Системы управления и контроля спектрометра АРЕС. Изучение распада π + e + n е е + е- и поиск распада π + m- e + e + n тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

10-94-142

На правах рукописи

УДК 539.1.074.3+ 539.126.34

БАРАНОВ

Владимир Анатольевич

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ СПЕКТРОМЕТРА APEC. ИЗУЧЕНИЕ РАСПАДА л+ - e+ve е+е~ И ПОИСК РАСПАДА л+ -*^~e+e+v.

Специальность: 01.04.16 — физика ядра и элементарных

частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1994

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель: доктор фиоико-математнческих наук, профессор

С.М. Коренче!

Официальные оппоненты: доктор фиаико-математических наук, профессор В.Н. Болот

доктор фиаико-математических наук, профессор В.Н. Первуш

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт фиоики высоких оперши (г. Серпухов)

Защита диссертации состоится " ' " _ 1994 гор

_часов на ааседании Спецналиоированного совета Д-047.01.03 1

Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных следований, г. Дубна Московской области. С диссертацией можно оа комиться в библиотеке ОИЯИ.

« 2Х,

Автореферат раоослан " " ^ ' 1994 г.

Ученый секретарь Спецналиоированного совета доктор физико-математических наук, ирофессшу] / Ю.А. Бат^

////

1 Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Поиск и научение редких распадов мюо-нов и пионов, а также других процессов с их участием является одним из важнейших направлений исследований фиоики электрослабых взаимодействий. Особое место среди них занимают поиски запрещенных в стандартной модели электрослабых взаимодействий законом сохранения мюонного числа процессов, таких как: ц+—>е+е+е~, 7, /г~А —*е+А*, fj.+e~ —* /х-е+, >е+77, 7Г+—v, а также полулептонные распады тг+—>e+i/ee+e~, 7Г+—*e+i/ej, тг+—>/t+e+e_fA1.

Развитие физики элементарных частиц во многом определяется существующими экспериментальными возможностями. Для проведения широкой программы исследований в области физики элементарных частиц и ядерной фиоики на интенсивных мюонных и 7г-меоонных пучках была предложена, спроектирована и создана спектрометрическая установка APEC (Анализатор РЕдкнх Событий). Спектрометр состоит из набора коаксиально расположенных Цилиндрических Многопроволочных Пропорциональных Камер (ЦМПК) и сцинтилляционного годоскопа, помещенных в магнитное поле, и комплекса электронной аппаратуры работающей на линии с ЭВМ. Спектрометр APEC позволяет изучать многочастичные процессы при большом телесном угле в условиях высоких загрузок (до 107сек-1 остановок частиц в мишени).

Цель работы. Измерение топографии магнитного поля магнита СП-173 спектрометра APEC и изучение возможности повышения его однородности. Раоработка методики изготовления сцинтилляционных счетчиков цилиндрического годоскопа спектрометра и исследование их характеристик. Создание комплекса программ для наладки, диагностики, управления и контроля различными системами спектрометра: специализированного процессора РАСТР, электроники, пропорциональными камерами и др. Создание системы управляемого от ЭВМ быстрого многофункционального триггера спектрометра APEC. Проведение на спектрометре APEC эксперимента по поиску запрещенных распадов ц+—+е+е+е~, 7Г+ —>n~e+e+v и изучению редкого процесса 7Г+—*е+ иее+е~, моделирование и обработка экспериментальных данных.

Научная новизна. Предложена оригинальная методика изготовления сцинтилляционных счетчиков, имеющих форму части цилиндра для годоскопа спектрометра APEC, изучены их характеристики и написана универсальная программа моделирования методом Монте-Карло светос-Зора в оптических системах широкого класса.

Создана система управляемого от ЭВМ быстрого многофункционального триггера спектрометра APEC на основе информации со сцин-

тилляционного годоскопа и пропорциональных камер, позволяющая осуществлять регистрацию событий различного класса в одной экспозиции с учетом конфигурации событий. Время разрешения составляет при этом ~10 не.

На созданном спектрометре APEC при обработке информации об остановившихся в мишени 1,1 • 1012 7г+-мезонов обнаружено 8 распадов 7г+—*е+ vee+ е~, и вычислена парциальная вероятность этого распада оа счет наличия структуры пиона Rsd = (4.6 ± 1.6 ± 0.7) • Ю-10.

На основании набранной статистики получена верхняя граница относительной вероятности распада 7Г+ —* + 2е+ + и на уровне достоверности 90%

Г(тг+ + 1/м)

Полученное значение Вг в 5 раз улучшает единственную в мире оценку, сделанную ранее в Дубне.

Промоделирован вариант постановки эксперимента по изучению распада 7Г+ —► на лету на спектрометре APEC.

Практическая ценность. Предложен и реализован способ повышения однородности магнитного поля в 4 раза в спектрометре APEC путем нестандартного включения его обмоток, что позволило существенно упростить обработку и работу системы фильтрации информации.

Методика изготовления сцинтилляционных счетчиков, имеющих форму части цилиндра для годоскопа спектрометра APEC, может использоваться на других установках с цилиндрической геометрией детектора. Универсальная программа моделирования методом Монте-Карло светосбора в оптических системах широкого класса применялась в нескольких группах ОИЯИ и в PSI (Швейцария).

Разработанный комплекс программ позволил провести наладку регистрирующей электроники пропорциональных камер 16000 каналов) и испытание самих камер, а также обеспечил создание специализированного процессора РАСТР (быстродействие ~ 15 мкс) для быстрой фильтрации событий при исследовании редких процессов на спектрометре APEC.

Автор защищает:

1. Разработку и создание методики изготовления сцинтилляционных счетчиков, имеющих форму части цилиндра.

2. Разработку и создание аппаратного и программного комплексов для наладки, диагностики, управления и контроля различными системами спектрометра APEC.

3. Разработку и создание системы управляемого от ЭВМ быстрого многофункционального триггера спектрометра ЛРЕС.

4. Реоультат экспериментального поучения распада тг+ —>е+ i/ee+ е~.

5. Результат экспериментального поиска распада 7г+—>fi~e+e+v.

Апробация работы и публикации. Диссертация написана на основе научных работ, выполненных с участием автора в ЛЯП OHJIIÎ в период с 1976 по 1992 гг. Основные результаты, представленные в диссертации докладывались на XII международном симпозиуме по ядерной электронике, Совещаниях по программе исследований на ММФ (Звенигород, 1985 и Москва, 1989), III Международной конференции по низким активностям (Братислава, 1985), Low Energy Muon Science in 90's [LEMS-90] (Villigen, 1990), на рабочих совещаниях и семинарах и опубликованы в 12 работах: сборнике трудов международного симпозиума по ядерной электронике, в журналах ПТЭ, NIM, ЯФ и сообщениях ОИЯИ[1-12].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 121 страницу текста, включая 9 таблиц, 32 рисунка и список цитируемой литературы из 136 наименований.

2 Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы и описывается структура диссертации.

В первой главе приведено общее описание спектрометра APEC, представлена программа экспериментов на этой установке, в частности поиска редких распадов мюонов и 7г-мезонов: >е+е+е~, 7г+—+е+уее+е~, —*fi~е+е+v. Основные особенности перечисленных процессов: крайне низкие вероятности ~ 1(Г12 10~13 при большом фоне и многочастнчность предъявляют серьезные требования к экспериментальной аппаратуре. Такая аппаратура должна обладать высоким пространственным и временным разрешением, иметь хорошую эффективность регистрации.

Для эффективной регистрации многочастнчных процессов необходимо иметь установку с большим телесным углом. В спектрометре APEC это достигнуто цилиндрической геометрией детектирующей части. Использование цилиндрической геометрии обеспечивает:

- телесный угол спектрометра ~ 2 • 7Г, эффективное использование рабочего объема магнитного поля;

Рис. 1: Общий вид спектрометра APEC.

1 - мишень; 2 - детектирующая часть (ЦМПК); 3 - сцинтилля-ционные счетчики; 4 - световоды; 5 - ФЭУ; 6 - электроника ЦМПК; 7 - обмотки магнита; 8 - ярмо магнита; 9 - полюса магнита.

- изотропию свойств спектрометра в плоскости, перпендикулярной оси

соленоида и связанную с отим унификацию логики запуска установки, упрощение систем фильтрации и программной обработки данных;

- пороговые свойства при использовании мишени малого диаметра, так

как определенному радиусу траектории частицы соответствует определенный импульс.

Общий вид спектрометра представлен на рис. 1. В таблице 1 приведены основные характеристики спектрометра.

Детектирующий блок из цилиндрических многопроволочных пропорциональных камер и сцинтилляционной годоскопической системы расположен между полюсами магнита СП-173. Пучок от ускорителя вводится в мишень вдоль оси магнита, совпадающей с осью симметрии детектирующего блока. Основными координатными детекторами спектрометра APEC являются 18 коаксиалыю расположенных ЦМПК. Спектрометр APEC позволяет детектировать и измерять импульсы одновременно нескольких частиц (в том числе и 7-квантов), определять знак электрического заряда частиц. При наличии амплитудного анализа сигналов с пропорциональных камер возможна и идентификация типа частиц. Пропорциональные камеры и счетчики годоскопа имеют малое количество вещества для уменьшения многократного рассеивания частиц так как измерение импульса заряженной частицы производится по искривлению ее траектории магнитным полем. Гамма-кванты регистрируются по конверсионной е+е~- паре, образующейся в специальном цилиндрическом конверторе.

Таблица 1: Основные характеристики спектрометра APEC.

1. Детектирующий объем: диаметр - 1060 мм,

длина - 600 мм;

2. Количество информационных каналов камер и 15 тыс;

3. Количество сцинтилляторов в годоскопе 36 шт.

4. Напряженность магнитного поля до 1.8 Тл;

5. Телесный угол sa 0, 7 • 47Г стерад;

6. Пространственное разрешение 1 -г 2 мм;

7. Временное разрешение 1 не;

8. Точность определения энергии 7-квантов 1 5%;

9. Точность определения энергии е^ (70 МэВ) 2%;

10. Скорость набора статистики до 100 соб/сек.

Детектирующая часть установки размещается в рабочей области магнита Ш-обраоного типа СП-173, спроектированного в НИИЭФА им. Ефремова Д.В. Параметры магнита приведены в табл. 2. Топография

Таблица 2: Параметры магнита спектрометра APEC.

Напряженность магнитного поля до 1,8 Тл.

Ток возбуждения 2000 А.

Падение напряжения 440 в.

Число витков в обмотке 868

Количество параллельных ветвей в обмотке 24

Рабочая область: диаметр — 1090 мм, длина ( 880 -г 1040 ) мм.

Размеры магнита 3,6 * 2,8 * 3,0 м3.

Масса магнита 153 т.

магнитного поля магнита СП — 173 измерялась при нескольких значениях питающего тока и при различных вариантах подключения обмоток магнита.

При измерениях магнитного поля в стандартном варианте включения обмотки получена неоднородность Ац — ± ijT7"1TT »""" = 7.3% в рас-

max T"fnin

положении пропорциональных камер I 4- XII. С целью улучшения однородности магнитного поля в районе расположения ЦМПК спектрометра

было просчитано несколько вариантов включения секций катушек магнита. Максимально однородное поле получено при отключении восьми крайних секций и использовании только оставшихся четырех центральных секций с обеих сторон от центра магнита. В этом варианте измерения дали неоднородность Дя = 1.8%. При проведении эксперимента использовался найденный вариант включения обмоток СП-173. Во второй главе описывается конструкция, технология изготовления и исследование сцинтилляционных счетчиков годоскопа спектрометра. Го-

Рис. 2: Конструкция сцинтилляционного годоскопа: 1 - мишень, 2 - сцин-тилляторы второго ряда, 3 - сцинтилляторы третьего ряда, 4 - переходный световод, 5 - основной световод, 6 - ФЭУ.

доскоп (рис. 2) состоит из трех цилиндрических рядов состоящих из 4, 8 и 24 счетчиков, имеющих диаметры 110, 245 и 670 мм, длиной 350, 500 и 600 мм. К сцинтилляционным счетчикам годоскопа предъявляются следующие требования:

1. минимальная толщина сцинтиллятора, т.к. точность определения энергии электронов зависит в основном от энергетических потерь и многократного рассеяния в веществе сцинтиллятора;

2. достаточно высокое быстродействие 1 не);

3. длина световодов не менее 1,3 м, поскольку сцинтилляторы счетчиков расположены в магнитном поле напряженностью до 1,8 Тл, и необходимо обеспечить вынос ФЭУ за пределы магнитного поля;

4. наличие в одном месте контакта двух частей счетчиков без применения каких-либо клеев или замазок для обеспечения разборности спектрометра;

5. сбор света только с одного торца сцинтиллятора, т.к. на втором ярме магнита СП-173 (рис. 1) расположена электроника ЦМПК.

Отдельный счетчик состоит но пластического сцинтиллятора, переходного и основного световодов, ФЭУ ХР2020 (3-^-6 на рис. 2). Основной световод прижимается к переходному бео какой-либо смазки. Для улучшения условий светосбора и светоиооляции сцинтиллятор и переходный световод обернуты белой бумагой и потом черной копировальной бумагой. Сцинтилляторы в годоскопе образуют ¡замкнутую цилиндри-

Рис. 3: Схема установки для формовки сцинтиллятора: 1 - сцинтиллятор, 2 - пуансон, 3 - матрица, 4 - полиэтилсилоксановая жидкость, 5 -винтовой домкрат.

ческую поверхность. Каждому сцинтиллятору придавалась форма части цилиндра. Ио пластического сцинтиллятора изготавливалась полированная заготовка в форме прямоугольного параллелепипеда соответствующего размера. Заготовка устанавливалась между матрицей и пуансоном и эта сборка помещалась в термостат (Рис. 3). В течение 5 -j- 6 часов температура в термостате линейно поднималась до 87° -г 90° С. По достижении этой температуры матрица с помощью винтового домкрата медленно опускалась на пуансон, придавая сборке форму цилиндра нужной кривизны. В таком состоянии сборка выдерживалась при постоянной температуре несколько часов, потом подогрев термостата отключался и температура в нем за 14 -т- 15 час. снижалась до 20°С.

Амплитудные и временные характеристики счетчиков изучались на специальном стенде с помощью ß - источника 905г. Амплитудный сигнал снимался с последнего динода ФЭУ, а временной — с анода ФЭУ. В результате исследований получена неоднородность амплитуды счетчика Да = ¿л"1"! л™" = ±33%, где Атах и Ат{п - максимальная и манималь-

«maiT^min

пая амплитуды сигналов при разных положениях /3-источника. Длина поглощения света в сцинтилляторе (66±7) см. При установке ß - источника

7-

в центре сцинтиллятора амплитудное разрешение счетчика (полная ширина на полувысоте) составляло 80%, а временное 1 не. Полученному амплитудному распределению с учетом статистических флуктуации на первом диноде фотоумножителя соответствует ~ 12 фотоэлектронов и эффективность светосбора ~ 1 %.

Для проверки правильности оценок по эффективности светосбора была написана программа расчета методом Монте-Карло прохождения света в достаточно сложных оптических системах ограниченных плоскими, цилиндрическими или сферическими поверхностями. Расчеты по этой программе совпали с экспериментально полученной эффективностью светосбора.

В третьей главе описывается основная детектирующая часть спектрометра: цилиндрические многопроволочные пропорциональные камеры. Рассмотрены система регистрирующей электроники пропорциональных камер, вопросы настройки и контроля этой электроники. Дается описание стенда и программы, позволяющей тестировать и настраивать электронику пропорциональных камер.

В экспериментах по поиску распада ►е+е+е~ и исследованию распада 7г+—*е+1/ее+е~ в сборке применялось только 12 ЦМПК с общим числом сигнальных проволочек - 7627 и стрипов - 384. Электроника ПК выполнена на основе больших гибридных интегральных схем К405ХП1. Каждая микросхема К405ХП1 включает в себя всю необходимую электронику для двух нитей ПК. Эти микросхемы распаивались на платах ПСИ-32 по 32 канала. Платы ПСИ-32, в свою очередь, компоновались в блоки до 35 плат в отдельном каркасе электроники ПК, а каркасы крепились на ярме магнита СП-173. Общее число каналов регистрации — ~ 16000. Информация о сработавших проволочках записывается в триггеры памяти микросхем К405ХП1 по сигналу "строб записи". Информация из триггеров памяти отдельных каналов считывается последовательно с отдельных плат, включенных в общую магистраль каркаса.

Большое число каналов электроники, необходимось их массовой настройки и контроля привело к созданию автоматизированного стенда и соответствующего программного обеспечения для этих целей. Автоматизированный стенд и программа позволяет:

1. снимать кривую задержанных совпадений регистрирующих каналов пропорциональных камер;

2. определять пороги срабатывания каналов;

3. изучать перекрестные наводки с канала на канал при любых (задаваемых программным образом) комбинациях входных сигналов;

4. проводить все намерения на одной плате в полностью автоматизированном режиме;

5. запоминать получаемые характеристики плат ПСИ-32 в на магнитных носителях.

Стенд создан на базе аппараруры в стандарте КАМАК и работа его происходит под управлением ЭВМ. В среднем на проверку одной платы на стенде требовалось 3 минуты.

В четвертой главе описывается наносекундная логика и трехуровневая система фильтрации информации, система сбора, контроля и передачи данных со спектрометра в ЭВМ и соответствующих программных продуктов. При поиске запрещенного (/¿+—>е+е+е~) и изучении редких распадов (7Г+—7Г+ —► /¿~е+ е+ l>) спектрометр в основном регистрирует события, представляющие собой фон, который достигает очень больших величин. Задача предварительной фильтрации событий перед их считыванием для первоначальной обработки в ЭВМ СМ-4 и дальнейшей записью ее на магнитную ленту решена путем отбора искомых событий на нескольких уровнях.

В систему выработки быстрого триггера первого уровня отбора спектрометра APEC включены сцинтилляционные счетчики годоскопа и пропорциональные камеры, как правило стриповые. За 100 не принимается решение о записи информации о событии, удовлетворяющему достаточно жестким критериям отбора, в триггеры памяти электроники пропорциональных камер, спецпроцессора РАСТР (РАСпознаватель ТРеков) и другой регистрирующей аппаратуры в стандарте КАМАК.

На втором уровне отбора работает специализированный процессор РАСТР . РАСТР за и 15 мке проверяет наличие в событии треков с требуемой кривизной и знаком и при принятии положительного решения в ЭВМ СМ-4 выдается сигнал на считывание в ее память полной информации о событии.

На третьем уровне отбора в режиме on-line в ЭВМ СМ-4 работает программа быстрой фильтрации, определяющаяя наличие в событии электронов ( > 1 ) и позитронов ( > 2 ) за время и 30 мс. При выполнении этих условий информация из памяти ЭВМ СМ-4 передается по каналу прямого доступа в ЭВМ ЕС-1040 и записывается там на магнитую ленту для последующего off-line анализа. На первом уровне отбора использовались программируемые быстрые микросхемы памяти К500РЕ149. Блок-схема быстрой логики приведена на рис. 4. Использование микросхем памяти в качестве элемента отбора определенных комбинаций входных сигналов позволило учитывать многобразие вариантов срабатывания счетчиков и значительно сократить задержку триггера. В

чисжь* *<фС*аы «эмлзро |у*о «омрм

м*м Зсч

V» |*ЛЗЦ]|мвзц*АК$ [клэа]

доЬ* '-11-^ 1--1

|лп I

ГТ^_ I

I «л-]5> I

Е Запася

Рис. 4: Принципиальная блок-схема быстрой логики.

КЛ 353 - схема формирователь - задержка; КЛ 354 - схема совпадений;

ЛП - схема отбора; МС КЛ 360 - схемы мажоритарных совпадений.

системе быстрой логики используется информация с пропорциональных камер. Для этого сигналы БЫСТРОЕ ИЛИ из заранее выбранных камер объединяются в группы и подаются на входы схем мажоритарных совпадений. В нашем случае требовалось, чтобы в выбранных камерах сработало > 3 групп. Применение мажоритарных схем совпадений уменьшило число запусков в «300 раз.

В системе быстрой логики (БЛ) можно условно выделить схемы 1-го уровня, работающие с сигналами от детекторов, и схемы 2-го уровня, производящие логическую обработку сигналов со схем 1-го уровня. Связь между этими уровнями производится через элементы управления, установленные в каждом канале. В каждом канале независимо могут осуществляться следующие операции:

• передача сигнала от схемы 1-го уровня;

• отключение передачи сигнала (при этом возможна подача контрольного сигнала);

• установка постоянного сигнала (потенциала) на входе схемы 2-го уровня.

Наличие элементов контроля и управления, а также стандартных блоков КАМАК быстрой логики управляемых от ЭВМ, позволяет оперативно менять логику запуска, производить подбор задержек, контролировать работу ФЭУ, пропорциональных камер, самого блока БЛ.

Рис. 5: Включение РАСТРа в С-детектор.

На втором уровне отбора работает специализированный процессор РАСТР. Процессор выполняет следующие функции:

1. По сигналу "Старт" от мастер-триггера первого уровня отбора считывает информацию о событии с заранее выбранных цилиндрических камер спектрометра.

2. Организует пошаговый сдвиг информации.

3. Проверяет информацию о событии на наличие треков заранее выбранных конфигураций на каждом шаге сдвига.

4. Определяет количество обнаруженных треков заданных конфигураций за полный просмотр.

5. В зависимости от количества найденных треков сообщает ЭВМ об окончании просмотра и наличии полезного события.

6. Организует блокировку мастер-триггера первого уровня на время просмотра, а также другие служебные команды.

7. По команде от ЭВМ РАСТР может быть выключен из системы фильтрации информации и подвергнут тестированию с помощью ЭВМ.

По окончании просмотра процессор вновь готов к обработке следующего события. Способ съема информации и поиска трека поясняется рис. 5. Логические сигналы переписываются с триггеров памяти регистрирующей электроники камер в замкнутые в кольцо сдвиговые (кольцевые) регистры, после чего в регистрах осуществляется пошаговый сдвиг. При синхронном сдвиге в регистрах происходит вращение всей плоской "фотографии" события. Обычная многовходовая схема совпадений сработает на некотором шаге сдвига, если в событии присутствует трек, совпадающий с конфигурацией соединения ее входов с выходами сдвиговых регистров. Номер шага сдвига при этом определяет азимутальную координату центра кривизны трека — угол 9, а конфигурация соединения-шаблона — радиус кривизны и расстояние центра кривизны от центра мишени. С помощью набора таких схем совпадений можно реализовать требуемый массив шаблонов.

h а -

Г

s /«, »

is*

3 О i а

ига

PUUC7р. •J-* а

ПК

4»

M

СТР«».

зл-*а ПК

3j-xa

Сци"'-roioc*

ï контр. 9 о s О 8

счетч ж X а « Ж.

ПАХ Coin.

320

?тр

ГУ

- A UP О О s

КЛОЮ Г АО* к V

6Л2

VI - VII

лип ВЦП о КОНТРОЛЬ

Ki1 006 к* км ж ПА PAMt ТРОв К

Рис. 6: Общая блок-схема прохождения информации в спектрометре

APEC.

Создана программа для расчета шаблонов, покрывающих все возможные конфигурации треков. Разработана программа для имитации треков электронов в РАСТРе. Разработана система тестирования и контроля работы специализированного процессора РАСТР от ЭВМ. Тест РАСТРа такой программой занимал около 10 минут. Коэффициент подавления фоновых событий составил « 9. Эффективность распознавания

электронных треков и 96%.

Более точный поиск и идентификацию треков заряженных частиц, имеющихся в событии, осуществляет on-line программа быстрой фильтрации информации работающая с данными, считанными с триггеров памяти электроники пропорциональных камер в память ЭВМ СМ-4. Алгоритм поиска аналогичен принципу работы спецпроцессора РАСТР. Общая схема прохождения информации представлена на рис. 6. Регистрирующая аппаратура, на которую поступает информация со спектрометра, выполнена в стандартах КАМАК (9 крейтов) и ВИШНЯ.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по поиску распадов /î+—>е+е+е~ и 7Г+—►/¿~e+e"tV и исследованию распада 7Г+—►e+i/ee+e-. Вычислена полная вероятность распада 7Г+ —и показана возможность изучения этого распада на лету спектрометром APEC. Диаграммы процесса 7Г+—►/+f/e+e~ представлены на рис. 7 Наибольший

(а) (б)

Рис. 7: Диаграммы распада 7Г+—*е+иее+е~: а - часть, связанная с тормозным излучением; б - структурно-зависимая часть.

интерес для исследования представляет та часть распада, которая определяется внутренней структурой пиона ( рис. 76 ). Экспериментальный материал по распадам 7Г+—>e+i>ee+e~ и 7Г+—>р~е+е+1> получен в экспозициях по поиску распада /i+—►е+е+е~ на спектрометре APEC. Схема эксперимента показана на рис. 8. Выведенный и растянутый по времени пучок протонов с энергией 659 ±6 МэВ и интенсивностью 0,7-j-1,5 мкА поворотным магнитом направлялся на мезонообразующую мишень (М). Пионы, рожденные в мишени и вылетающие под углом 47° к оси пучка протонов, захватываются в мезонный канал III. Используемый в эксперименте пучок 7г-мезонов с импульсом 170 МэВ/с содержал ~ 20% позитронов.

СП

| мл АРЕС 1 ' СП137

Рис. 8: Схема постановки эксперимента.

Ф - фазотрон; СП - поворотный магнит; МЛ - магнитная линза; М -меэонообраоующая мишень; II - поглотитель-ловушка; ВТ - вакуумный тракт.

Распады <-е+е+е- и тг+—*е+1Уее+е~ имеют по одному электрону и по два позитрона, что дало возможность организовать общую логику оапуска установки. Всего было проведено 9 сеансов общей длительностью 800 часов, из них ~ 500 часов набора статистики. Средняя интенсивность остановок 7г+-меоонов с последующим распадом и остановкой

мюона в мишени составили ~ 5,8 • 105с-1. Таким образом, в мишени распалось Л^ = 1,1 • 1012 мюонов. Число запусков установки во время эксперимента со считыванием в ЭВМ СМ-4 колебалось в пределах 15-30 с-1, поэтому специализированный процессор РАСТР не использовался. Скорость поступления данных в ЕС-1040 составила 1-2 события в секунду. Всего на 184 магнитных лентах было записано 2,5 млн. событий. Обработка этих данных была проведена в несколько этапов на ЭВМ ЕС-1040, ЕС-1060, ЕС-1061, УАХ-8350 и персональных ЭВМ.

Выделение распада 7Г+ —>е+1/ее+е"~ происходило по следующим критериям для отбора кандидатов для этого события: наличие предшествовавшей распаду остановки пиона в мишени,.масса распавшейся частицы, одновременность прохождения всех трех заряженных частиц. В соответствии с временным разрешением, даваемым установкой, считалось, что треки в событии возникли одновременно, если по крайней мере в 3 сцинтилляторах, через которые прошли разные треки, время появления сигналов отличалось не более чем на 3 не. Таких одновременных событий с задержкой между счетчиками от 0 до 3 не оказалось 27. Число

случайных событий в интервале времени 3 - 6 не составило 9. Из 27 одновременных событий 12 по массе распавшейся частицы 140±16 МэВ удовлетворяют гипотезе о том, что это был пион. Распределение этих 12 событий по времени показано на рис. 9. Девять событий из этого

150 -II» -50

50 1 00 40

Рис. 9: Распределение одновременных событий с массой 140±16 МэВ относительно времени прихода пиона.

числа попадают во временной интервал 45 не после распада пиона. Из распределения событий по времени можно также сделать заключение о том, что ожидаемый фон случайных совпадений в принятом интервале 45 не составляет ~1 событие. Из 9 случайных событий в тот же интервал 45 не попадает 1 событие. Это также позволяет сделать заключение, что ожидаемое число случайных событий в найденных 9 случаях распада ж+-*е+исе+е~ также составляет ~1 событие.

Ожидаемое число распадов за счет внутреннего тормозного излучения, составляет в нашей статистике ~1. Полученная нами статистика практически не несет информации о вкладе тормозного излучения, хотя оно определяет, в основном, полную вероятность распада 7r+—>е+иее+е~. Среди наблюденных распадов основную часть, примерно 7 событий, составляют распады, обусловленные наличием структуры пиона.

Получена оценка парциальной вероятности распада 7Г+—*е+ i/ee+ е~ за счет наличия структуры пиона

Г(7г+—>e~l"t/ee~l"e~sp) NSp _ ,А е , 1 g , n ^ _ю rsd =--:—= й-;—» (4,6 ± 1,6 ± 0,7) • 10 ,

1 —>Ц Мост -ESD

где Nsd = 7 - число распадов, обусловленных наличием структуры пиона. Вторая ошибка - это ошибка за счет неопределенности эффективности регистрации.

При расчете эффективности регистрации распада тг+—>ц~е+е+1/ предполагалось, что матричный элемент - константа, а электрон от последующего распада ц —+ еии регистрируется во временном интервале

~ 10 ns, требовавшимся быстрой логикой отбора. Программы моделирования для различных процессов на спектрометре APEC созданы с использованием системы GEANT. Эффективность регистрации 7Г+ —> + 2е+ + и с учетом необходимых поправок (на временные ворота, энергетическые ворота и т.д.) оказалась равной е = 1.2 • 10_6 при поле 0.315 Тл. Не обнаружено ни одного события распада 7г+ —► /х- + 2е+ + и. Получена оценка верхней границы относительной вероятности распада 7г+ —► ц~ 4- 2е+ + i> на уровне достоверности 90%

Вг = < 1-6 * Ю-6-

Г(7Г+ -+ ¡X+ + IV)

Это значение Вг в 5 раз улучшает оценку, сделанную ранее в Дубне и является лучшим в мире.

Распад 7Г+—>ц+е+ é~как отмечалось ранее, обусловлен слабым и электромагнитным взаимодействием. Этот распад не наблюдался экспериментально, за исключением одного события, случайно зарегистрированного в 1955 г. в фотоэмульсиях. Имеющиеся теоретические оценки отличаются в w 8 раз, и поэтому мы повторили расчеты и изучили возможность поиска распада 7Г +—>fi+e+e~fll на спектрометре APEC.

На первом этапе методом Монте-Карло были сгенерированы события с использованием матричного элемента. Полная вероятность про-+ + + -

цесса irT^f(TcTe определяется практически полностью вкладом внутреннего тормозного излучения, и ее можно представить в виде: Д(тг+ —+ ¿i+e+e-i/д) = W(ir+ -> е~^)/\У(ж+ -» ¿t+iv) « RIB = 0.33-Ю-6. На втором этапе моделирования была расчитана вероятность регистрации распада 7Г+—спектрометром APEC. События с весом, полученные на первом этапе моделирования были пропущены через установку. В нашем случае (Рис. 10) в спектрометре отсутствовал первый ряд сцннтилляцнонных счетчиков. Для уменьшения фоновых условий предполагалось испольповапие мишени в виде вакууммированного объема. Пионы с импульсом 170 МэВ/с распадались в вакууме в цилиндре, расположенном в центре установки и имеющем длину 70 см и диаметр 10 см. Рас-падная зона - 40 см ограничивается условиями триггера. Траектория пучковых 7г+-мезонов регистрируется двумя парами разнесенных двухкоор-динатных пропорциональных камер. Спектрометр APEC использовался для регистрации позитрона н электрона от распада 7Г+ на лету. Предполагалось, что в выработке триггера будут использоваться, как и ранее, стриповые камеры (IV и IX) и второй ряд годоскопа. Моделирование проводилось при магнитном поле 500 Гс.

При интенсивности пучка пионов 1=5 • 105/с и времени экспозиции 5 • 105с при требовании прохождения е+ и е~ через разные группы в

'ис. 10: Схема эксперимента по поучению распада 7Г+—►/i+e+e-i/M. Кремами на треках частиц отмечено срабатывание детекторов: 1 - двухко-Фдинатные пучковые пропорциональные камеры, 2 - вакуумированный )бъем, 3 - вакуумированный распадный объем, 4 - цилиндрические про-юрциональные камеры (точками отмечены двухкоординатные камеры), I - сцннтилляторы.

амерах (IV, IX) и разные счетчики второго ряда годоскопа, ожидаемое тело случаев детектирования N,г-,Meei/ » 180-^200. При отсутствии вто-юго ряда можно иметь ^-.дееv и 430-j-450. Из этих оценок следует, что сть реальная возможность изучить распад 7Г+—на установке

1РЕС.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Предложен и реализован вариант нестандартного включения магнита СП-173 для получения однородного магнитного поля в магнитном спектрометре APEC, созданного впервые в мире для исследования редких распадов мюонов и тг-мезонов на мезонных фабриках.

2. Разработана и создана методика изготовления 36 сцинтилляци-онных счетчиков цилиндрического годоскопа спектрометра APEC, изучены их характеристики и написана универсальная программа моделирования методом Монте-Карло светосбора в оптических системах широкого класса.

3. Разработан и создан комплекс программ для наладки и диагностики регистрирующей электроники пропорциональных камер (~ 16000 каналов) и испытания камер.

4. Разработана и создана система управляемого от ЭВМ быстрого многофункционального триггера спектрометра APEC на основе информации со сцинтилляционного годоскопа и пропорциональных камер, позволяющая осуществлять регистрацию событий различного класса в одной экспозиции с учетом конфигурации событий.

5. Разработан и создан комплекс программ для специализированного процессора РАСТР для быстрой фильтрации событий при исследовании редких процессов на спектрометре APEC.

6. При обработке информации об остановившихся в мишени 1,1 • 1012 7Г+-мезонов обнаружено 8 распадов 7Г + —*е+иее+е~, и вычислена парциальная вероятность этого распада за счет наличия структуры пиона Rsd = (4.6 ± 1.6 ± 0.7) • Ю-10.

7. На основании набранной статистики получена верхняя граница относительной вероятности распада тг+ —> + 2е+ + и на уровне достоверности 90%

Г(тг+ -> ¿1+ + и^)

Полученное значение Вг в 5 раз улучшает единственную в мире оценку, сделанную ранее в Дубне.

8. Расчитана полная вероятность распада R(n+ —► p+e+e~i>ß) = W(Л-+ — (i+e+e-v^/Win•+ — ц+v») к RIB = 0.33 • Ю-6 и промоделирован вариант постановки эксперимента по изучению этого распада на лету на спектрометре APEC.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранов В.А. Программы контроля пропорциональных камер и электроники на линии с ЭВМ М-6000. - Сообщение ОИЯИ, 1311373, Дубна, 1976.

2. Баранов В.А., Журавлев Н.И., Коренченко A.C., Коренченко С.М., Корнев В.И., Кравчук Н.П., Косарев Г.Е., Кучинский H.A., Мжа-вия Д.А., Моисеенко A.C., Некрасов К.Г., Смирнов B.C., Филиппов А.И. Автоматизированный стенд для испытания цилиндрических пропорциональных камер. - Сообщение ОИЯИ, 13-12631, Дубна, 1979.

3. Баранов В.А., Коренченко С.М., Смирнов B.C., Хомутов Н.В. Система автоматического контроля параметров детектора ¡заряженных частиц спектрометра APEC. - Сообщение ОИЯИ, 13-80-226, Дубна, 1980.

4. Баранов В.А., Журавлев Н.И., Иленбург Р., Коренченко С.М., Корпев В.И., Кучинский H.A., Медведь C.B., Синаев А.Н., Чурин И.Н., Шварценберг Ф. Систем а сбора и первичной обработки информации, получаемой на С-детекторе спектрометра APEC. - Сообщение ОИЯИ, 13-81-162, Дубна, 1981.

5. Баранов В.А., Евтухович П.Г., Зязюля Ф.Е., Иленбург Р., Комаров В.И., Коренченко A.C., Коренченко С.М., Косарев Г.Е., Костин Б.Ф., Кравчук Н.П., Кучинский H.A., Мжавия Д.А., Мицель-махер Г.В., Моисеенко A.C., Некрасов К.Г., Смирнов B.C., Филиппов А.И., Фурсов А.П., Русакович H.J1., Хомутов Н.В. Детектор (заряженных частиц спектрометра APEC. - Сообщение ОИЯИ, 1381-381, Дубна, 1981.

6. Баранов В.А., Евтухович П.Г., Зяоюля Ф.Е., Иленбург Р., Коренченко С.М., Мицельмахер Г.В., Сергеева Н.В. Логика построения и моделирование специалиоированного процессора РАСТР для С-детектора спектрометра APEC. - Сообщение ОИЯИ, 13-82-769, Дубна, 1982.

7. Баранов В.А., Ванхо Ю., Евтухович П.Г., Зязюля Ф.Е., Коренченко A.C., Коренченко С.М., Костин Б.Ф., Кравчук Н.П., Кучинский H.A., Мжавия Д.А., Моисеенко A.C., Некрасов К.Г., Смирнов B.C., Филиппов А.И., Хомутов Н.В. Системы оапуска и съема информации спектрометра APEC. - В сб.: XII Международный симпозиум по ядерной электронике. Д13-85-793, Дубна, ОИЯИ, 1985, с.310.

8. Baranov V.A., Evtukhovich P.G., Filippov A.I., Fursov A.P., Koren-chenko A.S., Korenchenko S.M., Kostin B.F., Kravchuk N.P., Kho-mutov N.V., Kuchinsky N.A., Moiseenko A.S., Mzhavia D.A., Nekra-sov K.G., Povinec P., Smirnov V.S., Vanko J., Zyazyulya F.E., ARES spectrometer. - NIM, 1986, V.B17, p.438.

9. Баранов B.A., Евтухович П.Г., Коренченко С.M., Мжавия Д.А., Смирнов B.C., Цамалаидое З.Б., Изготовление и исследование цилиндрических сцинтшляционных счетчиков спектрометра APEC. - ПТЭ, 1987, т.6., с.40.

10. Баранов В.Л., Кисель И.В., Коренченко С.М., Кучинский H.A., Мжавия Д.А., Цамалаидзе З.Б., О распаде тг+ —* ¡i" ■ + 2с+ + v. - Ядерная физика, 1991, т.54, с.1298.

11. Баранов В.А., Глаоов A.A., Кисель И.В., Коренченко A.C., Коренченко С.М., Кравчук Н.П., Кучинский H.A., Моисеенко A.C., Некрасов К.Г., Смирнов B.C., Филиппов А.И., Фурсов А.П., Хомутов Н.В., Чернявский H.H., Яковлев С.И., Евтухович П.Г., Зязю-ля Ф.Е., Мжавия Д.А., Цамалаидэе З.Б., Ванко Ю., Повинец П., Сарка Я., Поучение распада 7г+ —► е+иее+е~. - Ядерная физика, 1991, т.55, с.2940.

12. Баранов В.А., Коренченко С.М., Костин Б.Ф., Кравчук Н.П., Кучинский H.A., Мжавия Д.А., Цамалаидзе З.Б., О распаде 7г+ —+

+ е+ + е" + - Сообщение ОИЯИ, Р1-92-131, Дубна, 1992.

Рукопись поступила в издательский отдел 21 апреля 1994 года.