия Лагранжиана связана с законом сохранения. С киральной симметрией связан закон сохранения аксиального тока (САС), аналогично тому, как симметрия при вращении в изотопическом пространстве без изменения четности связана с законом сохранения векторного тока (CVC). Однако в отличие от CVC, сохранение аксиального тока не является строгим, потому что киральная симметрия

является приближенной. Наличие массы у 7г-мезона приводит к закону частичного сохранения аксиального тока (РСАС):

д^А* = афп,

где а — постоянная, а фж — псевдоскалярное поле. Впервые гипотеза РСАС была выдвинута в работе [14]. Одним из важных следствий РСАС является выражение, связывающее форм-факторы дл и др, которое имеет следующий вид:

дррслс{д2) = тц(Мп + Мр) дле) {1 + (1 3)

тп Я

е(<?) - £¿/1 - 9Ля2)/дЛ0)} (141

£{д)--д*{1 дА(я2)/9л( 0)}- (1-4)

Здесь <?тг(#2) — параметр пион-нуклонной связи. В предположении одинаковой ^-зависимости дп и дл член е исчезает, и мы имеем возможность вычислить дрСАС. Так, при переданном 4-импульсе ц^ псевдоскалярный форм-фактор нуклона равен [15]

САС{Я1) = 8-12 .

Этот результат согласуется с выводом киральной теории возмущения в квантовой хромодинамике:

дР{я1) = 8.21 ± 0.09 [16], др(я20) = 8.44 ± 0.23 [17] ,

что свидетельствует о малости члена е в выражении (1.3), < 1%.

Возможности измерения дР

Наличие прецизионной теоретической информации о форм-факторе др делает особенно привлекательным экспериментальные результаты по измерению последнего. Однако, наиболее чувствительный метод определения др — исследование процесса поглощения [Г протоном, сталкивается с непреодолимыми на сегодня экспериментальными трудностями.

Существуют две возможности изучения поглощения мюона протоном, это измерение обычной скорости поглощения мюона (ОМС):

+ р П + 1/ц

и измерение скорости радиационного поглощения мюона протоном (ЯМС):

ц~ +р п + 1/р + 7 .

Величина Агс в 3 раза чувствительнее к др, чем скорость обычного поглощения. Однако ничтожно малая вероятность этого канала (Ю-8), значительно усложняет измерения. Для измерения Ас существуют два метода:

1. Измерение отношения количества мюонов, остановившихся в водороде, к количеству нейтронов с энергией 5 МэВ, появившихся после них.

2. Измерение разности времен жизни остановившихся в водороде /л+ и Первый способ связан с необходимостью знать эффективность регистрации нейтрона, что ограничивает его точность до уровня 5 — 10%. Второй способ связан с набором огромной статистики, так как необходимо измерить "малую" величину скорости поглощения Лс ~ 600с-1 на фоне "большой" величины скорости распада мюона Л0 = 455160 с-1. Для того, что бы измерить Лс с точностью 1%, необходимо наблюдать Ю10 распадов мюона. С появлением мезонных фабрик такая статистика стала доступна для экспериментатора. Однако другие проблемы, связанные с неопределенностью мезо-молекулярных процессов в водороде, экстремальные требования к чистоте водорода и необходимость в калибровке измерительной аппаратуры с точностью Ю-5 делают и этот метод трудно реализуемым.

1.1.2 Поглощение ц ядром 3Не

Поглощение мюона ядром 3Не идет по трем каналам:

'Не + ц-

' г + ^ (70%)

сг + п + 1/д (20%) . (1.5)

р + п + п + и^ (10%)

Реакция поглощения с образованием тритона (с энергией 1.9 МэВ) является хорошим аналогом реакции поглощения мюона протоном, при этом квадрат переданного 4-импульса равен = — 0.94ш^. В Подходе Элементарной Частицы (ЕРМ), развитой в работе [18], ядра (3Не, 3Н) рассматриваются как элементарные частицы, члены одного изотопического дублета, подобного дублету (р, п). Слабый ток ядра (3Не, 3Н) параметризуется так же, как в случае нуклона, шестью форм-факторами Ру, Рм, Ра, Рт- Пренебрегая токами второго рода, запишем выражение для слабого тока ядра:

</lJi.lt> = + + + ^75Н • (1-6)

¿М з

Векторный форм-фактор Ру и магнитный Рм, аналогично ду и дм, измеряются в экспериментах по упругому рассеянию электронов на ядрах 3Не и 3Н и имеют следующие значения [20]:

= 0.834(11), ^м(^) = -13.969(52) .

Необходимо отметить, что точность этих измерений на порядок хуже, чем точность аналогичных измерений нуклонных форм-факторов. Аксиальный форм-фактор Ра измерен только в одной точке, при = 0, по времени жизни тритона [20]:

ЗД2 = 0) = 1.211(5) .

Из-за отсутствия экспериментов по квазиупругому рассеянию антинейтрино на ядре 3Не, ^-зависимость Ра не изучена. Экстраполяция аксиального форм-фактора в точку = #1, проделанная в работе [20], приводит к следующему результату:

^(9?) = 1.052(10) .

Ошибка здесь связана с теоретическими неопределенностями при экстраполяции. Таким образом, вопрос об экспериментальном определении Ра{<Ц) с точностью лучше 1% остается актуальным. Отметим, что аналогичный форм-фактор нуклона известен с точностью 0.2%. Переходя к псевдоскалярному форм-фактору ^р, который экспериментально не изучен, вычислим его на основании выражения РСАС:

А = ГП^Мгн + М*Не) . ^ „ {1 + ф2)}> (1 7)

т£ — дг

Здесь Р7Г(д2) — параметр ж - 3Не-3Н связи. В предположении одинаковой д2-зависимости параметра Рп и форм-фактора Ра член е исчезает, и мы имеем возможность вычислить Рр, используя результат экстраполяции Ра-

РрСАС{й\) = 20.7(2) .

В ошибку здесь включена только неопределенность экстраполяции РА и не включена неопределенность, связанная с отброшенным членом е. В работе [21] приведены оценочные расчеты фактора е, которые показали, что е ~ — 5%. В связи с отсутствием прецизионной теории ядра, предсказать Fp на основании нуклонного форм-фактора др, строго говоря, невозможно. Однако существуют такие вычисления, выполненные в импульсном приближении с учетом мезонных токов ядра [19]. Из этих вычислений следует, что скорости поглощения мюона ядром 3Не At = 1496 с-1, измеренной в настоящей работе, соответствуют следующие значения форм-факторов:

др(до) = 8.53 и ЗД2) = 20.8 .

Возможности измерения Рр

Рассмотрим две возможности экспериментального определения Рр:

1. Измерение полной скорости поглощения мюона по каналу образования тритона — Xt.

2. Измерение А„ — векторной анализирующей способности процесса поглощения мюона ядром 3Не.

Чувствительность величины РР к точности измеряемых величин \ и А„ при фиксированных значениях других форм-факторов составляет

луд,

-0.116 и

А Аи/Аи AFp/Fp

-0.377 .

Однако существующие ошибки измерения форм-факторов Ру, Рм и Ра дают ограничение на точность определения .Рр. Так, при фиксированном значении Аг, ошибка определения .Рр, вызванная неопределенностями в форм-факторах ¿V и равна Ау,м-Рр = 8%, а ошибка, связанная с аппроксимацией ^д, равна Дл-Рр = 13%.

1.1.3 Кинетика мезоатомных процессов в газообразном гелии

Кинетику мезоатомных процессов в газообразном гелии, при попадании в него быстрого отрицательного мюона, можно разделить на три независимые части. Во-первых, мюон с энергией З-т-5 МэВ замедляется до энергии 1—2 эВ. После этого рГ захватывается атомом гелия, образуя мезоион (3Нец)+ в возбужденном состоянии с п ~ 14, где п — главное квантовое число состояния. Замедление и захват мюона происходят за время ~ Ю-9 с. Второй этап кинетики — это каскад переходов в мезоионе (3Яе/х)+ в состояния с меньшим п, приводящий мезоион в основное 15 состояние. До п ~ 4 каскад идет в основном за счет Оже-переходов, далее до состояния, в основном, за счет радиационных переходов. Отметим, что в процессе каскада