Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение дифракционной диссоциации СДДЗ традиционно является источником информации о процессе сильного взаимодействия. Процесс дифракции происходит при высоких энергиях и малых переданных импульсах и, с другой стороны, тесно связан с процессами множественного рождения адронов. Современная теория сильных взаимодействий - КХД пока не позволяет рассчитывать процессы с небольшими передачами импульсов, к которым относится ДД. Исследование неупругих дифракционных процессов представляет интерес, так как распределение конечных адронов в дифракционном пучке оказывается тесно связанным с распределением кварков в сталкивающихся адронах и механизмом их адронизации.
Цель работы - получение и анализ экспериментального материала по эксклюзивному процессу пр —» А Кр в области импульсов налетающих нейтронов 30-70 Гэв С считаем скорость света' с - 1 Э; изучение его характеристик и сравнение с предсказаниями модели.
Новизна работы: впервые выделен и изучен эксклюзивный дифракционный процесс пр —» Л К р; показано, что в области 30-70 Гэв реакция имеет дифракционный характер. Обнаружена корреляция между направлениями налетающего нейтрона и Л-гиперона и ее связь с массой дифракционно возбужденной системы ЛК. Наблюдаются некоторые различия относительно процессов дифракционного возбуждения нуклонов без рождения странных частиц.
Практичес к ая ценность: изучение дифракционного канала пр — Л К р с рождением странных частиц дает новую информацию о процессах рождения s-s-кварков. Такие исследования интересны также
с точки зрения аналогий с рождением очарованных частиц СА ГО за
счет дифракционного возбуждения сталкивающихся нуклонов.
Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на семинаре в ЛВЭ ОИЯИ, на международных рабочих совещаниях сотрудничества БИС и на международной конференции по Физике высоких энергий в Бехине, ЧСФР С1988Э.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в
работах t1.2].
Структура и обЬем диссертации. диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и восьми приложений; содержит 120 страниц стандартного Формата, включая 3S рисунков. 11 таблиц, и библиографический список литературы из 55 работ.
В защиту выносятся следующие результаты:
1. Метод выделения эксклюзивного канала пр --» Л Кр.
S. Метод коррекции на аксептанс установки как функции многомерного Фазогого пространства.
-
Результаты измерения полного сечения процесса пр --» АКр в области энергий 30-70 ГэВ.
-
Результаты измерения дифференциальных сечений процесса пр — ЛКр в области энергий 30-70 ГэВ.
-
Результаты измерения распределений Физических величин, характеризующих процесс инклюзивного рождения системы ЛК.
-
Программа и расчет дифференциальных сечения реакции пр -- ЛКр по модели Дек к а.
Во введении обосновывается актуальность и основная цель работы - изучение величин характеризующих процесс пр —-» А К р в области энергий 30-70 ГэВ. Кратко изложено содержание диссертации.
В первой главе обсуждаются вопросы основных теоретических подходов к дифракции а также результаты экспериментальных исследований эксклюзивных дифракционных процессов с рождением странных частиц.
Во второй главе обоснованы конкретная научная задача и метод ее реализации, дано описание экспериментальной установки БИС-2.
Эксперимент БИС-2 измерял достаточное количество данных для полной реконструкции кинематики эксклюзивного процесса пр -- ЛКвр. Достоинства этого эксперимента по отношению к данной реакции заключены в следующем:
1. Спектр энергий нейтронного пучка и его точное измерение
адронным калориметром позволило исследовать характер зависимости сечения эксклюзивного канала г>р — Л Кр от энергии налетающих нейтронов в области 30-70 ГэВ. Слабая энергетическая зависимость сечения - основная характеристика дифракционных процессов.
2. Эксперимент БИС-2 обладал высоким массовым разрешением, что
обеспечивает надежную идентификацию Л-гиперонов и короткоживуиих
К-мезонов по пикам в спектрах эффективных масс систем продуктов
_ 4-ИХ распада - рп и и я соответственно.
-
Низкое ожидаемое сечение процесса пр — ЛК р требует высокой чувствительности эсперимента. Трекопыми детекторами сп^^тромотра яшшлись многопрооолочные пропорциональные камеры СПЮ поииолиющи;; работать с высокой интенсивностью вторичных частиц.
-
Эксклюзивный процесс пр —» ЛКр выделялся на Фоне инклюзивного рождения ЛК в реакциях типа пр —> Л КХ. сечение которого при наших энергиях в 30 раз превышает эксклюзивный канал. Для выделения реакции пр — ЛКр нужна регистрация протона отдачи, которая проводилась в годоекone сцинтиляционных счетчиков окружающих мишень С СОМ Э. Прибор измерял азимутальный угол направления заряженных частиц вылетевших под большим углом к оси пучка.
Установка БИС-2 Срис. 1Э содержала кроме системы ПК-СPC 1 - 15Э
v/ / *
Рис. 1 Схема
установки БИС-2.
net* rr w
-хт те їх „
R7^
входного окна 90x29см
В спектрометр
с общим числом каналов около 9000. спектрометрический магнит М типа СП-40 с сечением также входили годоскопы
сцинтиляционных счетчиков HI и Н2. годоскоп ССМ и нейтронный монитор МО. Информация с остальных приборов: пороговых черенковских счетчиков CI. CZ и черепковских счетчиков полного поглощения СЗ, С4 в данной работе не использовалась.
Система запуска требовала прохождения не менее четырех заряженных частиц через спектрометер.
Были проведены дзе экспозиции установки с водородной мишенью в несколько различающихся условиях эксперимента. Слабо менялась величина магнитного поля и геометрические характеристики ПК. Зарегистрировано 21,в-10 нейтрон - протонных взаимодействий. Светимость эксперимента составила 2,1-10 см .
В третьей главе описан метод восстановления кинематики процесса пр —» ЛК р. Привадится структура обработки данных и метод выделения реакции пр --» ЛК р в соответствии с разрешением эксперимента по физическим и геометрическим величинам. Определяется структура Фона в конечном наборе отобранных событий.
В эксперименте измерялись векторы импульсов Л и К частиц и направление налетающего нейтрона для каждого события исследуемой реакции. Эти данные позволили извлечь полную информацию о процессе пр — ЛКр. Для Фоновых инклюзивных процессов пр --» ЛК X полная кинематическая реконструкция невозможна , так как часть вторичных частиц X не регистрировались. По этой причине выбран набор кинематических переменных, которые аэ полностью описывают процесс пр —» ЛК р; бЭ корректно определены в случае инклюзивной моды, описывая свойства системы ЛК. Эти величины следующие: продольный импульс р и квадрат поперечного импульса р
L. Т
С относительно направления нейтрона} системы ЛК . ее эффективная масса И и cos9 и р полярный и азимутальный углы в системе ГоттФрида-Джексона. В случае дифракционного процесса пр ~» ЛКр величины р и р в рамках точности эксперимента совпадают с
L* Т
импульсом р налетающего нейтрона и квадратом 4-импульса t, переданного от нейтрона системе ЛК .
Процедура обработки данных состояла из ряда последовательных шагов: восстановления траекторий заряженных частиц и их импульсов.
поиска "нейтральных вилок" - возможных распадов Л и К, выделения событий нужной конфигурации. Для контроля алгоритмов каждого шага использовались моделированные события.
Разрешения по величинам характеризующим процесс пр ~» Л Кр получались с помощью моделирования и имеют следующие Формы:
оСр^э = о.ois + о.оіа рь сгэвз
о<р2Э = 0.003 + О.Ов р2 С ГэВ2]
т т
Разрешение по р не зависит от р и равно 0.009 рад. Разрешения по массе и cos нелинейно зависят от соответствующих переменных, их средние значения соответственно равны 0,011 ГэВ и 0,01. Разрешения
по эффективным массам продуктов распада А и К: М-МСрп~Э и
+ —
Н-Кя п 3 составляют о<МЭ-2 НэВ и о<М 3-4 МэВ.
2 і а
Отвирались события со следующими свойствами: 13 событие содержит пару нейтральных частиц родившихся в обшей точке в мишени без дополнительных траекторий заряженных частиц; 23 допускаемое отличие от табличных масс Ли. К 3 НэВ и 10 МэВ соответственно; 33 расстояние наибольшего сближения между траекториями Л- и К-частиц должно быть меньше, чем z-координата реконструированной точки взаимодействия меньше, чем z-координата вершин Л и К С ось z выбранна по направлению пучкаЗ. Критерии отбора оптимизировались так, чтобы получить наилучшее отношение сигнал/Фон в двухмерном распределении СМ ,Н2 С рис. 23. При оптимальных критериях 72 от полного числа С 42403 выбранных событий содержали обе частицы Л и К. а остальные не содержали Л и/или К. Большинство АК пар в выбраном наборе родилось в инклюзивной реакции пр —» ЛКХ «где X -группа частиц не зарегистрированная в ПК или не восстановленная программой реконструкции. Для выделения процесса пр — Л Кр применялись дополнительные критерии: S3 наличие одного и только одного сигнала в годоскопе ООН; 63 квадрат поперечного импульса протона отдачи С который для процесса пр --» Л Кр равен р2 пары Л К3 должен быть больше, чем 0.08 ГэВ2. Этот критерий необходим из-за поглощения медленных протоноз в мишени; 73 разность Л между азимутальным углом протона отдачи, вычисленным при гипотезе процесса пр ~» ЛКр и азимутальным углом центра сработавшего
Рис. 3 Двухмерное распределение эффективных масс: на оси х отложена эффективная масса пары Сп п Э для первой вилки события - кандидата в К; на оси у масса Срп Э для второй вилки - кандидата в Л.
счетчика ССН должна лежать внутри интервала ±16 . Распределение Л показано на рис.3. Критериям 1Э-7Э удовлетворяло 353 события.
б» « -J» « 19 *Л Н «
«. на
Рис.3 Распределение величины Л - разности азимутальных углов протона отдачи, вычисленного в предположении процесса пр -> ЛК р, и угла. соответствующего центру сработавшего счетчика ССНа. Два рисунка относятся к двум частям эксперимента.
относятся к
пр — Z К р
Анализ А-распределения показал. что 103 события Фоновому процессу пр -- ЛКХ. Вклад от процесса
кинематически близкого к реакции пр — ЛК р определялся отдельно путем моделирования. Сделано заключение, что процесс пр — Г К р
дает вклад' 73 событий в пик в Л-распределении; процесс пр — ЛКр 173 событий. В дальнейшем анализе оба последних процесса изучались вместе.
В четвертой главе описан метод коррекции экспериментальных данных на эффективность регистрации и реконструкции процесса пр —» ЛКр. В конце главы вычисляается полное сечение реакции пр — Л К р.
Процесс пр —» ЛКр с неполяризованными начальными частицами полностью описывался пятью независимыми кинематическими величинами. Их выбор был описан выше. В каждой точке этого пятимерного Фазового пространства, где регистрируется реакция пр —» Л Кр, вычислялась соответствующая эффективность регистрации методом Монте-Карло. В результате каждому экспериментальному событию присваивается вес W, равный обратной величине эффективности регистрации. Распады К —» я тт моделировались изотропно, а распады Л —» рп по данным о дифракционном процессе рр —» ЛК р.
При вычислении полного сечения данные из области 0,08<|t|<0,28 ГэВ^ экстраполировались в ненаблюдаемую область 0<|t|<0.08 Гэы . Сечение процесса пр — Л Кр в области импульсов налетающей частицы 30-70 ГэВ а - 10.3±2,5±2,8 рб. Первая ошибка статистическая, вторая систематическая, источниками которой являются: ошибка измерения светимости, ошибка коррекции на Фоновый процесс пр ~ ЕКр и систематическая ошибка, связаная с методом коррекции на аксептанс установки.
В пятой главе представлены результаты измерений дифференциальных сечений характеризующих процесс пр —* ЛКр. Приведены также характеристики системы ЛК , инклюзивно рожденной а процессах типа пр —» ЛКХ. Проведен расчет по модели Дакка СДХД Э и сравнены экспериментальные и модельные расспределения для процесса пр — ЛКр.
В отличие от полного сечения, коррекции на область 0<|t|<0,08 ГэВ^ для дифференциальных сечений не проводились. Причина заключается в сильной корреляции между t и остальными
величинами, вследствие чего для экстраполяции потребовалось бы включение моделей. Чтобы сохранить модельную независимость, приводим результаты относящиеся лишь к наблюдаемому Фазовому обьему. заключенному внутри границ:
р в СЗО - 70Э ГэВ
И « СІ.6 - 2.53 ГэВ
|t| е СО.08 - 0,533 ГэВ2
cos0 е С-1. 13
р <= СО - 2пЗ рад
Sltf'
Ошибки вычислялись по формуле г jyC/ CW.3 , где суммирование производилось по всем событиям, входившим в данный бин. Таким образом они отражают кроме количества событий также изменения аксептанса в соответствующей части фазового пространства.
аЭ Сечение процесса пр --» Л К р в зависимости от импульса р налетающего нейтрона С рис. 43 вычислялось на основе спектра р и
/">
_!_,_,.
І.
Рис. 4 Сечение сг процесса
пр -» ЛКр в зависимости от импульса налетающего нейтрона.
1,1 U
'п
известного спектра нейтронного пучка. Наблюдемая слабая зависимость сечения от р - основная характеристика дифракционного механизма. Это означает, что в области 30 - 70 ГэВ вклад недифракционных механизмов, сечение ко-гарых с ростом импульса падает, в эксклюзивный процесс пр — Л Кр пренебрежимо низкий.
63 В распределении эффективной массы М С рис.53 доминирует
широкий максимум за порогом с центром приблизительно М = 1,73 ГэВ и шириной около 200 НэВ. При более высоких Н сечение быстро падает.
Рис.3 Распределение эффективных масс Н системы ЛК для эксклюзивного процесса пр -» Акр. Данные приведены с учетом аксептанса. Линия результат расчета по модели ДХД.
Ей Сечение процесса пр ~> А К р сосредоточено прежде всего в области низких |t| С рис. баЭ. В интервале СО,08 - 0,283 ГэВ2
0.2\ 0.1
ая ate М o,v2
—'-7Г1'
мое Ctv
Ї ВСЕ М
в)
М>).Я GeV
X Т
\1
%1
от Q2S оав one аа ata ом
Рис. 6. Распределение 111 для процесса пр-» ЛК'р; аЗдля всех масс; бЭдля КХ1.8 Гэв; а)для 1.8<М<2.3Гэв. Данные приведены с учетом аксептанса. Линии- результаты фитирования экспонентой в области СО,08-0.28ЭГэва, С на рис. вЭ показан также результат фитирования в области СО.Ов-О.ЗЗЭГэвЪ.
сечение можно аппроксимировать Функцией expCA+B t3, где В -С11.4 + 3,33 ГэВ-2. В овласти СО.28-0,533 ГэВ2 сечение меняеся мало. Зависимость сечения от t сильно связана с массой дифракционной системы. Для масс М < 1,8 С рис. 663 при |t.| 0,28 ГэВ2 появляется дифракционный минимум и в области СО,08 - 0,283 ГэВГ наклон дифракционного конуса В достигает значения В — С18.0 ± 3.53 Г»В~*. Для больших масс СМ > 1,8 ГэВЭ распределение t С рис. 6вЗ приблизительно монотонно падает. В области СО,08 - 0,283 ГэВ2 получается наклон В равный С8.0 ±4,5} ГэВ 2.
гЗ Наблюдается асиметрия в углах распадов дифракционной системы А К. ПодЬем сечения С рис. 7аЗ при eos0 —» 1 указывает на
М<1В С,№*
Рис. 7 Распределение полярного угла cose в системе Готт-Фрида- Джексона для эксклюзивного процесса пр АКр: аЗ для всех масс Н; вЭ для Н < 1,8 Гэв; вЭ для 1,8<Н< 2.5 Гэв. Данные приведены с учетом аксептанса.
существование корреляции между направлениями движения исходного нейтрона и дифракционно рожденного гиперона Л. Этот эффект усиливается с увеличением дифракционной массы М Срис.7е.7вЗ. ПодЬем сечения при cosd --» -1. соответствующий ситуации, когда К мезон вылетает по направлению нейтрона, данными исключен. Сечение как Функция азимутального угла р имеет максимум при р - п. СРаспределение р на рис.8 симвтриэированно относительно значения р - п имея в виду сохранение четности в процессе пр --» Л Кр. обусловленном сильным взаимодействием. 3
/7/5 2я/^ Зп/$
Рис. 8 Распределение азимутального угла <р в системе Готтфрида- Джексона для эксклюзивного процесса пр -» ЛКр. Ланные приведены с учетом аксептанса.
Экспериментальные данные позволили изучить также характеристики инклюзивного рождения системы ЛК С рис.9ar9tO.
к.
метром N—0,0б±О,О1 С сплошная линияЭ.
Рис.9 Распределения,
характеризующие инклю
зивно рожденную систе
му ЛК в процессе пр -»
ЛК X, аЭ Распределе-
ние продольного импуль
са описывается форму
лой, эквивалентной фор
муле doVd р dX/OC -
г
N -* , Эр <1-Х> в
м.г«в
т с пара-вЭ Распределение поперечного
импульса; вЭ Полярный угол cose в системе Готтфрида-Джексона; гЭ Азимутальный угол р в той же системе; дЭ эффективная масса ЛК.
Характеры зависимостей сечения от переменной фаинмана х, р2 и cosd
Анализ р -распределения дает при параметризации инвариантного
отличаются от аналогичных в эксклюзивном канале пр — Л Кр. Анализ р -распре сечения формулой:
3 э 2
d g d g dx Ё ~XT~
величину N — -0.06 ± 0. 01. Близкая к нулю величина N характерна для инклюзивных распределений лидирующих частиц, обусловленных недифракционными процессами.
По сравнению с эксклюзивным каналом зависимость сечения от рг слабее С В -С 4. S ± 0.1Э ГэВ J. Распределение eosQ для инклюзивной моды изотропно, в отличие от эксклюзивной реакции.
Вычислялись дифференциальные сечения процесса пр — Л К р по модели Декка, учитывающей обмен К-мезоном, амплитуда которого имеет следующий ВИД: .
А = і УЗ G иСр.Э г "Ср Э FCt. Э М
FCt, Э = exp [CR2 + a' InCs /s ЭЭ Ct. -т2Э ]
Ло г 1с 2 о Лг> 1с
М = 1 s а ехрСВ ЪЭ
Кр кр кР ^ Кр
где G - константа связи нуклона с К-мезоном; иСр.Э,
иСр Э - волновые Функции Л-гиперона и нейтрона; М - амплитуда
п Кр
упругого Кр-рассеяния; F - Форм-Фактор, который описывает обмен виртуальным К-мезоном и содержит единственный свободный параметр модели - R; а*-наклон траектории Редже для К-мезона; s - Мг -
К 2
квадрат массы дифракционной системы; 3-І ГэВ - постоянный
масштабный Фактор; t. - Ср. - р ) : Ct, -m 3" - пропагатор
Лп Л п Лп к
К-мезона; а - полное сечение Кр- взаимодействия при энергии *_ кр
равной ^s ; В ~ наклон конуса при упругом рассеянии Кр.
Кр Кр
Модель описывает основные свойства дифракционного процесса пр — Л Кр С рис. 5-8D: распределение эффективных масс Н. распределение угла cose и его связь с массой Н. распределение угла р. Корреляция В-М в модели слабее. чем показывают данные С таблица 13. Для описания диФФракционного минимума и его связи с массой требуется применение более сложной модели Лекка, учитывающей эффекты перерассеяния .
Таблица 1 Величина наклона дифракционного конуса В. полученная в результате аппроксимации экспоненциальной Функцией ехр<А*"1' в области O.OS<|t |<0,28GevVc2, и наклон В, вычисленный на основе модели Декка.
В.ГэВ-2
эксперимент модель
1.6-2.S 11.4 + 3.3 11.г
1.0-1,8 18.0 + S.S 13,3
1.8-2,S 8,0 ± 4.5 10.5
Данныо о дифракционном процессе пр ~» Л Кр: полное сечение, распределение массы М. углов cosd, %>. существование В-Н и cos-M корреляций, сходны с аналогичными данными дифракционного процесса рр -- ЛК р, полученными при различных энергиях налетаюхаей частицы.
Зависимость дифракционных частей сечений процесов рр —» ЛК р и
пр —» ЛК р от импульса налетающей частицы С рис. 105 описывается
единой функцией ct ~ р , где ot - 0,17 ± 0.08, а широком диапазоне
р от S - 1500 ГэВ. lab
Проявляется сходство также с процессами дифракционной диссоциации нуклонов в нестранные частицы Спроцессы типа NN — NnN. где N обозначает нуклон). Интересное различие наблюдается в распределениях cos0. ПодЬем сечения при cos0~» -1.
J Ю ЗО Ю2 3-Ю2 Ю3 3-Ю3 ю4
РіАВ-ГзВ
Рис.10 Зависимость сечений дифракционных процесов рр — ЛК+р СточкиЭ и np —» ЛКр СкружкиЭ от импульса налетающей частицы. Линия- результат Фитирования функцией о> - РЬАВ
наблюдаемый в процессах NN -. NnN. в реакциях с рождением странной пары ЛК отсутствует. В рамках модели Декка ото можно интересовать так. что кроне вклада от процесса с мезонным обменом в реакциях NN -. NnN имеется также вклады от процесса с обменом барионом и процесса прямого рождения дифракционно* системы из налетах*** частицы, а в процессах NN - AKN вклады последних двух сокращаются.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы:
