Рождение странных частиц в пи+р- взаимодействиях при начальном импульсе 4,23 ГэВ/с тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

РГБ ОД физики

] О Я И В '^ЗЗ На правах рукописи

Киселевич Иван Львович

Рождение странных частиц в л+р- взаимодействиях при начальном импульсе 4,23 ГэВ/с

Специальность 01.04.16-

физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Москва 1995г.

УДК 539.172

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной физики

Научные

руководители: кандидат физико-математических наук

Михайличенко В.И., кандидат физико-математических наук, доцент Поносов А. К.

Официальные

оппоненты: доктор физико-математических наук

Долголенко А.Г. > кандидат физико-математических наук, с.н.с. (МИФИ) Сомов C.B.

Ведущая организация ЛЯП ОИЯИ г. Дубна

Защита состоится /3 на заседании

специализированного совета Д.034.01.01 Института теоретической и экспериментальной физики} г.Москва, 117259, Б.Черемушкинская ул., дом 25

С диссертацией можно ознакоми ться в библиотеке Института теоретической и экспериментальной физики

Автореферат разослан 2. £ , /¿..

Ученый секретарь специализированного совета ---- ïi.B.'Терехов

Общая характеристика работы

Настоящая диссертация посвящена экспериментальному исследованию рождения странных частиц в л+р-взаимодействиях. Эксперимент был выполнен на двухметровой жидководородной пузырьковой камере ЖВК2 ИТЭФ. Экспозиция камеры проводилась в :епарированном пучке я+-мезонов с импульсом 4,23 ГэВ/с. Целью эксперимента было определение сечений рождения странных 4астиц, резонансов и измерение поляризации гиперонов.

Актуальность проблемы

В настоящее время существуют феноменологические модели, /довлетворитсл ы ю описывающие закономерности инклюзивного образования частиц при высоких энергиях. Все они с большим или меньшим успехом воспроизводят зависимость инвариантного сечения уг продольных и поперечных составляющих импульсов вторичных тстиц. Сложнее обстоит дело с описанием поляризации вторичных тстиц. В настоящее время не создано теоретических моделей, зоспроизводящих это явление во всей области, доступной жсперименту.

В свою очередь и в экспериментальном изучении поляризации ¡торичных частиц существуют значительные пробелы. Отсутствуют :истематические измерения поляризации странных частиц во всем шапазоне доступных энергий и видов пучков. Статистическое >беспечение многих работ по измерению поляризации недостаточно, [то затрудняет сравнение и обобщение их результатов. Плохо обстоит [ело и с повторяемостью результатов даже в работах, выполненных фи близких импульсах на одинаковой методике.

В последнее время возрастает интерес к изучению поляризации торичных частиц. С одной стороны это связано с тем, что стоимость радиционных экспериментов при сверхвысоких энергиях начительно превзошла стоимость поляризационных экспериментов фи средних энергиях. С другой стороны он стимулируется наличием ак называемого "спинового кризиса", который возник при интерпретации работ по глубоконеупругому рассеянию юляризованных электронов и мюонов на поляризованных протонах. 1а основании результатов этих работ и партонной модели нуклона южно при.1г:; к выводу, что вклад спина валентных кварков в спин фотона составляет не более 30-40%. Такой вывод противоречит ложившимся представлениям о происхождении спина протона, снованным на выводах статических кварковых моделей. 1ервоначально кварки были введены для объяснения квантовых исел наблюдаемых экспериментально алронов и резонансов.

Поэтому приписанные кваркам электрические и барионные заряды, а также спины , нужно рассматривать как подгоночные параметры, позволяющие очень просто объяснить существующее разнообразие частиц. С возникновением квантовой хромодинамики изменился статус кварков - они наряду с глюонами становятся простейшими динамическими объектами теории, основной задачей которой является построение на их основе всех наблюдаемых частиц. Если прежде усилия теоретиков были направлены на объяснение существующих масс, то теперь необходимо объяснить и существующие спины частиц.

Из сказанного выше можно заключить, что в ближайшем будущем интерес к экспериментальному и теоретическому изучению спиновых явлений должен возрастать.

Цели и задачи исследования

Настоящая диссертация посвящена экспериментальному изучению рождения странных частиц в л+р-взаимодействиях при первичном импульсе 4,23 ГэВ/с. Целью диссертационной работы является определение сечений рождения странных частиц и рсзонансов и подробное изучение их поляризации.

Научная новизна и значимость работы

1. Спроектированы и изготовлены системы 2-метровой водородной камеры: система термостатирования, система очистки и заполнения камеры неон-водородной смесью, трекочувствительная водородная мишень.

2. Получено около 2 миллионов снимков с 2-метровой водородной

камеры в пучках я—мезонов, протонов и ядер 4не протонного синхротрона ИТЭФ.

3. Впервые в России проведена экспозиция 2-метровой водородной пузырьковой камеры с неон-водородным заполнением в пучке тг-мезонов с импульсом 6,2 ГэВ/с и получены физические результаты.

4. Измерены сечения 24 каналов л ■ р - вза и м оде й ств и й с рождением странных частиц в конечном состоянии с учетом рождения резонансов в каналах с Л-гиперонами, в том числе изобары 1Ч*(1710), распадающейся на ЛК.

5. Измерена средняя поперечная поляризация 1~-гиперонов (1265 событий): -0,49+0.09.

6. Показано, что при совместном рождении 1^-гиперонов с векторным мезоном К*(892) поляризация возрастает и достигает -0,74±0,19.

7. Наблюдается слабая зависимость поляризации Л-гиперонов в шклюзивной реакции от квадрата четырехимпульса, переданного от фотона к Л-гиперону; от фейнмановской переменной хг; от юперечного импульса; от эффективных масс Ля и Юг.

8. Для трех каналов исследована зависимость поляризации Л-иперонов от перечисленных переменных.

9. Впервые установлена связь поляризации 15 инклюзивной реакции : поляризацией в отдельных каналах.

На защиту ¿-^осл^'-,-; •

1. Разработка и изготовление следующих систем двухметровой гузырьковой камеры: системы теплообмена, системы заполнения :амеры неон-водородной смесью, трекочувствительной водородной шшени.

2. Измерение сечепий каналов со странными частицами в л+р-¡заимодействиях при первичном импульсе 4,23 ГэВ/с.

3. Измерение сечений резонансов, рождающихся в каналах с Л-иперонами.

4. Измерение средней поляризации А-гииеронов.

5. Измерение средней поляризации £+-гиперонов.

6. Исследование зависимости поляризации Л-гиперонов от :вадрата четырехимпульса, переданного от протона к Л-гиперону; от эейнмановской переменной xF; от поперечного импульса; от ффективных масс Ак и Кл.

7. Исследование зависимости поляризации 1+ -гиперонов от юперечного импульса и недостающей массы.

Практическая полезность

Результаты экспериментального исследования полезны при [роектировашш новых экспериментов и создании моделей заимодействия, учитывающих спиновые эффекты.

Апробация п публикации

Материалы, изложенные в диссертационной работе, опубликованы

журналах: "Ядерная физика", "Письма в ЖЭТФ", "Physics Letters". Приборы и техника эксперимента" и в препринтах ИТЭФ. Список публикованных работ приведен в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, грех глав и заключения. Содержит 16 таблиц, 24 рисунка и библиографию, включающую 87 наименований. Полный объем 105 страниц.

Краткое содержание диссертации

Во введении приводится общая характеристика работы и дано обоснование актуальности темы исследования.

В первой главе сделан обзор экспериментальных работ, в которых изучалась поляризация гиперонов. Сделаны следующие выводы относительно поведения поляризации Л-гиперонов в инклюзивных реакциях:

а) поляризация является, в основном, функцией pj и растет с ростом р±,

б) наибольшей величины достигает поляризация гиперонов при р^Хрх>,

в) отсутствует устойчивая зависимость поляризации от хг для всех взаимодействий, за исключением К"р-взаимодействия во всей области изменения переменной и рр-взаимодействия в области |Хр|>0,8,

г) поляризация как функция р^ и х, не зависит от энергии начальной системы частиц,

д) в большинстве взаимодействий существует группа Л-гиперонов, родившихся в области фрагментации протона, знак поляризации которой одинаков для всех взаимодействий [фи выборе нормали к плоскости рождения по направлению ррхрл, где рр-импудьс протона мишени в системе нептра реакции,

с) перечисленные выше свойства поляризации проявляются как во взаимодействиях на протоне, так и во взаимодействиях на ядре, и не исчезают после усреднения по многим каналам при высоких энергиях.

Вторая глава диссертации посвящена описанию двухметровой жидководородной камеры ИТЭФ, на материале которой были выполнены все описанные ниже работы. В начале главы описана история создания установки, схема которой представлена на рис.1. Далее излагается опыт конструирования и эксплуатации отдельных узлов установки, который может быть использован при разработке новых детекторов или технических устройств. Рассматриваются особенности эксплуатации камеры с неон-водородным наполнением, технология сборки и наиболее важные моменты работы с индиевым

плотнением большого стекла камеры, методы очистки газов, еплообмеи и регулирование режима камеры.

В третьей главе описана методика обработки событий и результаты ксперимента.

В этом эксперименте было отснято 440000 стереофотографии на епарированном пучке л+-мезонов с импульсом 4,23±0,075 ГэВ/с. На досмотровых столах отбирались взаимодействия с одним или двумя ^-событиями или с треками, имеющими излом. Отобранные события бмерялись на полуавтоматических измерительных устройствах ПУОС обрабатывались программой геометрического восстановления JERA, учитывающей многократное рассеяние при проведении трека пространстве. Затем события обрабатывались программой инематического баланса KVALID по гипотезам, предполагающим ождение странных частиц. Для определения сечений каналов еакции со странными частицами часть статистики была просмотрена важды. При просмотре регистрировались все четырехлучевые заимодействия, сечение которых известно с точностью до одного роцента. Полученные результаты представлены в таблице 1. Полное сечение рождения странных частиц, влючающее каналы с вумя незарегистрированными нейтральными частицами составляет ,765±0,050 мб, что хорошо согласуется с данными при близких нергиях.

Рождение рсзонансов было исследовано в трех каналах, имеющих остаточно большое сечение. В таблицах 2, 3 и 4 представлены тпотезы образования резона![сов, число событий, обнаруженное на олной статистике, и сечения их образования, полученные при эвместной минимизации всех экспериментальных распределений по ^фективным массам, что позволило учесть основные эффекты заимных отражений. Минимизация . производилась методом аименьших квадратов с помощью программы MINUIT. В результате минимизации получились следующие характеристики зобары, распадающейся на А и К: масса 1680 МэВ/с2, ширина 100 1эВ/с2. Принимая во внимание угловую изотропию распада этой зобары в собственной системе покоя, ее можно идентифицировать с эрошо подтвежденной и распадающейся с большой вероятностью на и К изобарой N(]710)P¡|. Приведенные результаты свидетельствуют большом вкладе в сечение каналов с рождением резонансов в л+р-шимодействиях при 4,23ГэВ/с.

Табл.1

№ Канал Число Сечение

№ реакции событий (мкб)

1 рК+кО 52 40±6

2 рК+к°л° 107 82±9

3 рК«1с°л+ 217 180±15

4 рК+к%+л- 25 30±7

5 рКЖ-л+л+ 22 26±6

6 11 44+15

7 пК+к°л+ 99 76+8

8 пК°к°л+л+ 6 24±10

9 АК+л+ 176 64+6

10 ЛК+л+л° 390 149+10

11 ЛК°л+л+ 342 94±7

12 ДК+л+л+л- 62 35±6

13 ЛК°л+л+л° 23 43±10

14 1+К+ 73 38±5

15 1+К+л» 128 66±7

16 1+К°л+ 86 57+7

17 1+К+л+л- 86 57±7

18 Х+К°л+л° 16 44±12

19 Г+К+л+л-лО 46 31±5

20 Е+КОл+л+л- 18 16±4

21 Х0К+л+ 33 12+2

22 1°К°л+л+ 64 108115

23 1-К+л+л+ 10 4+2

24 Х-К°л+л+л+ 5 3±2

25 Все каналы 2097 1324±40

Табл.2

канал число соб. гипотеза сечение мкб

ЛК+я+ 387 ЛК+л+ 26,6±1,6

К1385Ж+ 21,2±1,4

1(1680) К+ 10,6±1,0

N(1710)*+ 5,8±0,8

итого 64±6

Табл.3

Сечения рождения резонансов в канале ЛК+я+л°

канал число соб. гипотеза сечение мкб

ЛК+л+л0 15,5±1,3

1(1385)К+л 52,9±2,4

1(1560)К+л 11,7+1,1

1(1670)К+я 14,4+1,3

ЛК+л+л° 841 АК*(892)л+ 10,2±1,1

Ы(1710)л+л°- 17,2±1,4

АК+р+ 10,4±1,1

К(1710)р+ 0

Е(1385)К*(892) 15,4±1,3

итого 149+10

Табл.4

Сечения рождения резонансов в канале ЛК°л+л+

канал тесло соб. гипотеза сечение мкб

ЛК°л+л+ 563 ЛК°л+л+ 0

Х(1385)К°л+ 30,8±1,8

АЮЧ892)л+ 7,7±0,9

N(1710)л+я+ 20,7±1,5

1(1385)К* 14,7±1,2

1(1680)К°л+ 4,1±0,6

Е( 1849К°я+ 5,9±0,8

АК*(1430)л+ 10,2±1,0

итого 94±7

Для иллюстрации качества фитирования на рис. 2 и 3 представлены экспериментальные распределения по эффективным массам двух различных комбинаций частиц совместно с распределениями, полученными в результате фитирования.

Поляризация Л-гиперонов определялась стандартным методом по ожидаемому из самых общих соображений угловому распределению продуктов распада Л относительно нормали к плоскости его рождения: ;

N(cos9)=l/2(l+ancos0); (1) где а^О,642+0,013 - параметр асимметрии в распаде Л->ртг. П - поляризация Л-гиперона,

0 - угол между импульсом протона от распада Л - гиперона в его системе покоя и нормалью к плоскости рождения Л - гиперона. Нормаль определена :

n=(p„xpA)/|(PltxpA)|. (2)

Поляризация определяется через средний cos0: n=3/oc(<cos9>) (3)

и вычисляется по формуле: _

= 3Ewicosa+ ПГ

a IW, ~ Va2 N' KV где Wi - вес ¡-го события, N - полное число событий.

Значение средней поперечной поляризации Л-гиперонов, полученное при обработке 2103 событий:

Пу=0,06±0,06

Этот результат не противоречит другим измерениям поляризации Л-гиперонов в тг^р-взаимодействиях.

Наблюдаются слабые зависимости инклюзивной поляризации Л-гиперона от переданного ему четырехимпульса, поперечного импульса и фейнмановской переменной хг, которые изображены на рис.4.

Далее изучается зависимость поляризации от упомянутых выше переменных для трех основных каналов рождения Л-гиперонов. Прослеживается закономерность возникновения поляризации в инклюзивной реакции в результате сложения поляризаций Л-гиперонов в отдельных каналах.

Для двух каналов ЛК°я+71+ и ЛК+лгл° изучена зависимость поляризации Л-гиперонов от инвариантной массы систем частиц Ля и Кп. Обнаружено, что на пересечении полос, содержащих 1(1385) и К*(892), поляризация Л-гиперонов достигает -0,74±0,29.

Изучение поляризации £+-гиперонов произведено на 1265 событиях. Поляризация измерялась по асимметрии распада >рл°.

Вся процедура измерения поляризации и система координат аналогичны использованным при изучении Л-гиперонов.

Средняя поперечная поляризация Г^-гиперонов оказалась равной:

Пу=-0,491±0,094.

В отличие от поляризации Л-гиперонов средняя поперечная поляризация 1+ довольно велика. На рис.5 изображена зависимость поляризации от поперечного импульса.

В отличие от Л, гипероны поляризованы против нормали к плоскости их рождения. Противоположный знак поляризации у Е+ и Л установлен также и в рВе-взаимодействиях при высоких анергиях.

Построена зависимость поляризации от недостающей массы Мх в инклюзивной реакции л+р->Е+Х (рис.6).

В области резонанса К.*(892) наблюдается большая отрицательная поляризация £+-гиперонов.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Спроектирована и изготовлена система термостатирования 2-метровой водородной пузырьковой камеры. Спроектирована и изготовлена система очистки и заполнения камеры неон-водородной смесью. Спроектирована и испытана на пучке трекочувствительная водородная мишень. Получено около 2 миллионов снимков 2-метровой водородной камеры в пучках я—мезонов, протонов и ядер 4Не протонного синхротрона ИТЭФ. Проведена экспозиция 2-метровой водородной пузырьковой камеры с неон-водородным заполнением в пучке тг-мезонов с импульсом 6,2 ГэВ/с.

2. Проведены отбор событий, измерения и математическая обработка результатов измерений для реакций с образованием странных частиц в тг+р-взаимодействиях при начальном импульсе 4,23 ГэВ/с. Измерены сечения 24 каналов л+р-взаимодействий с рождением странных частиц в конечном состоянии. Измерены сечения рождения резонансов в каналах с А - гиперонами.

3. Получены экспериментальные данные о рождении М*(1710)->ЛК.

4. Измерена средняя поперечная поляризация Е~-гиперонов (1265 событий): -0,49±0,09. Показано, что при совместном рождении гиперонов с векторным мезоном К*(892) поляризация возрастает и достигает -0,74±0,19.

5. Измерена средняя поперечная поляризация А-гиперонов 0,06± 3,06. Наблюдается слабая зависимость поляризации Л-гиперонов в шклюзивной реакции от квадрата четырехимпульса, переданного от лротопа к Л-гиперону; от фейнмановской переменной х,.; от

поперечного импульса; от эффективных масс Лгс и Кл. Для трех каналов исследована зависимость поляризации Л-гиперонов от перечисленных переменных. Проанализирована связь поляризации в инклюзивной реакции с поляризацией в отдельных каналах.

1-ярио магнита

2-оСмсггкз магнита

3-пучок

4-кснус ]_

5-аэсгный экщн

6-вакуумный кстсух

7-система теппооблсна

8-кочденс<?р огвяцения

9-фсгоаптрат

10-система расширен!«

11-стекпо

12-корпу& камеры

б

Рис.]. Схема установки ЖВК2

сМ /ЬМ

100

ео

60

40

20

п

Г» ? я Ч тс

М(ЛЮ ГэВ/с2

• * J •

Рис. 2.

Спектр масс ЛК в канале ЛК°п:+7Г+

ГэВ/с2

Рис. 3.

Спектр масс Лл в канале ЛК0?:"1"!!"1

'л

0.8

0.6 0Л 0.2

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

_1 | ' | ....... I I I _1 I I I I I I I I 1 I

-1 -0,5 0-101 I (ГэВ/с)2 ХР

О 0.5 1 Х1

Рис. 4. Поляризация Л-гиперонов

а

п 1

0.3 0.6 0.4

0.2

0

-0.2 -0.4 -0.5 -0.8 -1

О 0.25 0.5 0.75 1

р1 гэв/с

Рис.5. Поляризация Е+-гипсронов в зависмости от рг.

' I ' < I 11 I 11 I '' I 11 I I 11

П 1 о.а Û.6 0.4 0.2

ü -0.2 -0.4 -0.6 -0.3 -1

i i ■ i i i i I i i i 1 i i i i i i i i i i i I i i i i i i i 1 i i i i i i i 0 0.2 0.4 0.6 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Mx ГэВ/с2

Рис.6. Поляризация Е+-гиперона в зависимости от Мх.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Алешин Ю.Д., Киселевич И.Л. и др. 2-метровая сидководородная пузырьковая камера ИТЭФ. ПТЭ, №3, (1970), 100.

2. Алешин Ю.Д., Киселевич И.Л. и др. 2-метровая сидководородная пузырьковая камера ИТЭФ. Препринт ИТЭФ, М., 1969), №689.

3. Киселевич И.Л. и др. Система теплообмена и ерморегулирования 2-метровой жидководородной пузырьковой амеры. ПТЭ, №4, (1970), 38.

4. Киселевич И.Л. и др. Система теплообмена и ерморегулирования 2-метровой жидководородной пузырьковой амеры. Препринт ИТЭФ, М., (1969), №734.

5. Алешин Ю.Д., Киселевич И.Л. и др. Двухметровая камера 1ТЭФ с неон-водородной смесью и трекочувствительной водородной [ишеныо. ПТЭ, №1, (1976), 26

6. Aleshin Yu.D., Kiselevich l.L. et al. The two-met re ITEF chamber 'itli a neon-hydrogen mixture and a hydrogen track-sensitive target. д-yogenics, October, (1976), 607.

7. Алешин Ю.Д., Киселевич И.Л. и др. Двухметровая камера 1ТЭФ с неон-водородной смесью и трекочувствительной водородной [ишеныо. Препринт ИТЭФ, М., (1975), №30.

8. Алешин Ю.Д., Киселевич И. Л. и др. Измерение и ппроксимация магнитного поля двухметровой жидководородной амеры ИТЭФ. Препринт ИТЭФ, М„ (1978), №87

9. Друцкой А.Г., Киселевич И.Л. и др. Сечения каналов ождения странных частиц в тс+р-взаимодействии при р=4,23 ГэВ/с. [репринт ИТЭФ, М., (1987), №112

10. Амелин А.И., Киселевич И.Л. и др. Поляризация А-/теронов в л:+р-взаимодействиях при 4,2 ГэВ/с. Препринт ИТЭФ, 1., (1992), 21-92

11. Амелин А.И., Киселевич И.Л. и др. Измерение поляризации -гиперонов в л+р-взаимодействиях при 4,2 ГэВ/с. ЯФ, 55, (1992), 945.

12. Батусов В.Ю., Киселевич И.Л. и др. Поляризация Е+-теронов в л+р-взаимодействиях при начальном импульсе 3,6-4,2 эВ/с. Письма в ЖЭТФ, 57, (1993), 518.

13. Drutskoi A.G., Kiselevich l.L. et al. The effect of resonance tatcs on hyperon polarization. Phys.Lett. В 333 (1994) 561.

14. Drutskoi A.G., Kisclevich l.L. et al. The effect of resonance tates on hyperon polarization. Препринт ИТЭФ, M., (1993), 52-93.