Разработка моделирования и детекторов на пропорциональных камерах для исследования свойств адронов, рождающихся в антипротон-протонных аннигиляциях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

62 11/5

ФЕДЕРАТИВНАЯ РЕСПУБЛИКА ГЕРМАНИЯ

ВТОРОЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ ЮСТУСА ЛИБИГА

На правах рукописи

СОКОЛОВ АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ДЕТЕКТОРОВ НА ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕРАХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ АДРОНОВ, РОЖДАЮЩИХСЯ В АНТИПРОТОН-ПРОТОННЫХ АННИГИЛЯЦИЯХ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

¿/УГ^

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

профессор

Джеймс Ритман

Гиссен - 2005

Оглавление

Введение ....................................................................4

Глава 1. Физическая мотивация ....................................8

1.1. Обзор..................................................................8

1.2. Чармоний ............................................................8

1.3. Глюонные возбуждения..............................................14

1.4. Очарованные частицы в ядерной среде............................21

1.5. Гиперъядра, Гиператомы и Дибарионы ..........................25

1.6. Другие задачи........................................................28

Глава 2. Описание детектора ........................................39

2.1. Введение..............................................................39

2.2. Требования к детектору.......................41

2.3. Структура детектора................................................49

Глава 3. Трековые детекторы........................................79

3.1. Микровершинный детектор........................................79

3.2. Центральный трекер........................103

Глава 4. Дрейфовые трубки.....................121

4.1. Основные физические принципы работы цилиндрических пропорциональных камер .......................122

4.2. Моделирование пространственного разрешения дрейфовой трубки................................139

4.3. Определение продольной координаты...............154

Глава 5. Испытания прототипа дрейфовой трубки ......161

5.1. Испытания стандартной дрейфовой трубки детектора COSY-TOF .....................................161

5.2. Испытания полноразмерного прототипа дрейфовой трубки для PANDA................................166

5.3. Заключение.............................174

Глава 6. Физические характеристики детектора PANDA ... 176

6.1. Введение...............................176

6.2. Пакет моделирования детектора PANDA.............176

6.3. Геометрия детектора для моделирования.............188

6.4. Результаты моделирования эталонных реакций.........193

6.5. Заключение.............................229

Заключение ................................231

Литература ................................237

Список иллюстраций ..........................263

Список таблиц ..............................265

Автобиография............................. . 266

Введение

Хотя уже более тридцати лет минуло со времени открытия J/tp, физика чармония всё ещё остаётся интересной и захватывающей областью исследований. Недавние открытия узких резонансов в системе чармония, г)'с и Х(3782), наряду с наблюдением узких очарованно-странных состояний -Dsj{2317) и Dsj{2460), сильно стимулировали теоретическую и экспериментальную активность. B-фабрики, являясь богатым источником состояний чармония, предоставляют новые возможности для поиска недостающих резонансов в системе чармония. Однако рождение чармония "на лету делает невозможной прецизионную спектроскопию вновь открытых состояний. Частично это может быть сделано экспериментами на электрон-позитронных коллайдерах, таких как CLEO-c и BES. Но их возможности ограничены, поскольку только состояния с квантовыми числами виртуального фотона JPC = 1 могут непосредственно рождаться в таких экспериментах.

Ещё одной причиной для более пристального взгляда на систему чармония является недавний прогресс в теориях эффективных полей, как например Нерелятивисткая КХД (NRQCD), которые способны теперь предсказывать количественно структуру уровней чармония.

Существуют также и другие нерешённые проблемы в этом диапазоне энергий. Подробнее они описаны в Главе 1.

Для изучения этих проблем, коллаборацией PANDA предлагается создать современный, универсальный детектор. Этот детектор будет установлен на накопительнов кольце HESR, которое является одним из главных компонентов международного ускорительного комплекса FAIR 2, создавае-

-'-http://www-new.gsi.de/fair/ехрегiments/hesr-panda/index_e.html

2http://www-new.gsi.de/fair/index_e.html

мого в Институте Физики Тяжёлых Ионов (GSI), расположенного в городе Дармштадт, Германия. Детектор сконструирован таким образом, чтобы полностью реализовать потенциал, заложенный в охлаждённом антипротонном пучке высокой интенсивности накопителя HESR.

Настоящая диссертация описывает результаты работы, посвящённой моделированию и научно-конструкторским разработкам трековой системы детектора PANDA, а также изучению технических характеристик детектора в целом.

Для изучениния центральной трековой системы детектора PANDA было использовано моделирование онованное на методе Монте-Карло. По результатам моделирование ространственное разрешение Микровершинного Детектора (MVD) составило 20 мкм. В результате была предложена новая, более реалистичная конструкция микровершинного детектора, обеспечивающая лучший баланс между физическими и техническими требованиями.

Была продемонстрирована возможность достичь относительного импульсного разрешения трековой системы на дрейфовых трубках (Straw Tube Tracker - STT) порядка 0.4%. Выбраная газовая смесь - аргон с добавление 10% углекислоты (Аг + 10% СО2), сочетает в себе хорошее пространственное разрешение в 120 мкм с малым временем дрейфа, меньшим 100 не, требуемым из-за ожидаемой большой скорости счёта событий.

На прототипе дрейфовой трубки была показана возможность использования метода деления заряда для восстановления продольной координаты. Было получено абсолютное пространственное разрешение 8.9 мм (или относительное 0.6%). На основании этих исследований был предложен новый вариант конструкции трековой системы, без использования слоев со скошенными трубками. Это позволяет сделать трековую систему механически стабильнее в сочетании с большей эффективностью регистрации.

Исследование слабоизученных резонансов в спектре чармония с энергией выше порога рождения DD мезонов, один из важных аспектов физической программы экспериментов с детектором PANDA. Соответствие детектора требованиям физической программы изучалось с помощью моделирования реакций рр ^(3770) DD and рр 0(4040) D*+D*~ в качестве эталонных процессов. Была продемонстрироване возможность достичь разрешения по инвариантной массе для резонансов -0(3770) и 0(4040) в 10 и 16Мев/с2 соответственно. Также была продемонстрирована возможность подавления фона на уровне 1010.

Недавние открытия узких мезонных состояний D*sJ{2317)+ и Dsj{2460)+ экспериментами BABAR и CLEO соответственно, вызвали большой интерес к спектроскопии мезонов с открытым очарованием. После их открытия появилось множество теорий, объясняющих необычно малые ширины и массы этих состояний. Важным критерием, позволяющим сократить их число, является полная ширина этих состояний. Прекрасное качество пучка накопителя HESR позволяет сделать это с точностью превышающей 100 кэв. При этом, эффективность регистрации рождения пар рр —> D*sJ(2S17)+D*sJ(2S17)- и рр £>sj(2460)+£>sj(2460)-, полученная с помощью моделирования, составляет 4.6 % и 3.3 % соответственно.

В Главе 1 описана обширная физическая программа экспериментов с де-тектом PANDA, ключевыми пунктам и которой являются изучение системы чармония и мезонов с открытым очарованием.

Физические требовани к детктору PANDA в целом, описаны в Главе 2.

Подробное описание центральной трековой системы и результатов её моделирования дано в Главе 3.

Основные принципы работы дрейфовых трубок и результаты моделирования их разрешения описаны в Главе 4.

Глава 5 содержит результаты тестовых испытаний прототипов цилиндрических дрейфовых трубок.

Описание пакета моделирования и результаты физического моделирования представлены в Главе 6.

Глава 1 Физическая мотивация

1.1. Обзор

Экспериментально структура адрона может быть изучена разными методами с помощью электронных, пионных, каонных, протонных или антипротонных пучков. Каждый из которых имеет свои преимущества. Частицы с глюонными степенями свободы, а также пары частица-античастица, обильно рождаются в протон-антипротонных аннигиляциях, что позволяет изучать из спектроскопически, с беспрецендентной точностью. Поэтому антипротонный пучок с импульсом от 1 до 15Гэв/с будет прекрасным инструментом для решения всех вышеупомянутых задач.

1.2. Чармоний

Открытие 7/0 в 1974 году[1, 2] дало сильный толчок к представлению природы сильных взаимодействий в рамках КХД. Это и другие связанные состояния очарованного и антиочарованного кварков (чармоний) оказались мощным инструментном для понимания природы сильного взаимодействия. Спектроскопия связанных состояний сс улучшает потенциальную модель мезонов. На Рис. 1.1 показано семейство частиц известных как чармоний. В этом диапазоне масс глююнный конденсат начинает играть существенную роль. Плотность энергии КХД вакуума описывается им наряду с <щ конденсатом. Система чармония являет собой уникальную возможность для понимания кваркония, ввиду малой плотности состояний и их узости, что уменьшает их смешивание ниже порога рождения ГШ мезонов.

>

© А &

а 4.6

4.5

4.4

4.3

4.2

4.1

4.0

3.9

3.8

3.7

3.6

3.5 ^ 4

а.**- 3.3

3.2

3.1

3.0

2.9

- П;(3'3С)

II 43)

• !1с(2150)

.По(1130)

ф(4э81)

ф(338,

^ (13Зг

И (3 Р )

£<№) Х(3872)

И0(1'Р,)

х,Л&Ро

Хса(13Р2)

а по)

ХеоП' Ро)

И

Ф(1аОа)

о

ш <

А

10.3

9.3

8.0

7.1

6.3

5.5

4.8

4.1

3.4

1+"

(0,1,2)+

2"*

(1,2,3)"

Рис. 1.1. Спектр чармония

Наилучшее понимание было достигнуто для-0 состояний, поскольку они могут непосредственно формироваться на электрон-позитронных коллайде-рах. Использование антипротонного пучка позволяет рождение частиц с любыми квантовыми числами. В этом случае точность измерения их масс и ширин зависит только от качества пучка, в то время, как разрешение детектора не так важно, и его отклик может быть оптимизирован для лучшего подавление фона. Новые данные о других состояния чармония, помимо ф состояний, будут крайне важны для улучшения теоретического понимания сильновзаимодействующих систем.

1.2.1. Узкие состояния чармония

Сравнение адронных распадов J/ф и ф' [3] показывает, что радиально возбужденные состояния чармония далеки от простого повторения соответствующих основных состояний. Поэтому необходимо тщательное изучение первого радиально возбужденного состояния чармония rj'c. Оно было открыто в 2002 году экспериментом Belle в спектре адронных распадов Б-мезона [4] и, в дальнейшем подтверждено наблюдениями экспериментов CLEO и ВаВаг [5, 6] в 77-столкновениях. Его параметры не совпадают с ранними наблюдениями эксперимента Crystal Ball [7] и слабо совместимы с предсказаниями большинства модельных расчётов. Относительная ошибка измерения ширины этого состояния (Г = 19±10 MeV/c2) составляет около 50 %. В отличии от ограниченой статистики и систематических ограничений е+е~ машин, включая измерения на ^-фабриках, сканирование с помощью антипротоннного пучка поможет определить ширину rjc с гораздо большей точностью, также как и основного состояния чармония, поскольку за прошедшие два года было сделано несколько, противоречащих друг другу, измерений свойств rjc. [8, 9].

Точность измерений будет тем более лучшей из=за большого выхода состояний чармония в рр аннигиляциях (например BR(pp —> rjc)= (1.2±0.4)-10~3). Выборки с гораздо большей статистикой могут быть набраны при регистрации чисто адронных конечных состояний, таких какККжтг, 4 К, 47Г, К К ж, г]7Т7г, ..., с бранчингами на два порядка выше чем в 77 распадах, используемых до сих пор.

Синглетное состояние Р-волнового возбуждения чармония, /гс, чрезвычайно важно для определения спин-зависимой компоненты gg потенциала[10]. hc был впервые обнаружено и положительно идентифицировано эксперимен-

и

том Е760 в распаде hc —» J/фтт0 [11]. Масса hc, измеренная Е760, составила M(hc) = (3526.2±0.3) MeV/c2 в то время, как из-за ограниченной статистики, ширина состояния не была измерена и только лишь верхняя граница ширины, равняющаяся 1.1 MeV может быть установлена. В последствии,/гс был обнаружено коллаборацией Е835, в реакции рр —> hc —> т/с7 —» 777 [12] и коллаборацией CLEO в распаде hc —>■ ?7С7, с последующим распадом т]с, в адроны [13]. Измерения массы hc, сделанные Е835 и CLEO, согласуются между собой и с результатом Е760. Необходимо отметить, что из-за малой ширины (<1 MeV/c2) и малого ожидаемого выхода, только рр форма-ционные эксперименты, как PANDA, будут способны измерить ширину hc и выполнить систематические измерения его распадных мод. Предлагаемый эксперимент может обеспечить существенно улучшить наши знания об этом состоянии и, поэтому, является существенной частью программы ислледо-вания чармония.

Существует много других аспектов, заслуживающих измерения, как, например, переходы из возбужденного состояния Xcj В этих распадах доминирует электрический дипольный терм El. Однако для релятивисткого описания взаимодействий между электромагнитным полем и системой квар-кония необходимы также и высшие мультипольные моменты. Это может быть измерено путём изучения угловых распределений Xci и Хс2■ Расхождения с теорией были обнаружены экспериментами Е760 and Е835 [14, 15] на уровне 2.5 а. Дальнейшие измерения с большой статистикой необходимы для увеличения достоверности результата.

Таблица 1.1: Предсказания для узких резонансов чармония (Г < 70MeV/c2) выше порога рождения!)D-мезонов сделанные с помощью потенциальной и 3_Р0 моделей. Подробности могут быть найдены в [16]. Экспериментальные данные взяты из PDG [17].

Масса [MeV/c2] Ширина [MeV/c2]

предсказанная измеренная предсказанная измеренная

ф(1В) 3770 43 23.6±2.7

^(35) 4040 74 52±10

4159 74 78±20

S) 4415 78 43±14

77,(360 «4070 67

Хсо(2Р) «3870 29

Фз(Щ «3800 0.6

XcaUF) «4100 9.0

hc3(lF) «4030 64

1.2.2. Чармоний выше порога рождения £Ш-мезонов

Выше порога рождения £Ш-мезонов, равного 3.73Гэв/с2, спектр чармония плохо изучен, так как эксперименты на е+е~~ коллайдерах измеряли лишь величину Я = а(е+е~ —> Кайгопв)/а(е+е~ —» уУуГ), меняя энергию в центре масс большими шагами. В этом диапазоне энергий были обнаружены лишь довольно размытые структры. Недавние, намного более точные измерения экперимента ВЕБ [18] не подтвердили наличие узких резонансов о которых шла речь в работе [19]. Однако вопрос существования высших векторных состояний чармония с массами 4040, 4160, и 4415 МеЛ^с2 всё ещё остается открытым.

Существуют несколько теорий объясняющих относительную узость 0(4040). Это может быть D*D* молекула [20]. В соответствии с другой гипотезой [21] - -0(4040) и -0(4160) смесь основного состояния гибридного чар-мония с массой ~ 4.1GeV/c2 и возбужденного состояния ф(3S) обычного чармония. Обе теории предсказывают различные моды распадов для обоих резонансов.

Поэтому очень важно исследовать диапазон энергий выше порога рождения £Ш-мезонов малыми шагами по энергии. Эксперименты Е760/Е835 не смогли этого сделать из-за ограниченных возможностей их детектирующих систем.

Кроме того, в этом диапазоне ожидается существование узких lD2, 3-D2 резонансов (узких потому, что они не могут прямо распадаться в пару DD-мезонов) и первых возбужденных состояний hc и %cj резонансов. Первые свидетельсва существования этих состояний были получены коллаборацией Belle, которая сообщила в 2003 году об открытии нового, узкого резонанса в распадной моде //07г+7г-, с массой 3872.0 MeV/c2 [22]. Этот новый резонанс, названый Х(3872), впоследствии был обнаружен экспериментами СDF [23], D0 [24] и ВаВаг [25]. Массы, измеренные всеми четырьмя экспериментами, очень хорошо согласуясь между собой, в то же время сильно отличаются от предсказаний простой "воронкообразной"потенциальной модели, которая, в свою очередь, предсказывает расщепление XcJ состояний с хорошей точностью. Поэтому требуется альтернативная интерпретация этого состояния. Некоторые авторы [26, 27] предлагают 13D2 и 2lPi резо-

нансы в качестве возможных кандидатов. Другим обьяснением может быть или гибридное состояние чармония [28] или D°D*° молекула [29, 30]. Для подтверждения или опровержения этих гипотез необходимы прецезионные

измерения масс, распадных мод и их относительных вероятностей для всех 21Р, и 13И состояний.

Помимо неожиданного открытия Х(3872), при энергиях выше порога рождения 1)£)-мезонов ожидается множество других узких резонансов. Узость резонанса обычно означает запрещенность каналов распада и/или узлов в волновых функции, подавляющих распад. Список узких резонансов в системе чармония дан в таблице 1.1. Вычисления основаны на потенциальной модели, с кулоновским, линейным конфайнментом, размытого членами, представляющими сверхтонкое и спин-орбитального взаимодейсвие:

где 5а(г) = (а/у/п)3 ехр — сг2г2. Величины для параметров (а3,Ь,тса)= (0.5461,0.1425 ГэВ2, 1.4794 Гэв, 1.0946 Гэв ) были определены из подгонки уже известных резонансов [16]. 3Ро модель была использована для вычисления относительных ширин распадов с открытым очарованием. В дополнение к вышеупомянутым темам, эксклюзивные распады чармония являются важным испытательным полигоном для предсказаний КХД. Особый интерес представляют процессы с нарушением спиральности адронов, распады с несохранением ¿¿-чётности, радиационные распады ф' и адронные распады ХсЗ-

1.3. Глюонные возбуждения

Сперктр КХД богаче, чем предсказывает наивная кварковая модель. Глююны, переносчики сильного взаимодействия между кварками, могут вы-

(1.