Содержание к диссертации
Введение
Глава І Упругое РР рассеяние и анализ РР рассеяния вперед 14
1.1. Экспериментальный метод 14
1.2. Анализ процедуры измерения 17
1.3. Дифференциальные сечения упругого РР рассеяния и амплитуда рассеяния вперед 19
1.4. Анализ РР рассеяния вперед 22
Глава II Анализ электромагнитного формфактора протона вблизи РР -порога 40
II.1. Формула Розенблюта 40
II.2. Методы вычисления нуклонных формфакторов 44
II.3. Измерение формфактора протона во времени подобной области вблизи порога 48
II.4. Описание данных эксперимента PS170 по электромагнитному формфактору протона 56
Глава III О согласованности результатов экспериментов по изучению РР взаимодействия вблизи порога, выполненных на установках LEAR и ADONE ..70
III. 1. Данные коллаборации OBEL1X по полным и аннигиляционным сечениям и новый кандидат на бариониум 70
III.2. Результаты эксперимента FENICE и их сравнение с данными коллаборации OBEL1X 76
Заключение 81
Приложение 1 82
- Дифференциальные сечения упругого РР рассеяния и амплитуда рассеяния вперед
- Измерение формфактора протона во времени подобной области вблизи порога
- Описание данных эксперимента PS170 по электромагнитному формфактору протона
- Данные коллаборации OBEL1X по полным и аннигиляционным сечениям и новый кандидат на бариониум
Введение к работе
Целью работы является интерпретация неожиданных результатов экспериментов по изучению упругого /;;; рассеяния вперед и определению модуля электромагнитного формфактора протона вблизи рр порога на основе гипотезы о существовании бариониума с малой энергией связи.
Экспериментальные исследования рр - взаимодействия стали возможны после того, как в 1955 г. было зарегистрировано рождение антипротона [1]. Однако долгое время они затруднялись тем, что пучки медленных антипротонов не обладали необходимыми характеристиками. Действительно, антипротоны составляют небольшую часть вторичных частиц, возникающих при столкновении энергичных протонов с мишенью. Кроме того, они рождаются в широком интервале углов и энергий.
Существенный прогресс был достигнут к 1981г., когда в CERN (Европейский Центр Ядерных Исследований) был создан аитипротонпый накопитель. В нем антипротоны накапливались, очищались от примесей короткоживущих пионов. Кроме того, с помощью специальной процедуры уменьшался разброс по энергиям и направлениям. Подавление продольных колебаний пучка называется "стохастическим охлаждением" и было предложено Будкером А. М. "Охлажденные" и замедленные пучки антипротонов направлялись на установку LEAR (Низко энергетическое аитипротонное кольцо). На ней была выполнена обширная программа исследований по рр -взаимодействиям при низких энергиях. Ниже, однако, ограничимся анализом только последних экспериментов но поиску связанного состояния протона и антипротона - бариониума.
Остановимся сначала па теоретических основаниях существования бариониума. Впервые вопрос о нем был поднят в работе Ферми и Янга [2] в связи с открытием л-мезона еще до экспериментального обнаружения антипротона. В ней пион рассматривался как связанное состояние протона и антипротона на том основании, что некоторые компоненты нуклон-нуклонных сил при рассмотрении взаимодействий нуклонов и антинуклонов из отталкивающих превращались в притягивающие. Впоследствии вопрос о переходе от NN -потенциала к AW-потенциалу обсуждался И.С.Шапиро с сотрудниками [3] и другими авторами [4]. Кварковыс модели также дают указание на существование бариопиума [5]. Связанные состояния NN системы искались путем наблюдения рождения моноэпсргстичсских частиц при pN взаимодействиях в покое и на лету. Два различных экспериментальных подхода были использованы для поиска рп и рр связанных состояний при pd взаимодействии путем измерения энергетических спектров нуклонов отдачи (рип- соответственно). В альтернативном подходе измерялось энергетическое распределение продуктов аннигиляции при захвате р в аптииротониом атоме (в частности в протониуме (рр). Изучалось образование глубоко связанного состояния (энергия связи порядка 100 МэВ) с помощью моноэнергетического я или у перехода с орбит протониума (энергия связи порядка 10 КэВ).
Опишем подробнее первый подход [6]. При взаимодействии /Г с жидким дейтерием pd -» (рр -> Х)п; (рп —> X)р нуклон отдачи при образовании состояния X уносит часть энергии. Главный вклад в амплитуду процесса определяется квазисвободным рассеянием (Рис. 1а), а мезонное (Рис.16) или нуклонное иерерассеяние (Рис. 1с) могут р Q===d-— р d -...-. - -' & (а) (с) р rv_ N
Рис. 1 затушевать эффект связанного состояния. При аннигиляции на лету может образоваться не только связанное состояние, но и резонанс. В нерелятивистском пределе для состояния близких к порогу величина недостающей массы О определяется приближенным выражением
Т-ЗТ„ Q = Мх -2М = - + (ТТ„Y1 cos0 где Мх— масса искомого состояния, М — масса нуклона, Т — кинетическая энергия падающего антипротона, TN — кинетическая энергия нуклона отдачи и
0 — угол его вылета в лабораторной системе (Приложение 1). В экспериментах на дейтсрисвой пузырьковой камере в DNL (Брукхэвинская национальная лаборатория) были получены указания на существование узких рп состояний с энергией и шириной (1794; 8) МэВ, (1897; 25) МэВ и S(1932) МэВ резонанса [7]. Однако, как в опытах в CERN на пузырьковых камерах [8], так и в более поздних опытах в BNL [9] эти результаты не подтвердились. Наиболее обширный эксперимент Амслера был выполнен в BNL на жидкой детейриевой мишени с целью поиска связанных состояний рр и рп. Состояния рп ранее не изучались в связи с трудностью регистрациинейтропов.Схема эксперимента изображена на (Рис.2). Антипротонный пучок очищался двумя электростатическими сепараторами Е1,
Рис. 2 ІЇ2 и магнитным спектрометром М. Телескоп S0S1S2 выделял направление пучка на мишень Т. Отношение числа частиц у- в мишени было порядка
10%. При импульсе 500 МэВ/с поток антипротонов составлял 2000 в одном импульсе. Проволочные камеры Wl, W2, W3 обеспечивали точность определения импульса антипротона 0.7%. Антипротоны останавливались в однометровой мишени Т. Место аннигиляции (вершина) измерялось с точностью до + 2 cm вдоль пучка двумя парами плоских многопроволочных пропорциональных камер L, расположенными над и иод мишенью. Антипротоны поглощались в среднем на глубине 62 см. Треть всех взаимодействий происходила с импульсом меньше 300 МэВ/с, т.е. на меньшей глубине.
Энергия нуклона отдачи определялась по времени пролета между вершиной и пакетом пластиковых сцинциляторов A-D. Главный вклад в разрешающую способность по энергии определялся точностью измерения времени пролета в ±500 пс. Угол отдачи нуклона определялся положением вершины и точкой попадания его в сцинциляционный счетчик, которая измерялась с точностью ±5 cm по разности времен регистрации. Она была откалибрована но моиоэнергетическим нейтронам от реакций к'р -» уп(9 МэВ) и n~d -»пп(б8 МэВ) (величина энергетического разрешения). Большой кристалл (N) из Nal диаметром 30 дюймов, окруженный стальным кожухом, использовался для измерения инклюзивного спектра фотонов от J)d аннигиляции.
4« 10 п Z 2
Э.«1(/ г—п г-1 п П (1 » (рп! (РР) »i *
I7O0 1750 I8O0 1850 I9O0 MISSING MASSlMeV)
Рис.3
Распределение недостающих масс Мх от pd аннигиляции приведено на Рис.3 для рп и рр взаимодействий. Обрезание в спектре рп событий при 1500 МэВ объясняется поглощением протонов в мишени.
Сразу же иод порогом вид распределения недостающих масс определяется внутренним движением спектатора (р) в дейтерии. Длинный "хвост" распределения возникает за счет множественного перерассеяния типа перерассеяния на Рис.lc [14J. Никаких значимых отклонений в спектре Мх(рп) не наблюдается. Для образования связанного состояния с шириной порядка энергии разрешения и меньше 4S предел для рп составляет 6 10"4 и 2
Ю-'1 для pp. В спектре Мх(рр) обнаруживается рост при Мх>\800МэВ вплоть до границы наблюдения 1850 МэВ. Авторы предлагают объяснять это усиление влиянием рр взаимодействия в начальном состоянии. Оно сильно анизотропно по углу рассеяния, что и отражается в спектре Мх. Это распределение и взаимодействие на лету не подтвердили существование состояний 1794 МэВ и 1897 МэВ. Отмечено, что позднее в CERN также проводились опыты по поиску узких NN состояний в аннигиляции антипротонов с импульсами 650 МэВ и 817 МэВ. Упомянутые выше состояния не были обнаружены. Однако эти результаты не противоречат возможности существования связанного состояния в интервале 1850 < Мх < 1876 МэВ с ширинами меньше энергии разрешения 2 МэВ.
Альтернативным подходом к изучению NN связанных состояний является обнаружение моноэпергстических л"*, л-0 и у квантов от переходов из рр атомных состояний. Так как правила отбора для излучения л-*, л-0 и у различны, то существует несколько разных случаев таких переходов. Для излучения л"-мезонов и электромагнитных М переходов сумма /,,+!,+/ должна быть нечетноіі ( Ln Lf угловые моменты начального и конечного состояний, а / - угловой момент уносимый мезоном или фотоном). Для Е переходов у квантов сумма четна. При излучении л (или у ) с-четность сохраняется и для пионов в кроме того сохраняется G-четность и изотонический спин. В потенциальных моделях вычисление вероятностей переходов с учетом этих правил отбора были выполнены Довером [11]. Переходы с АЛ = Л, - Lf | = 0 или 1 предпочтительнее чем с АЛ > 1, которые подавлены на несколько порядков. Типичные вероятности перехода из атомного состояния в ядерное для АЛ = 0,1 порядка 10"2—10"3
В BNL и CERN были выполнены исследования электромагнитных у линий с помощью детектора на основе Nal . В работе [12] сообщалось о трех линиях при 183, 216 и 420 МэВ с выходом 7*10'3 Эти эксперименты были повторены Рихтером [13] также с помощью детектора на основе Nal в виде шарового сектора с вдвое большей статистикой. Линии 183 и 216 МэВ были подтверждены и наблюдались две дополнительных при 102 и 550 МэВ. Соответствующие им массы связанных состояний равны 1771, 1694, 1638 и 1210 МэВ, что указывает на большие энергии связи.
Па установке Лмслсра (Рис.2) также изучались монохроматические переходы между NN состояниями [15]. Для этого использовались реакции pd -> XN, X —» X' у . Угол вылета и энергия нуклонов отдачи определялись с помощью временных измерений на установке (Рис.2). Фотон регистрировался Nal кристаллом N. Энергия фотона корректировалась на Доплеровский сдвиг. х ' ш *Vr*-*_
IDS 150 70Q PM010N enerc» imevi
Рис.4
Спектры распределения по оперши дня аннигиляции п покое и налету приведены на (Рис.4). Авторы объясняют рост распределений при малых энергиях за счет медленных нейтронов, а никаких существенных неодиородностей в спектре нс обнаружено. Однако, по-нашему мнению, эти результаты не исключают наличие структуры в распределении при Е < 50 МэВ. Измерение распределений монохроматических заряженных пионов [14] в процессе рр-^Х*к~ при импульсах антипротонов 1,3 ГэВ/с также нс дало указаний на наличие NN связанных состояний.
Хотя выше бариониум был определен как состояние с массой меньшей массы двух нуклошшх масс, его понимают иногда более широко как резонансное состояние с любой массой. Из состояний такого типа наиболее известен S (1930) мезон. Он был обнаружен в 1966г. в распределении по недостающей массе [16] в реакции п~ р -» рХ~. Позднее S -мезон наблюдался в нескольких экспериментах, например, в пузырьковой камере [17] при массе около 1930 МэВ, а иногда его существование отвергалось [18]. Обсудим его проявление в полном сечении (Рис.5) и сечении аннигиляции, так как эта информация будет существенно использована при анализе амплитуды упругого ;;/; рассеяния вперед.
В эксперименте Carroll [19] по измерению полных ~рр и pd сечений был обнаружен их рост при импульсе 475 МэВ/с налетающего антипротона, указывающий на состояние с массой и шириной (М,Г)=(1932; 9) МэВ и интегральным сечением 160 мбМэВ. Сравнение данных на водороде и дейтерии говорило в пользу изотопического спина объекта равного 1. Позднее структура (1936; 9) МэВ наблюдалась в эксперименте па пузырьковой камере в CHRN [20] с интегрированным сечением 95 мбМэВ. S-рсзоиаис наблюдался и при более тяжелых массах (1939; <4) в сечениях аннигиляции и упругом рассеянии с интегрированным сечением в 26 ±6 и 20 ±10 мбМэВ соответственно [21]. Хотя и нс ожидается, что NN состояния сильно связаны с многомезонными конечными состояниями, влияние фазового объема вблизи порога приводит к заметным сечениям аннигиляции. В измерениях полного сечения Sakomoto и др. [22] S-мезон на пределе статистической достоверности имел параметры (1935; 5) Mali с интегральным сечением 15 ±4 мбМэВ. В исследовании, выполненном в BNL [23J, в полном сечении и сечении аннигиляции на водороде обнаружена структура с параметрами (1939; 20) МэВ и высотой 3 мб над фоном [24J. Эта структура не наблюдалась в pd взаимодействии. Поскольку резонанс с изосиином 1 должен проявляться в три раза чаще на дейтерии, чем на водороде, то последний факт свидетельствует о нулевом изоспине этого объекта.
-101 і И j І і 1 і 1 і LAB. MOMENTUM (MeV/c) Рнс.5
На Рис.5 приведены предсказания работ [19-23J по сравнению с плавной кривой, интерполирующей результаты работы [24J но полным сечениям, а также отклонения экспериментальных точек этой работы от плавной кривой. Интерполяционная кривая из [24] принята за базовую, так как в этом эксперименте на 90% уровне достоверности было отвергнуто существование структур с площадью 24 мбМэВ. (Рис.5) демонстрирует, что узкая структура работы [21] с площадью 46 мбМэВ исключается, в то время как структура с интегрированным сечением в 12 мбМэВ [23] может присутствовать.
К работам по измерению полных сечений рр рассеяния примыкают измерения дифференциальных сечений упругого рр рассеяния и определение параметра р - отношения действительной части к мнимой части амплитуды упругого рр -рассеяния вперед. Измерение р было выполнено в BNL в работе [25]. Результаты приведены на (Рис.6). Сплошными кружками отмечены значения р , полученные без учета спиновых эффектов. Окружности относятся
0.4 g 0.3 < с 0.2 I 0.1
2 о.о Г" _1j -0.2 <
500 Momentum [MeV/c]
Рис.6 к значениям р, полученным с использованием предсказаний спиновых эффектов Парижским NN потенциалом. Хотя зависимость р от спиновых эффектов и проявляется, общим свойством двух наборов значений р является малость его значений при импульсах 350< р <650 МэВ/с и вероятное присутствие нуля р.
Ограничимся обзором этих экспериментов, поскольку они будут важны для нашего исследования и получат дальнейшее развитие на установке LEAR. Если говорить о результатах, полученных на LEAR, в целом, то они являются повторением ранее выполненных экспериментов на новых установках и с новыми пучками антипротонов. Предыдущие эксперименты были в основном поставлены на пузырьковых камерах или жидководородных мишенях. Это приводило к тому, что рр системы аннигилировали из состояний с угловым моментов L=0 за счет подавления электромагнитных каскадов. В водородном газе наоборот ожидается большой выход аннигиляции с Р -орбит. Моделыю-зависимые оценки дали выход в 50%~90% с Р -орбит при нормальном давлении и температуре водородного газа. Все эти особенности были реализованы в эксперименте ASTERIX, изучавшем рр аннигиляцию в покое. Были рассмотрены следующие процессы:
1. рр -> KSKSIKSL,
2. рр —> рл
3. рр-*Х*я*
4. рр-^Ху(х -+2л+2л~)
База данных, например, для первого процесса составляла 1.5-106 аннигиляции в четырех лучевых событиях рр->2л+2л~Х , где Х- невидимые нейтральные объекты (в основном л ) [27]. В нем не было получено прямых указаний на существование NN связанных состояний. В третьем процессе энергия связи возможного связанного состояния превышает 200 МэВ. Поэтому, ие смотря на аналогичные отрицательные результаты поиска бариониума в этих и в других каналах, нельзя исключить его существования с малыми энергиями связи.
На установке LEAR были получены новые данные но амплитуде упругого рр рассеяния вперед (эксперименты PS-172 и PS-173). Новизна их состоит в необычном поведении р(р) при импульсах ~200 МэВ/с. Малые значения р и особенно положительность при Р=180 МэВ/с (Рис.7) вызывают большие трудности в понимании их с точки зрения дисперсионных соотношений [28]. Объяснению этих особенностей поведения р посвящена глава 1, в которой подробно рассмотрен эксперимент по измерению дифференциальных, полных сечении и р. Разобраны различные подходы к объяснению р(р) и использована модель, основанная на дисперсионных соотношениях. С помощью этой модели дано объяснение энергетического хода TOtAL CM. EHCRGT (MeV) 1BQ0 1900 1950 2000
О 0* Р $ 0.2 2 і 0 а -0.2
0. 0 1 0.2 0.3 0.4 0 5 0 6 0.7 OS BEAM MOMENTUM (G»V/c)
Гис.7 а„„ » Р сделай вывод о наличии у системы /;/; связанного состояния с малой шириной и энергией связи.
В главе 11 описан PS-170 эксперимент но измерению электромагнитного формфактора протона с помощью процесса рр -» е*е~ . Измерения привели к неожиданно резкому падению формфактора протона в окрестности рр порога, которое сильно отличается от предсказаний модели векторной доминантности. Такое поведение протонного формфактора может быть связано с наличием около порога связанного рр состояния. Используя результаты главы 1, мы показываем, чго найденные в пей параметры объясняют и поведение электромагнитного формфактора прогона. Изучена модельная зависимость вывода о наличии бариониума. Сделаны предсказания относительно влияния бариониума на поляризацию в процессе рр -> е+е~ .
В главе III показано, что вышеупомянутые эксперименты на LEAR и данные по изучению реакции е+е~ -» адроны, выполненные в эксперименте FENICE на установке ADONE согласуются между собой.
В заключении подведены итоги по исследованию наличия квазиядерного связанного состояния в системе рр и обсуждается возможный эксперимент по его обнаружению.
Дифференциальные сечения упругого РР рассеяния и амплитуда рассеяния вперед
Распределение недостающих масс Мх от pd аннигиляции приведено на Рис.3 для рп и рр взаимодействий. Обрезание в спектре рп событий при 1500 МэВ объясняется поглощением протонов в мишени.
Сразу же иод порогом вид распределения недостающих масс определяется внутренним движением спектатора (р) в дейтерии. Длинный "хвост" распределения возникает за счет множественного перерассеяния типа перерассеяния на Рис.lc [14J. Никаких значимых отклонений в спектре Мх(рп) не наблюдается. Для образования связанного состояния с шириной порядка энергии разрешения и меньше 4S предел для рп составляет 6 10"4 и 2.
Ю- 1 для pp. В спектре Мх(рр) обнаруживается рост при Мх \800МэВ вплоть до границы наблюдения 1850 МэВ. Авторы предлагают объяснять это усиление влиянием рр взаимодействия в начальном состоянии. Оно сильно анизотропно по углу рассеяния, что и отражается в спектре Мх. Это распределение и взаимодействие на лету не подтвердили существование состояний 1794 МэВ и 1897 МэВ. Отмечено, что позднее в CERN также проводились опыты по поиску узких NN состояний в аннигиляции антипротонов с импульсами 650 МэВ и 817 МэВ. Упомянутые выше состояния не были обнаружены. Однако эти результаты не противоречат возможности существования связанного состояния в интервале 1850 Мх 1876 МэВ с ширинами меньше энергии разрешения 2 МэВ.
Альтернативным подходом к изучению NN связанных состояний является обнаружение моноэпергстических л" , л-0 и у квантов от переходов из рр атомных состояний. Так как правила отбора для излучения л- , л-0 и у различны, то существует несколько разных случаев таких переходов. Для излучения л"-мезонов и электромагнитных М переходов сумма /,,+!,+/ должна быть нечетноіі ( Ln Lf угловые моменты начального и конечного состояний, а / - угловой момент уносимый мезоном или фотоном). Для Е переходов у квантов сумма четна. При излучении л (или у ) с-четность сохраняется и для пионов в кроме того сохраняется G-четность и изотонический спин. В потенциальных моделях вычисление вероятностей переходов с учетом этих правил отбора были выполнены Довером [11]. Переходы с АЛ = Л, - Lf = 0 или 1 предпочтительнее чем с АЛ 1, которые подавлены на несколько порядков. Типичные вероятности перехода из атомного состояния в ядерное для АЛ = 0,1 порядка 10"2—10"3
В BNL и CERN были выполнены исследования электромагнитных у линий с помощью детектора на основе Nal . В работе [12] сообщалось о трех линиях при 183, 216 и 420 МэВ с выходом 7 10 3 Эти эксперименты были повторены Рихтером [13] также с помощью детектора на основе Nal в виде шарового сектора с вдвое большей статистикой. Линии 183 и 216 МэВ были подтверждены и наблюдались две дополнительных при 102 и 550 МэВ. Соответствующие им массы связанных состояний равны 1771, 1694, 1638 и 1210 МэВ, что указывает на большие энергии связи.
Па установке Лмслсра (Рис.2) также изучались монохроматические переходы между NN состояниями [15]. Для этого использовались реакции pd - XN, X —» X у . Угол вылета и энергия нуклонов отдачи определялись с помощью временных измерений на установке (Рис.2). Фотон регистрировался Nal кристаллом N. Энергия фотона корректировалась на Доплеровский сдвиг.
Спектры распределения по оперши дня аннигиляции п покое и налету приведены на (Рис.4). Авторы объясняют рост распределений при малых энергиях за счет медленных нейтронов, а никаких существенных неодиородностей в спектре нс обнаружено. Однако, по-нашему мнению, эти результаты не исключают наличие структуры в распределении при Е 50 МэВ. Измерение распределений монохроматических заряженных пионов [14] в процессе рр- Х к при импульсах антипротонов 1,3 ГэВ/с также нс дало
указаний на наличие NN связанных состояний.
Хотя выше бариониум был определен как состояние с массой меньшей массы двух нуклошшх масс, его понимают иногда более широко как резонансное состояние с любой массой. Из состояний такого типа наиболее известен S (1930) мезон. Он был обнаружен в 1966г. в распределении по недостающей массе [16] в реакции п р -» рХ . Позднее S -мезон наблюдался в нескольких экспериментах, например, в пузырьковой камере [17] при массе около 1930 МэВ, а иногда его существование отвергалось [18]. Обсудим его проявление в полном сечении (Рис.5) и сечении аннигиляции, так как эта информация будет существенно использована при анализе амплитуды упругого ;;/; рассеяния вперед.
В эксперименте Carroll [19] по измерению полных рр и pd сечений был обнаружен их рост при импульсе 475 МэВ/с налетающего антипротона, указывающий на состояние с массой и шириной (М,Г)=(1932; 9) МэВ и интегральным сечением 160 мбМэВ. Сравнение данных на водороде и дейтерии говорило в пользу изотопического спина объекта равного 1. Позднее структура (1936; 9) МэВ наблюдалась в эксперименте па пузырьковой камере в CHRN [20] с интегрированным сечением 95 мбМэВ. S-рсзоиаис наблюдался и при более тяжелых массах (1939; 4) в сечениях аннигиляции и упругом рассеянии с интегрированным сечением в 26 ±6 и 20 ±10 мбМэВ соответственно [21]. Хотя и нс ожидается, что NN состояния сильно связаны с многомезонными конечными состояниями, влияние фазового объема вблизи порога приводит к заметным сечениям аннигиляции. В измерениях полного сечения Sakomoto и др. [22] S-мезон на пределе статистической достоверности имел параметры (1935; 5) Mali с интегральным сечением 15 ±4 мбМэВ. В исследовании, выполненном в BNL [23J, в полном сечении и сечении аннигиляции на водороде обнаружена структура с параметрами (1939; 20) МэВ и высотой 3 мб над фоном [24J. Эта структура не наблюдалась в pd взаимодействии. Поскольку резонанс с изосиином 1 должен проявляться в три раза чаще на дейтерии, чем на водороде, то последний факт свидетельствует о нулевом изоспине этого объекта.
Измерение формфактора протона во времени подобной области вблизи порога
Стартовый сигнал для начала измерения времени пролета снимается с этого детектора, а временное разрешение составляет 500 пс. (FWHM— полная ширина на половине высоты измерения). Детектор TD состоит из сцинтиллятора диаметром 7 мм , одного фотоумножителя и расположен перед мишенью на расстоянии 15 см. Падающий антипротонный пучок определяется и считается счетчиком тройных совпадений B=FrCD TD. Специальное вычисление показывает, что расхождение пучка в мишени может быть сведено этой схемой к 8 мрад. Ширина импульса пучка измеряется по времени пролета па базе 20 м между детекторами Р и SD и равна 0,9% (FWIIM).
Жидководородная мишень расположена в центре однометровой вакуумной камеры с алюминиевыми стенками толщиной 1 см. Она состоит из двух пар камер различной толщины, которые используются в зависимости от импульса пучка. Толстая камера представляет собой вертикальный цилиндр диаметром 2 см и высотой 45 мм, сделанный из майлара толщиной 100 цм Тонкая камера мишени состоит из двух плоских дисков диаметром по 7 мм. Передний по пучку диск имеет 12 цм толщину, задний 25 цм, оба сделаны из майлара. Одна из каждой пары камер мишени пустая и используется для фоновых измерений. Диаметр пучка в мишени около 4 мм. Вся мишень перемещается вертикально и управляется дистанционно. Последний счетчик но пучку, ВАС, расположен за мишеиыо на расстоянии 70 см и имеет диаметр 3 см. Он работает по схеме антисовпадений и используется для распознавания событий, в которых антипротон не взаимодействует с мишенью. Передний годоскоп (1T1D) и полуцилипдрическая многонроволочная пропорциональная камера (М\УПС) являются главными элементами установки (Рис.8) по регистрации рассеянных антипротонов и протонов. FHD расположен на 66 см от мишени и состоит из 32 секций. Каждая секция имеет толщину 3 мм, высоту 30 см и покрывает 5 горизонтальной плоскости рассеяния. Сигнал с пес считываете ] двумя фотоумножителями, расположенными па верхней и нижней сторонах.
MW11C имеет высоту 30 см и состоит из двух полуцилиндрических анодов и трех катодов с зазорами в 10 мм. Анодные проволочки наклонены на ±12 к вертикальному направлению для обеспечения измерения по двум координатам. Проволочки имеют диаметр 20 им и сделаны из вольфрамового сплава, покрытого золотом. Расстояние между проволочками 2 цм и натяжение 70 грамм. Катод сделан из 50 им манларовой фольги покрытой углеродом, которая имеет поверхностное сопротивление 200-400 KQ/см2. Сопротивление подавляет возникновение искровых разрядов между анодными проволочками и поверхностью катода и тем самым расширяет область стабильного режима в высоковольной части плато. Камера заполняется газовой смесью аргона (65,5%), изобутаиа (30%), мэтилара (4%) и фри она (0,5%) с протоком 13 1/час. Высокое напряжение - 5,3KB подается на катод.
Верхний, нижний и задний годоскопы (U,L,BHD) установки (Рис.8) представляют пластиковые сцинциляторы, окружающие мишень. Каждый из годоскопов покрывает 54% (U/LHD), 9,6% (BHD) и 9,6% (FHD) из общих 74% от 4л геометрии. Антипейтронный калориметр (ANC) состоит из 32 модулей и окружает FIID. В измерениях рр упругого рассеяния эти годоскопы и ANE используются для измерения событий, в которых протон отдачи выбивается из мишени, а антипротон в ней аннигилирует.
Выше был определен триггер пучка В. Дополнив его новыми условиями: нет отсчетов в ВАС и по крайней мере один в годоскопах, получим триггер реакции R. В каждом выводе пучка из LI1AR, который длился около одного часа, данные считывались в следующих комбинациях мишени и триггеров: где Г и \l - обозначают заполненную и пустую мишени.
Он включает ряд моментов. Уже упоминалось выше, что разброс пучка определялся с точностью до 0,9%, что зависит от замедлителя и свойств канала пучка. Ниже 300 МэВ/с разрешение импульсов зависит от потерь в жндкоиодородпоіі мипіспи. В этом случае распределение по импульсам почти прямоугольное и составляет 0.29 полной ширины сгустка. Идентификация антипротоном осуществляется по времени пролета и потере энергии в переднем годоскопс. Используя информацию с фотоумножителей соответствующих каналов, можно определить среднее время и среднюю потерю энергии в каждом соударении. При рассеянии на большие углы антипротон останавливается и аннигилирует в мишени в то время как протон выбивается в направлении вперед. В этих событиях рождается несколько пионов и они детектируются годоскопами, окружающими мишень. Поэтому протон идентифицируется в переднем годоскопс но совпадению пионных сигналов от FIID, U/LIID или BIID. При рассеянии антипротона на средние углы, например, при импульсе 300 МэВ/с на 6О(, 0СМ 12О, обе частицы (Jin р -отдачи) покидают мишень и могут быть детектированы MWIIC и передним годоскоиом. В этом случае сектора FIID, соседние с тем сектором FIID, в котором зарегистрирован сигнал от р, фиксируют сигналы от аннигиляции.
Фон от рассеяния в SDTD и сосуде мишени определялся по работе с пустой мишенью и вычитался из измерений при полной. При 239 МэВ/с, наинизший импульс с которым использовалась 20 мм мишень, фон составлял меньше 5% общего отсчета по всем углам, учитывавшимся при анализе (0аь)- Для импульсов 181 МэВ/с применялась 7 мм мишень, фон меньше 10% для 0аь 7 . Контролировалась ось пучка. Она не всегда совпадала с геометрической осью канала пучка и иногда отклонялась от нес на несколько мм. Форма пучка была круговой. Ось пучка определялась с точностью до + 0.3. Угол рассеяния определялся координатами событий в MWIIC и геометрическим центром мишени. Поэтому ошибки в определении угла рассеяния зависят от ряда причин. Па них влияет угловая расходимость падающего пучка, конечные размеры мишени, которые приводят к некоторому распределению вершин взаимодействия и пространственное разрешение могоироволочпой пропорциональной камеры MWIIC. Было найдено, что суммарный эффект от вышеуказанных причин, приводит к разрешению, зависящему от угла, но не превышающего 1 градуса. Этот результат был проверен путем независимого метода при 0аь=45 и подтвердил полученную оценку ошибки.
Описание данных эксперимента PS170 по электромагнитному формфактору протона
В этой области существует очень мало данных. Одно из первых определений G па пороге было выполнено в работе [63] (с помощью реакции (11.16)), где изучались остановки антипротонов в водородной мишени. Из-за низкой интенсивности антипротонного пучка набранная статистика была мала. Что касается реакции (11.17), то се изучение затруднено вблизи порогаа из-за малости фазового объема системы при малых импульсах нуклонов. Кроме того, извлечение частиц из места аннигиляции встречных е+е пучков представляет трудную задачу.
Эксперимент PS170 был проведен а ЦЕРМ па установке LEAR с целью измерения сечения реакции (11.16) и определение G с хорошей статистической точностью. Измерение проводились па пучке антипротонов с пмпульлсамн от 150 до 900 МэВ/с. При импульсах до 300 МоВ было набрано около К)" антипротонных аннигиляции. Из них около 15% взаимодействовали в жидководородной мишени на лету. Основная часть р останавливалась в мишени со средней длиной пробега 12,8 см, образовывала рр атом-протопиум и аннигилировала. Таким образом, можно было изучать реакцию (11.15) как в покое, так и при различных импульсах р. В интервале импульсов пучка антипротонов от 500 до 900 МэВ с было набрано около 4-10 аннигиляции, из которых около 10 е е событий. Все это позволило увеличить статистику па порядок по отношению к предыдущим исследованиям, но определению электромагнитного формфактора во времени-подобной области. мишень Lib расположена в центре магнита с диаметром 1м и внутренним диаметром 40см Измерение импульсов вторичных частиц осуществляется центральным детектором СД, помещенным в магнитное поле, и охватывающем угол 0.8 1л в горизонтальной и ± 20 в вертикальной плоскостях. Восприимчивость системы повышается за счет двух слоев дрейфовых камер, расположенных в 1,5 м от центра системы. Сцинтилляционные годосконы для триггеров и счетчики пучка завершают установку. Пучок, мишень и годосконы имеют ряд особенностей но сравнению с соответствующими частями установки для изучения упругого рр рассеяния (Рис. 8). Пучок имеет дополнительно две пары отклоняющих магнитов для прецизионного выбора угла падения частиц на установку. При малых импульсах р до 0.3 ГэВ/с частицы полностью останавливаются в мишени 1ЛІ2, поэтому пучок входит в установку со стороны противоположной ярму. Наоборот, при больших импульсах р (до 2 ГэВ/с) пучок входит со стороны ярма, которое вместе с краем установки образует дополнительный коллиматор. Для того, чтобы добиться этого, вся установка вращается па угол около 150 . Стенки мишени должны быть максимально легкими, иначе из-за огромного числа тг в них возникнут паразитные электроны за счет у конверсии. Для того, чтобы добиться этого, они сделаны многослойными, так что общая их толщина составляет 3.7-10"3 радиационной длины. Длина мишени позволяет при малых импульсах изучать аннигиляцию как в покое, так и налету, а при больших импульсах использовать максимум светимости в области, где сечение процесса рр - е е резко падает. Наконец, полюса магнита и внутренняя поверхность железного ярма покрыта сциптилляторами (Zc,), используемыми в схемах антисовпадстшя для заряженных частиц вне телесного угла системы. Ряд счетчиков завершается системой из пяти сципцилляторов Aj, используемых в положении системы при измерении высоких энергиях для отбрасываания не проивзаимодействовавших частиц пучка. Центральный детектор (СД) обеспечивает измерение импульсов электронов от 0.3 до 2.6 ГэВ/с. В поле 10 кГ общая длина траектории составляет около 50 см, а изгиб меняется от 1 до 9 мм Он состоит из четырех мультиироволочных пропорциональных камер с катодами, которые обеспечивают на каждой из них пространственное разрешение в несколько сотен микрон. Также как и в конструкции мишени, количество использованного материала должно быть минимальным, чтобы уменьшить поправки на кулоновское рассеяние и у конверсию. Быстрая считывающая электроника обеспечивает считывание событий со скоростью 3-Ю5 с"1 и возможность использования информации с СД в триггерной логике. Для измерения реакции (11.16) с заданной точностью необходимо эффективное устройство для отбора е е пар на большом адронном фоне. Газовые черепковские счетчики хорошо приспособлены для того, чтобы давать 200 не сигналы для триггеров от е е пар. В счетчиках использован изобутан при атмосферном давлении. Изобутан был выбран потому, что обладает большим коэффициентом преломления и-1 = 138-Ю"5 и низким сциицилляциоиным эффектом. Предел для черепковского излучения составляет 10 МэВ для электронов и 2.8 ГэВ с для пионов. При импульсах ниже 1 ГэВ /с избирательность по пионам лучше, чем Ю4.
Данные коллаборации OBEL1X по полным и аннигиляционным сечениям и новый кандидат на бариониум
В последние годы коллаборация OBELIX на установке LEAR в CERN провела прецизионные измерения полных сечений аннигиляции рр и Яр при низких энергиях. Эти измерения интересны но ряду причин. Во-первых, все потенциальные модели [34,35] предсказывают существование связанных состояний и резонансов вблизи порога, которые сильно зависят от потенциалов, описывающих аппнгиляциоипые каналы. Новые данные будут способствовать уточнению их вида, установленного к настоящему времени не очень хорошо. Во-вторых, сами данные по полным сечениям аннигиляции могут служить хорошим способом поиска узких резонансов и связанных состояний в NN системе. Именно с этой целью исследование аннигиляции были включены в экспериментальную программу коллаборации OBELIX. Предполагалось, что новые данные будут получены для импульсов антипротонов меньших чем 180 МэВ/с, что само по себе является новым.
Наконец, с их помощью можно провести модельно независимый анализ рассеяния в терминах длин рассеяния и эффективных радиусов. Последнее представляет важную задачу, решенную в основном, для NN и nN рассеяния. Решение ее для NN рассеяния приблизит эту область к уже известным видам NN и nN взаимодействий. По сравнению с Ир взаимодействием рр система имеет существенную особенность, связанную с необходимостью учета кулоновских сил. Гак рр сечение аннигиляции, вычисленное с учетом кулоиовского взаимодействия и без него отличаются на величину «100 мб при Р, 60МэВ/с, в то время как эта разность составляет всего 3 мб при импульсе 300 МэВ/с. Очевидно, что при более низких энергиях по сравнению с 60 МэВ/с, роль кулоновских сил еще более велика. Другая особенность /;/; системи связана с тем, что она представляет суперпозицию изосипглстных (1=0) и изотриплстных (1=1) состояний. Для их разделения необходимо привлекать дополнительную экспериментальную информацию о сдвигах уровней протониума за счет сильных /W взаимодействий.
Экспериментальная установка ОВ1ПЛХ детально описана в работе [83] и в общих чертах напоминает ранее рассмотренную установку [64] (гл. I). Результаты измерений сечений аннигиляции вплоть до импульсов 37 МэВ/с приведены в таблице 7. Первые два набора данных с минимальными импульсами 43.6 и 46.6 M JB/C были получены до 1996 г. в работах 84 . Последние четыре значения Р -сг"",,,,,, (/? = vltlh Ic) с минимальным импульсом 37.7 МэВ/с взяты из работы [85]. Весь набор данных представлен на Рис. 29. Видно, что все группы измерений хорошо согласуются между собой. Последние измерения не увеличивают надежности несколько увеличенного значения Наиболее характерная особенность всей совокупности данных легко усматривается па Рис. 29. Она состоит в сильном нарушении известного — закона поведения сечения аннигиляции при малых импульсах. Цели при импульсах р 60 MJB/C величина Р-о "у т 40-f-43.»6 , то при р 50 МоВ/с она не остается, как ожидалось, той же самой, но резко возрастает до 507 55 мб. Это основной результат рассмотренной свидетельство того, что в сечении ат присутствуют слагаемые вида —г-, которые могут быть обусловлены подпороговым связанным состоянием. Величина о" т а и является нижней границей последней. В главах I и II существенно использовалось предположение о слабо связанном подпороговом "бариониуме" (квазиядерном состоянии). Поэтому возникает вопрос о его проявлении в о"," и а 2„. Ограничимся сейчас его постановкой, отложив ответ на него до описания результатов эксперимента FENICE на установке ADONE. Важным результатом коллаборации OBEL1X является измерение полных и ашшгиляционных пр сечений в интервале импульсов от 50 до 400 МэВ/с. До столь малых значений импульсов антинейтронов сечение были измерены впервые. Последнее связано с необходимостью преодоления ряда технических трудностей по созданию и управлению «пучком» антинейтронов. Антинейтроны получались с помощью реакции перезарядки р + р— п+п и их отношение к антипротонам составляло 36-10"6nip. С помощью системы коллиматоров «пучок» направлялся на жидководородную мишень. Эти технические сложности позволили решить ряд физических задач. Во-первых, получить сильно взаимодействующую систему, свободную от кулоновских сил, т.е. давали возможность изучать сильное взаимодействие в чистом виде. Во-вторых, NN взаимодействие изучалось в определенном изотопическом состоянии, т.к. пр система имеет изотонический спин 1=1. Это свойство выгодно отличает ее от рр системы, представляющей суперпозицию 1=0 и 1=1 состояний.
