Проверка правила Окубо-Цвейга-Иизуки в рождении Ø (1020)- F12 (1525)- мезонов при аннигиляции остановившихся антипротонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ПРАХОВ Сергей Николаевич

ПРОВЕРКА ПРАВИЛА ОКУБО-ЦВЕИГА-ИИЗУКИ В РОЖДЕНИИ 0(1020)- И /¿(1525)-МЕЗОНОВ ПРИ АННИГИЛЯЦИИ ОСТАНОВИВШИХСЯ АНТИПРОТОНОВ

Специальность: 01.04.16 - Физика ядра и элементарных частиц.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

ведущий научный сотрудник М.Г.Сапожников

Дубна 1998

й

Оглавление

Введение 3

1 Экспериментальная устанока 13

1.1 Пучки LEAR......................................................................13

1.2 Спектрометр OBELIX......................................................13

1.2.1 Основные характеристики установки..................................13

1.2.2 Магнит..............................................14

1.2.3 Спирально-проекционная камера ......................................14

1.2.4 Цилиндрическая дрейфовая камера....................................17

1.2.5 Времяпролетная система................................................20

1.2.6 Гамма-детектор высокого углового разрешения......................21

2 Изучение рождения ф- и ш-мезонов в аннигиляции покоящихся антипротонов в газообразном дейтерии при нормальных условиях 24

2.1 Организация системы сбора данных, триггер................................25

2.1.1 Специализированный триггер на ^»-мезон..............................25

2.1.2 Выделение аннигиляции антипротонов в газе дейтерия..............25

2.1.3 Определение эффективности и параметров триггера................28

2.2 Оценка числа исходных аннигиляций для данных с ^-триггером..........34

2.3 Возможность выделения реакций с ф- и а>-мезоном в зависимости от импульса протона....................................................................35

2.4 Анализ реакции pd —> фп~р3 (Рр < 200 МэВ/с)..............................35

2.4.1 Выделение полезных событий и оценка возможного фона............35

2.4.2 Описание фитирующей процедуры ....................................40

2.4.3 Моделирование реакции pd -» фп~р3 ..................................41

2.5 Измерение реакции pd —> фп~р (Рр > 400 МэВ/с) ..........................44

2.6 Измерение реакции pd -» и>тт~р (Рр > 400 МэВ/с)..........................46

2.7 Вероятности аннигиляции по каналам фж~ и илг"............................48

2.8 Отношение выходов фтг~/а>7г~ и величина нарушения правила ОЦИ ... 50

2.9 Выводы............................................................................51

3 Изучение рождения фтт° и фг) в аннигиляции покоящихся антипротонов

в газообразном водороде при нормальных условиях 53

3.1 Организация системы сбора данных, триггер................................53

3.2 Выделение реакции рр —К+К~Х (X - нейтральные частицы)............54

3.3 Анализ реакции рр —> </>7г°........................................................57

3.4 Анализ реакции рр —» фг}........................................................61

3.5 Выводы............................................................................66

4 Изучение рождения 0(1020)- и /2(1525)-мезонов в рр-аннигиляции в покое

при различных плотностях водородной мишени 68

4.1 Наборы полезных данных; вклады возможных фонов........................69

4.2 Парциально-волновой анализ реакции рр —> К+К~7г° ......................74

4.3 Вычисление абсолютных вероятностей рр-аннигиляции....................78

4.4 Обсуждение результатов анализа реакции рр —К+К~тт°..................81

4.4.1 Вероятность рождения фтг° при аннигиляции из начальных состояний и 1Рг ............................................................83

4.4.2 Определение отношения вероятностей аннигиляции

ЩР /2(1525)тг° / рр /2(1270)7г°) из 5- и Р-волны..............85

4.4.3 Вероятности аннигиляции по каналу рр —> /Г* (890) А"..............88

4.5 Выводы............................................................................89

Заключение 92

Список литературы 97

Введение

Недавние исследования, выполненные на ускорителе LEAR в ЦЕРН [1], по изучению выхода ^»-мезонов в аннигиляции антипротонов, остановившихся в водородной мишени, показали значительное (в ~ 30 50 раз) нарушение правила Окубо-Цвейга-Иизуки (ОЦИ) [2] . Последние годы на установке OBELIX (LEAR, ЦЕРН) был проведен ряд экспериментов, посвященных дальнейшему изучению этой актуальной проблемы, связанной с проверкой выполнения правила ОЦИ в NN-аннигиляции. Настоящая диссертационная работа посвящена анализу некоторых из этих экспериментов коллаборации OBELIX, в которых правило ОЦИ проверялось в аннигиляции остановившихся антипротонов.

Обычно правило ОЦИ формулируют как подавление процессов, описываемых диаграммами с разрывными кварковыми линиями (см. Рис. 1а). Это правило успешно объясняет узкие ширины и относительные вероятности распадных каналов для мезонов, состоящих из пар ss-, ос- и Ьб-кварков. Оно также описывает множество других процессов с разрывными кварковыми линиями [3]. Рождение ^»-мезонов является одним из наиболее чувствительных способов проверки выполнения правила ОЦИ, т.к. <?!ъмезон является почти чистым состоянием ss, включающим только малую примесь легких кварков. При отсутствии странных кварков в нуклоне рождению 0-мезонов в ÑN аннигиляции должна соответствовать диаграмма, подобная изображенной на Рис. 1а) , и рождение ф-мезонов через подобный процесс будет подавлено согласно правилу ОЦИ. Образованию о>-мезона, состоящего только из легких кварков, соответствует диаграмма, изображенная на Рис. lb) , и согласно правилу ОЦИ такой процесс разрешен.

Для оценки степени подавления рождения ^-мезонов полезно сформулировать правило ОЦИ в виде, предложенном Окубо [4] . Пусть происходит образование ^-состояния во взаимодействии адронов

А + В—>C + qq {q = u,d,s) , (1)

где адроны А, В и С состоят только из легких кварков, и и d. Тогда правило ОЦИ можно записать так:

~ _V2M(A + B->C + ss)_

М(А + В ^С + йи) + М(А + B-±C + dd) ' { }

где М(А + В —> С + qq) - матричный элемент амплитуды соответствующих процессов. Согласно этой формуле, <Д-мезон, являвшийся бы чистым ^-состоянием, не мог бы рог ждаться при взаимодействии обычных адронов. Отклонение параметра Z от нуля означало бы нарушение правила ОЦИ, а значение Z отражало бы степень такого нарушения.

Однако, ф и и> являются членами 5'С/(3)-нонета векторных мезонов (,JP = 1~), оба имеют одинаковые квантовые числа и образуются при смешивании октета tug и синглета ujq на угол в :

ф = о>о sind — uj8 cosO , (3)

и-

и

а)

Ъ)

Рис. 1: Стандартные кварковые диаграммы образования (а) ф- и (Ь) tu-мезонов в р'р-аннигиляции.

№ — CJg Sind + UJq COSÖ ,

где

u>o = (ий + dd + ss)/л/3 , (4)

иg = (ий + dd — 2ss) /л/б .

Тогда, если sindi = 1/\/3 (т.е. угол смешивания « 35.3°), из преобразованных уравнений (3)

Ф = ^(^о - л/2Ш8) , (5)

О! = + V2w8) ,

подставляя выражения (4), получаем "идеальное смешивание"

Ф = SS , (б)

и> = (uü + dd)/V2,

когда ф является чистым состоянием из странных кварков, а w - из легких и- и d-кварков.

В реальности для векторных мезонов угол смешивания в немного отличается от идеального вг: согласно квадратичной массовой формуле Гелл-Манна-Окубо 9 = 39°, а согласно линейной - в = 36° [5]. В результате этого ф-мезон может рождаться в адронных взаимодействиях благодаря небольшой примеси легких кварков в его волновой функции.

Переписав уравнение (2) в виде, отражающем отношение выходов ф- и си-мезонов,

M (А + В С + ф) _ Z + tan(fl - dj) (7)

M (А + В + 1 -Z tan(0 - 9i) ' U

можно получить значение этого отношения для случая выполнения правила ОЦИ, т.е. при Z=0,

где / - кинематический фактор, отражающий разность фазовых объемов для реакций, сравниваемых в данном отношении. При / = 1 получаем следующие предсказания для величины R :

R= 4.2 • 1СГ3 для квадратичной массовой формулы , (9)

R = 0.15 • 10~3 для линейной массовой формулы .

Таким образом, благодаря почти идеальному смешиванию векторных мезонов (5 = 9 — 9i ~ 1 -т- 3°), отношение ф/ш из выражения (7) весьма мало при Z=0 . Экспериментальное же измерение этого отношения может служить способом проверки выполнения правила ОЦИ (т.е. вычисление параметра Z) в адронных взаимодействиях.

Имевшиеся к настоящему моменту, экспериментальные данные по irp-, рр- и рр-взаимодействию на лету (см. [4, б, 7, 8, 9, 10]) показывали достаточно хорошее согласие с предсказаниями правила ОЦИ, которое нарушалось не более чем на 6-=-10% (t.e.|Z| < 0.06 4- 0.10), а отношение R из формулы (8) не превышало (10 20) • 10~3 . В тоже время, первые эксперименты на пузырьковых камерах [11, 12, 13, 14, 15] по изучению ^(¿-аннигиляции в покое указали на наличие неожиданно сильного отклонения от правила ОЦИ, R = (83 ± 25) • Ю-3, в одном из каналов рождения ф-мезона, а именно в рп —» фтт~ . Однако, наибольшая набранная при этом экспериментальная статистика (см. [11]) составляла только 54 события фтт~ и не позволяла сделать каких-либо окончательных выводов.

Запуск в 1983 году нового накопительно-ускорительного комплекса LEAR в ЦЕРН, впервые обеспечившего высокоинтенсивные монохроматические пучки антипротонов низких энергий, способствовал активному изучению /ViV-аннигиляции в низкоэнергетической области. Интересные результаты были получены уже в одном из первых экспериментов на LEAR, который был сделан коллаборацией ASTERIX [1] по изучению выполнения правила ОЦИ через относительное рождение фХ- и шХ-систем (где X — 7Г°, г], cu, р, 7г+7г~) в рр-аннигиляции в покое. Степень нарушения правила ОЦИ оказалась сильно зависящей от X: так для X = 7Г° это нарушение превысило предсказание ОЦИ в ~ 30 раз, а для X = r¡, cu не было наблюдено какого-либо значимого превышения теоретического значения R из выражений (9). Кроме того, в [1] была замечена сильная зависимость выхода 0-мезонов от начального состояния рр-системы. Так рождение 07Г°-системы, разрешенное согласно сохранению С-четности из двух рр-начальных состояний, 3S\ и xPi, было обнаружено только в аннигиляции из ¿"-волны. Полученные

вероятности аннигиляции соответственно равны: S — волна) = (4.0 ± 0.8) • Ю-4

и ]¥(фп°, Р — волна) = (0.3 ± 0.3) • Ю-4 . Следует однако отметить, что ненаблюдение событий фтт0 из Р-волны было зарегистрировало на достаточно небольшой статистике, и этот результат требовал дополнительного экспериментального подтверждения.

В последние годы на пучках LEAR коллаборации OBELIX и CRYSTAL BARREL активно осуществляли всестороннюю проверку выполнения правила ОЦИ. Полученные ими результаты подтвердили наличие сильного нарушения правила ОЦИ в некоторых каналах TViV-аннигиляции. Основным же преимуществом детектора OBELIX, по сравнению с CRYSTAL BARREL, являлась возможность использования водородной мишени в диапазоне плотностей от жидкого состояния до давления в несколько милибар. Это позволяет исследовать рр-аннигиляцию с преимущественным рождением только из S-(жидкий водород) или из Р-волны (водород при низком давлении).

Для объяснения столь необычных экспериментальных результатов в рождении ф-мезонов, связанных с нарушением правила ОЦИ, было предложено несколько теоретических объяснений. Однако, можно показать, что не все из них способны объяснить всю совокупность полученных экспериментальных данных.

Согласно [16], существование некоторого резонанса в системе фтт с массой близкой к сумме масс двух нуклонов и квантовыми числами 1 = 1, Jpc = 1 приводило бы к усилению выхода данного конечного состояния при iViV-аннигиляции из .S-волны и ослаблению из Р-волны. Кандидатом в такие резонансы мог бы служить экзотический мезон С(1480), наблюденный как фтт0 пик в реакции тг"р —> К+К~тт° при импульсе пучка 32.5 ГэВ/с [17]. Однако подобный резонанс не объясняет значительное нарушение правила ОЦИ при рождении ф'у состояния [18]. Кроме того, согласно [1, 19], не зарегистрировано прямого рождения С-мезона по распаду в ф-к при iViV-аннигиляции .

Другим возможным объяснением усиления выхода фтт могло бы быть образование этой системы через взаимодействие двух каонов в конечном состоянии в реакции рр -» К*К + К*К —> ККтт —> ф-к , которая не запрещена правилом ОЦИ (см. [20, 21]). Более того, из предыдущих измерений (см. например [18]) известно, что в конечном состоянии ККгт доминирует канал К*К + К*К . Однако, необходимо отметить, что перерассеяние в состояние фтт может идти только из начального состояния с изоспином I = 1, в то время как состояние К* К разрешено из обоих изоспинов: 0 и 1 . Численные расчеты вероятности рождения системы фи через различные разрешенные промежуточные состояния, проведенные в [20, 21], показывают также, что экспериментальные результаты превышают расчетные в 2^-6 или даже более раз. Однако, все эти расчеты справедливы для аннигиляции из ¿"-волны. Дело в том, что, так как выход К*К из Р-волны не был ранее измерен, невозможно было оценить вероятность рождения фтт в Р-волне через данное промежуточное состояние.

Для объяснения сильного нарушения правила ОЦИ при рождении (/»-мезонов в TV TV-аннигиляции была предложена модель, предполагающая наличие внутренней поляризованной странности в нуклоне [22, 23]. Согласно этой модели, волновая функция нуклона содержит небольшую примесь поляризованных ss-кварков. На саму возможность поля-

ризации странного моря нуклонов указывают результаты последних экспериментов по г л у боконеупрутому рассеянию лептонов (см., например, [24]). В этом случае рождение 0-мезона может происходить через диаграммы с неразрывными кварковыми линиями, т.е. без нарушения правила ОЦИ, и, кроме того, вероятность рождения будет зависеть не только от величины примеси странности в нуклоне, но и от квантовых чисел начального состояния АГЛГ-системы. На Рис. 2 показаны возможные диаграммы рождения 0-мезона в А^-аннигиляции из спинового триплета (спины нуклонов параллельны) ц синглета (спины нуклонов противоположны) при наличии поляризованной странности в нуклоне. Здесь также использован тот факт, что, согласно экспериментам по глубо-конеупругому рассеянию, спин обоих странных кварков с большой вероятностью направлен в противоположную сторону от спина нуклона. Тогда, при сохранении поляризации странных кварков во время нуклонного взаимодействия получаем параллельную ориентацию спинов странных кварков в конечном состоянии (т.е. 5=1) для случая спинового триплета и противоположную ориентацию (т.е. 5= 0) для спинового синглета. Если орбитальный момент Ь конечной йз-пары совпадает с орбитальным моментом начального N N-cocтoянжя, то из начального состояния 35,1 образуется з«-пара с квантовыми числами 5'=1 и Ь=0, соответствующая собственному состоянию - 1 ф-мезона. В тоже время, яй-пара, образовавшаяся из синглета гР\) будет иметь квантовые числа »5=0 и Ь=1, которые не соответствуют 0-мезону. Аналогичные рассуждения верны и для других каналов аннигиляции с 0-мезоном. Модель поляризованной странности также качественно объясняет, почему рождение ф может быть усилено в А^ТУ-аниигиляции в покое по сравнению с другими типами 7гЛ/", NN и ТУА^-взаимодействия. Причина заключается в том, что столкновения при более высоких энергиях приводят к увеличению количества парциальных волн, из которых зз-пара с квантовыми числами ^-мезона уже не может образовываться через диаграмму, показанную на Рис. 2а) . Соответственно, вклад начального спинового состояния 35'1, из которого возможно рождение ф, при этом падает.

Модель поляризованной странности не только успешно объясняет полученные ранее результаты, но и позволяет сделать ряд предсказаний, экспериментальная проверка которых могла бы служить подтверждением данной модели (см. например [23]). Одним из таких предсказаний является усиление рождения /2(1525)-мезона из спинового триплета в _/У]У-аннигиляции. Так как зз-пара с квантовыми числами 5"=1 и Ь— 1 образует состояние

соответствующее /2(1525)-мезону, то усиление рождения этого тензора может идти из спинового триплета в Р-волне через диаграмму показанную на Рис. 2а) . Такое усиление должно проявляться через отношение выхода /2(1525)-мезона к /2(1270)-мезону, состоящему из легких кварков. Правило ОЦИ при использовании квадратичной массовой формулы Гелл-Манн-Окубо приводит к следующей оценке отношения /2 в адронных взаимодействиях:

Д(Л(1525)//2(1270)) = 16 • 10"3 . (10)

При изучений рр-аннигиляции в покое наиболее удобным является измерение отноше-

Sff

S = 1

N

N

5 = 0

Sn

a)

Sn

b)

Рис. 2: а) - диаграмма рождения ф- и /2-мезона в Л^-аннигиляции из спинового триплета; Ь) - диаграмма NЫ-аннигиляции из спинового синглета, по которой не могут образовываться ф- и /з-мезоны.

ния R(pp —> /гтг0/рр —> /г71"0), где измеряемые конечные состояния разрешены из спин-триплетных начальных состояний ЛР\ и 3Р2 и спин-синглетного состояния 15,0 . Важно также отметить, что согласно расчетам [25], в случае экспериментального наблюдения превышения предсказаний (10), такой результат невозможно было бы объяснить за счет процессов перерассеяния в конечном состоянии.

Целью диссертационной работы являлось проведение ряда исследований на установке OBELIX (LEAR, ЦЕРН) по проверке правила Окубо-Цвейга-Иизуки в рождении 0(1020)- и /2(1525)-мезонов при аннигиляции остановившихся антипротонов, а также проверка предсказаний модели поляризованной внутренней странности нуклона [22, 23] о сильной зависимости рождения этих мезонов от начальных квантовых чисел iViV-системы.

Для этого были изучены следующие процессы:

1. аннигиляция покоящихся антипротонов в газообразной (при нормальных условиях) дейтериевой мишени по каналам

pd фтт~р , (11)

pd илт~р . (12)

2. аннигиляция покоящихся антипротонов в газообразной (при нормальных условиях)

водородной мишени по каналам

рр —> фтг° рр фт) .

(13)

(14)

3. аннигиляция покоящихся антипротонов в водородной мишени при трех различных плотностях: жидкость (ЬНг), газ при нормальных условиях (1ЧТР) и газ при низком давлении в 5 мбар (ЬР), по каналу

Научная нови