Содержание к диссертации
Введение
1. Пион-нуклонное рассеяние 4
1.1. Физика пион-нуклонного рассеяния 4
1.2. Характеристики 71-мезона 6
1.3. Современная ситуация 6
1.4. Актуальность и цель работы 9
2. Описание установки 12
2.1. я-канал синхроциклотрона ПИЯФ 12
2.2. Жидководородная мишень 14
2.3. Спектрометр нейтральных мезонов 19
2.3.1. Конструкция спектрометра 19
2.3.2. Конструкция отдельного элемента 22
2.3.3. Конструкция ИБН 25
2.4. Система пластических сцинтилляционных счетчиков 26
2.5. Триггер и система сбора информации 27
2.5.1. Сигналы 27
2.5.2. CFD-техника дискриминирована сигналов 29
2.5.3. Триггер 30
2.5.4. Система сбора информации 32
2.5.4.1 Триггерные логические модули 32
2.5.4.2. Генератор ворот 33
2.5.4.3. Преобразователи заряд-код и время-код 33
3. Изучение характеристик спектрометра нейтральных мезонов 36
3.1. Калибровочные эксперименты на электронных пучках 36
3.1.1. Черепковский счетчик 36
3.1.2. Эксперимент на электронах и на космических мюонах 37
3.2. Эксперименты по локализации 41
3.3. Энергетические характеристики 44
3.4. Временные характеристики 47
3.5. Энергетический порог 49
3.6. Триггер и мертвое время 51
4. Постановка эксперимента 53
4.1. Схема установки 53
4.2. Проведение эксперимента 56
4.3. Запись информации на диск компьютера 58
5. Обработка и обсуждение 63
5.1. Вычисление калибровочных коэффициентов 63
5.2. Восстановление инвариантной и недостающей массы 65
5.3. Распределение событий но углу 69
5.4. Программа автоматической обработки данных 71
5.5. Вычисление аксептансов 73
5.6. DCS в интервале (0,98-1,00) по COS0 77
5.7. DCS перезарялки в диапазоне импульсов от 417 МэВ/с до 710 МэВ/ 83
5.8. Обсуждение получениых результатов 85
5.8.1. Изоспиновые ограничения 86
Заключение 89
- Характеристики 71-мезона
- Система пластических сцинтилляционных счетчиков
- Временные характеристики
- Программа автоматической обработки данных
Введение к работе
Физика пион-нуклонного рассеяния
В 1935 г. японским физиком X. Юкавой была выдвинута гипотеза, что взаимодействие нуклонов в ядре осуществляется таким же образом, как и взаимодействие зарядов, т.е. через кванты поля. В электродинамике таким квантом является фотон. Квантами ядерного поля должны быть три частицы: положительно и отрицательно заряженные — для осуществления обменного взаимодействия между протоном и нейтроном и нейтральные кванты поля - для осуществления взаимодействия между одинаковыми нуклонами [1—4].
В 1947 г. в фотоэмульсиях, облученных на большой высоте космическими лучами, С. Пауэллом с сотрудниками (Великобритания) были открыты заряженные частицы, которые были названы 7Г-мезонами, или кратко пионами [3,5]. Причем оказалось, что они имеют заряд как плюс, так и минус. В частности, тг -мезоны из-за большой плотности вещества эмульсии не успевали распасться, гораздо быстрее они успевали прореагировать с ядром. Поэтому треки 71 -мезонов заканчиваются так называемыми звездами - треками протонов, вылетевших из ядра, которое имеет большую энергию возбуждения после захвата пиона. 7С+-мезоны практически не захватываются ядрами из-за того, что кулоновские силы не позволяют им близко приблизиться к ядрам.
Нейтральные пионы, 71°, были обнаружены в 1950 г. по у-квантам от их распада, так как распад нейтральных пионов осуществляется за счет электромагнитного взаимодействия тс°—У(+у. При изучении процессов ТЕ р — я п, я р — 1 р, 1 р —Ж р было найдено, что при энергии пионов, примерно равной 195 МэВ, наблюдается максимум на кривой сечения реакции. Впервые эти эксперименты были поставлены Э.Ферми в 1952 г. в Чикагском университете [3,6]. Ускоритель, который использовался в этих опытах, мог давать пионы с энергией более 200 МэВ. Позже, когда были запущены ускорители на большие энергии, сечение взаимодействия пионов с нуклонами было изучено до очень больших энергий (рис. 1.1). Как видно из рисунка, на кривых обнаруживаются максимумы 1, 2, 3, 4, которые являются проявлениями Д(1232)Р№ Д1600)Р„, A(1620)S„, Д(1910)Р,И N(1440)P„, N(1520)D13, N(1535)5,, -
Характеристики 71-мезона
Прямое измерение параметров нейтрального мезона, рождающегося в ходе реакций, затруднительно, т.к. я-мезоны имеют время жизни в состоянии покоя 8,4x10"17с. и вероятность распада на два "у-кванта 98,8% [8]. Полные характеристики нейтральных мезонов приводятся в ежегодном выпуске Review of Particle Physics. В табл. 1.1. представлены характеристики 71-мезопа. В течение последних нескольких лет изучение ftN- рассеяния сделало качественно новый шаг. Интенсивные экспериментальные исследования были продолжены на всех мезошгых фабриках (PSI, LAMFF, TRIUMF) и ускорителях ПИЯФ, ИТЭФ, КЕК, на которых были получены новые точные и систематические экспериментальные данные. Cnetnp лЫ-резонансов может бьпъ получен из этих данных с использованием процедуры фазового анализа [9,30]. На данный момент известны несколько фазовых анализов, выполненных в Карлсруэ-Хельсинки (КН-80)[10], Петербургском институте ядерной физики (PNPI-95)[11] и Вирждинском политехническом институте (SM-02)[12]. С другой стороны, существует несколько теоретических работ по кварковой структуре материи, описывающих спектр яЫ-резонансов и предсказывающих их параметры. Сравнение теоретически вычисленных спектров и параметров TiN-резонансов с экспериментально полученными на основе фазового анализа позволит сделать выбор более правильной теоретической модели. Петербургский институт ядерной физики внес существенный вклад в современную базу данных по TtN-рассеянию в области низколежащих ягЧ-резопаисов. Упругое я"р-рассеяние рассеяние изучено в диапазоне энергий 300 — 650 МэВ с использованием я-мезонного канала синхроциклотрона ПИЯФ. Около 450 экспериментальных точек получено в результате этих исследований, которые включают в себя значения дифференциального сечения (DCS) и поляризационных параметров Р, A, R. На основе этих данных был проведен новый фазовый анализ FNPI-95[11]. На данный момент точность в определении характеристик nN-резонансов ограничена, в основном, недостатком точных данных по л р-рассеянию с перезарядкой (я р—ИТп). Для улучшения ситуации и устранения недостатка в базе данных необходимо провести измерение DCS реакции Я р—»Яп. На рис. 1.2. приведены опубликованные данные по дифференциальным сечениям ті р, 7t p - упругого рассеяния и рассеяния с перезарядкой тт р— лп. По оси абсцисс отложен угол рассеяния в системе центра масс, а по оси ординат — - кинетическая энергия пионов. Каждый из экспериментальных результатов отмечен своим цветом и имеет с правой стороны рисунков специальное название (более подробную информацию о базе экспериментальных данных можно найти в интернете по адресу: http: //gwdac.phys.gwu.edu/analysis/pin_analysis.html).
Из рисунков видно, что в области углов 0 - 30 экспериментальных данных практически нет. Поэтому предсказания фазовых анализов (рис. 1.3.) различаются и требуют экспериментальной проверки. В то же время опубликованные 25-30 лет назад результаты противоречивы (рис. 1.4.). Измерение дифференциальных сечений лЫ-рассеяния с перезарядкой является частью общей программы "Спектроскопия нестранных барионов на пучках тт-мезоыов в области низколежащих ттЫ-резонансов"[18], которая осуществляется в Лаборатории мезонной физики ПИЯФ начиная с 1970 года. Последние годы характеризуются всплеском интереса к проблемам спектроскопии нестранных барионов (барионных резонансов). Это обусловлено развитием все новых теоретических моделей, предсказывающих количество барионных резонансов и их характеристики — массы, ширины, моды распада. И, как правило, число предсказываемых кварковыми моделями резонансов гораздо больше, чем найдено из экспериментальных данных. В научной литературе даже появился термин "недостающие резонансы" (missing resonances), обозначающий резонансы, полученные в теоретических моделях, но не обнаруженные при анализе экспериментальных данных по uN-рассеянию. Очевидно, что для решения этой проблемы необходимо, в первую очередь, точно и однозначно определить число и характеристики резонансов, извлекаемых из экспериментов по TlN-рассеянию. Как известно, процесс извлечения характеристик барионных резонансов из полученных в экспериментах наблюдаемых величин представляет собой двухступенчатую процедуру - сначала с помощью парциально-волнового анализа находят парциальные амплитуды пион-нуклонного рассеяния, а затем на основе этих амплитуд определяют число резонансов и их характеристики. К сожалению, приходится констатировать, что в настоящее время эти характеристики известны с недостаточной точностью, даже для таких известных и давно изучаемых резонансов как Рп(1440) и Sn(1535); более того, не установлено окончательно полное число резонансов. Причина такой ситуации двоякая: с одной стороны, несовершенство процедуры парциально-волнового анализа, а с другой — неполнота и недостаточно высокое качество базы экспериментальных данных. Как показывает рассмотрение этой базы данных в области низколежащих 7tN-резонансов, основным ее недостатком является отсутствие высококачественных результатов по 7Т р-рассеянию с перезарядкой. В первую очередь, это относится к абсолютным дифференциальным сечениям - для них в диапазоне энергий налетающих пи-мезонов от 100 до 650 МэВ данных очень мало, а большинство из существующих результатов не могут считаться надежными.
Чтобы заполнить существ у ющий пробел в банке данных и решить вопрос о противоречиях между имеющимися немногочисленными экспериментальными результатами, в ПИЛФ были поставлены эксперименты по измерению дифференциальных сечений л: р-расссяния с перезарядкой л р— 7in. Измерения выполнялись на пи-мезонном канале синхроциклотрона ПИЯФ и охватывали область энергий 71-мсзонов от 300 до 585 МэВ (соответствующий интервал импульсов - от 417 до 710 МэБ/с). В первом эксперименте были измерены сечения перезарядки для рассеяния в заднюю полусферу [19]. Эксперимент был выполнен путём детектирования нейтрона отдачи на совпадение с одним из у-квантов от распада Л- 2у. На следующем этапе было решено выполнить измерения дифференциальных сечений реакции перезарялки вперед. Основным стимулом при постановке этого эксперимента было то обстоятельство, что в области малых углов рассеяния (от 0 до 30 в системе центра масс) экспериментальные данные по сечениям перезарялки практически отсутствуют. Положение усугубляется еще и тем, что в указанном диапазоне углов нет измерений дифференциальных сечений и для упругого п+р- и JT р-рассеяния - из-за малой энергии протона отдачи и из-за наличия кулоп-ядерпой интерференции. Следовательно, сечения п р-расссяния с перезарядкой на малые углы не могут быть определены даже косвенным способом — из сечений упругого Jt р-рассеяния с помощью изоспиновых соотношений. Это означает, что при использовании парциально-волновых анализов для получения амплитуд пион-нуклонного рассеяния (на основе которых затем вычисляются наблюдаемые величины) под нулем градусов приходится вводить дополнительные теоретические критерии и ограничения. Из-за этого в значениях дифференциальных сечений и поляризационных параметров, предсказываемых фазовыми анализами, возникают неопределенности, величины которых трудно оценить. Только прямые измерения сечений 7С р-рассеяния с перезарядкой на малые углы помогут устранить такие неопределенности и однозначно определить амплитуду рассеяния под нулем градусов. Целью настоящей диссертационной работы является измерение абсолютных дифференциальных сечений реакции перезарядки 71 р—»7Тп на углах, близких к 0, в диапазоне импульсов налетающих її -мезонов от 417 до 710 МэБ/с. Для достижения этой цели был спроектирован и создан спектрометр нейтральных мезонов для регистрации у-квантов от распада 7і-мезонов и проведен эксперимент на пионном пучке синхроциклотрона ПИЯФ.
Система пластических сцинтилляционных счетчиков
На установке для исследования дифференциального сечения перезарядки п р— -7Гп кроме упомянутых выше элементов, таких как жидководородная мишень и спектрометр нейтральных мезонов, применяются также пластические сцинтилляционные счетчики [28,29]. Назначение счетчиков — регистрировать заряженные частицы, пролетающие через их чувствительный (сцинтилляционный) материал, т.е. они служат индикаторами наличия частиц. Их конструкция достаточно проста и представляет собой пластинку сцинтилляционного вещества (пластического сцинтиллятора), световод и ФЭУ (см. рис. 2.9.). Из-за того, что в этих счетчиках применен тонкие органические сцинтилляторы (QHJCH CHJ), которые состоят из относительно легких элементов, поэтому они обладают важным свойством — регистрирует только заряженные частицы. Т.е. у-кванты высокой энергии не регистрируются такими счетчиками (разумеется, при определенном пороге на дискриминаторе). В экспериментальной установке применены пять таких счетчиков: два мониторных счетчика С1 и С2 для регистрации пучкового тс -мезона (они установлены на траектории пучка), два ВЕТО-счетчика Vetol и Veto2 для режекции заряженных частиц, попадающих в калориметры и счетчик антисовпадений Veto3 для регистрации пучкового 71 -мезона, непровзаимодействовавшего с протонами мишени (см. рис. 2.10.). При пролете заряженной частицы через сцинтиллятор появляется электрический сигнал на аноде ФЭУ, который затем по кабелю поступает на дискриминатор, т.е. на электронику КАМА К, расположенную в измерительном зале. Индивидуальные системы высоковольтного питания ФЭУ этих счетчиков также находятся в измерительном зале в специальном крейте. Полное схематическое изображение установки для исследования дифференциального сечения перезарядки я р— Яп дано на рис. 2.10. После того, как пучок 7Г -мезонов определенной энергии (импульса) выведен в экспериментальный зал, он с помощью поворотного магнита направляется на жидководородную мишень. При этом пучок дополнительно фокусируется с помощью дублета магнитных линз. При прохождении пучка 1С -мезонов к мишени на его пути находятся два мониторных сцинтилляционных счетчика С1 и С2 (Monitor counter), а также стальной коллиматор диаметром 150 мм, показанный прямоугольником на рис. 2.10. Частица с импульсом 400 МэВ/с преодолевает это расстояние примерно за 14 не. При прокладывании анодных линий для этих счетчиков время в 14нс. было учтено в длине этих линий.
А так как длительность сигналов составляет от 20 нсек до 40 нсек (в зависимости от того какой это счетчик мониторный или Вето), в этой ситуации получается хорошее совпадение сигналов. Далее 71 -мезон попадает в мишень и с какой-то вероятностью взаимодействует с протоном мишени с образованием 7С-мезона. Далее за время 0,83x1016с 7Т-мезон распадается с вероятностью 99% на два у-кванта, которые вылетают преимущественно в переднюю полусферу (на рис. 2.10. волнистые линии). у-кванты проходят через Veto-счетчики и попадают в калориметры, которые выдают два сигнала D1 и D2. Счетчик Veto3 в этой ситуации не должен выдавать импульс. Сигналы, получаемые со счетчиков СІ, С2, Vetol, Veto2 и Veto3, которые подаются на дискриминаторы, очень короткие в сравнении с сигналами D1 и D2, получаемыми с кристаллов CsI(Na). На рисунке 2.11. изображены сигнал с пластического сцинтиллятора (кривая желтого цвета) и сигнал с кристалла CsI(Na) (кривая голубого цвета). Видно, что длительность нарастания (переднего фронта) сигнала с кристалла CsI(Na) достигает 100 нсек, а с пластического сцинтиллятора намного меньше и составляет порядка 5 нсек. В эксперименте для сигналов, приходящих с мониторных счетчиков или с калориметров, которые нужны для получения триггера, используются дискриминаторы, запускающиеся при достижении сигналом определенной доли от времени его полного нарастания (переднего фронта) (Constant Fraction). Необходимость в таких дискриминаторах возникла из-за относительно большого (100 нсек) переднего фронта сигналов, получаемых с кристаллов CsI(Na) вне зависимости от амплитуды. Обычные дискриминаторы уровня дают временную неопределенность сравнимую с передним фронтом и если учесть временную структуру пучка (см. п. 2.1.), то использование этих дискриминаторов повлечет за собой ошибки, связанные с наложением событий от двух разных Л -МЄЗОЕЮВ соседних микробанчей пучка, что абсолютно неприемлемо. Применяя CFD технику дискриминирования сигналов можно получить временную неопределенность порядка 10% от полного времени нарастания переднего фронта входного сигнала. В нашем случае мы получили неопределенность 10 нсек. Эта техника основана на сложении входного сигнала с таким же, но аттенюированным и инвертированным сигналом см. рис. 2.12. На вход подается в одном случае сигнал А, в другом сигнал В. Затем и тот и другой инвертируются и ослабляются на коэффициент Исходный сигнал задерживается на время /л которое выбирается из тех соображений, чтобы аттснгоировапный и инвертированный сигнал достиг своего максимума. Затем производится сложение этих сигналов и фиксируется момент времени ТТСР достижения суммарного сигнала нуля амплитуды. Это и есть начало временного отсчета. Затем выдается логический импульс, привязанный дискриминатором к этой точке, с хорошим временным разрешением. Как види из рисунка, как для сигнала А, так и для сигнала В точка пересечения нуля по амплитуде практически не зависит от амплитуды входного сигнала.
В эксперименте задействованы дискриминаторы производства фирмы Philips. Триггер — это условие при наличии которого выполняются нужные действия. В данном случае условие представляет собой рождение 7Т-мезопа. Нетрудно проверить такое логическое условие для идентификации рождения я-мезопа, изображенное на рисунке 2.13. Рис. 2.13. Логическое выражение условия для производства триггера. Символ «&» обозначает логическое умножение или функцию «И». Совпадение сигналов С1 и С2 означает наличие 7С -мезона в пучке, совпадение D1 и D2 и отсутствие сигналов Vetol и Veto2 означает, что имеется два у-кванта и что они попали в калориметры и отсутствие сигнала Veto3 означает, что начальный я -мезон провзаимодействовал с мишенью. Если все эти события происходят "одновременно", то это означает, что был идентифицирован и зарегистрирован 7Г-мезон. После получения с хорошим временным разрешением логических сигналов со всех счетчиков С1, С2, Vetol, Veto2, Veto3, D1 и D2, применяя CFD-технику, нужно организовать совпадение (аі іти совпадение) этих сигналов. Для этих целей в отделе радиоэлектроники ПИЯФ (ОРЭ) был разработан специальный программируемый логический модуль ПЛМ, в котором имеется 16 входов и 8 выходов. На входы подаются сигналы на основе комбинаций, с которыми надо собрать совпадение (триггер), а на выходе имеются 8 типов сигналов, соответствующих срабатыванию различных условий «зашитых» в логическую интегральную схему, находящуюся В течение эксперимента используются последовательно два типа триггеров. Первый тип — это регистрация процесса перезарядки лГр — Ttn, второй — регистрация космических частиц на пролет через калориметры. Для каждого из них на установке собрана своя электронная логика. Первый тип описан в п. 2.5.3. Логика для второго типа триггера представляет собой две простейшие схемы двойных совпадений (см. рис. 2.14.) и этот трипер используется для энергетической калибровки всех 48 каналов спектрометра нейтральных мезонов. При прохождении космической частицей ((і) вертикально сквозь калориметры, сигналы, получаемые с верхнего и с нижнего рядов кристаллов, должны совпасть во времени. После чего на выходе схемы двойных совпадений "2&" появляется импульс. Сигналы от каждой схемы совпадений калориметров "2&" (см.рис. 2.14.) поступают на схему сложения сигналов «AND» (или по-другому «И»), которая и запускает систему сбора информации. То есть в данный момент генерируется тригтерный сигнал и дается разрешение компьютеру на считывание информации с преобразователей заряд-код (CDC) на которые поступают аналоговые сигналы со всех 48ч" каналов спектрометра нейтральных мезонов. Набор спектров от космических частиц происходит во время эксперимента между основными сеансами при выключенном пучке.
Временные характеристики
Для исследования временного разрешения или джиттера1 проводить специальные эксперименты не потребовалось. Исследовались данные, полученные уже с реальной установки в эксперименте. Для этого на модуль КАМАК TDC (см.п.2.5.4.3.) в процессе эксперимента в качестве сигнала START был использован сигнал от рождения тс-мезона, который представляет собой сигнал от мониторного счетчика С2, находящегося непосредственно перед мишенью. Так как требовалось получить данные по временному разрешению от реальных событий, поэтому триггером (разрешением на запись информации) было условие образование 7t-мезона. После его распада, два у-кванта попадают в калориметры и дают сигналы. Это суммарные сигналы с восьми центральных модулей с каждого плеча п-спектрометра. Они использовались в качестве сигналов STOP. Как уже упоминалось раннее в п. 2.5.2., в эксперименте использовались CF-дискриминаторы (длительность установленной на них задержки составляла 85 не). Б таком варианте электроники был получен джиттер длительностью 10 не. (см. рис. 3.12.), что является достаточным для исследования процесса перезарядки Tl р— 7ln. Джиттер сигнала от центральных восьми кристаллов (модулей), также исследовался при выключенных семи из них. В этом случае джиттер составил 7 не, увеличение его для 8 модулей вызвано различием характеристик ФЭУ (вследствие небольшой флуктуации толщин и чувствительности фото катодов ФЭУ и различий в размерах и расположением друг относительно друга динодов) при суммировании такой характеристики, как джиттер. Таким образом, спектрометр нейтральных мезонов ПИЯФ имеет очень хорошие временные и энергетические характеристики, что делает его универсальным прибором способным с высокой точностью определять энергию 7і(г)-мезонов, а также работать на пучках с большей интенсивностью. Энергетический порог при исследовании процесса перезарядки 7С р—»7in был выбран около 40 МэВ в каждом плече спектрометра. Это видно из рисунка 3.13. Это двумерное распределение событий от перезарядки. На нем по осям отложены энергии у-квантов от распада Л-мезона, каждый из которых попадает в свой калориметр. Черная полоса - это события связанные с перезарядкой, ниже полосы присутствует фон, связанный с нейтральным гало пучка, и другими каналами реакции.
При приближении к 40 МэВ для каждого калориметра этот фон обрывается. Это и есть пороги, установленные в плечах спектрометра нейтральных мезонов. Значение порога устанавливалось с использованием космических частиц непосредственно перед проведением основного эксперимента. Для этого использовался триггер, так называемого «самозапуска». Старт на запись спектров от космики запускался только тогда, когда космическая частица пролетала через центральную часть либо первого, либо второго калориметра. При этом, так как центральная часть представляет собой 8 кристаллов 2x4 (см. рис. 2.6.), а сигнал с калориметра поступает суммарный, то энергия, потерянная космический частицей соответствовала 72 МэВ. Затем, устанавливая «порог» на дискриминаторе в нужное положение с помощью переменного резистора, был получено значение для порога на калориметрах равное 40 МэВ. На рис. 3.14. показан спектр, полученный от космических частиц с триггером самозапуска. Также виден порог, который отрезает события с энергий меньшей 40 МэВ. Такая процедура должна быть применена к каждому калориметру спектрометра нейтральных мезонов. Конечно, существует некоторая ошибка в выставлении порога па калориметрах, но величина этой ошибки не очень существенна. Важно чтобы порог, выставленный для данного эксперимента, был не очень высоким. Так как, во-первых, при высоком пороге автоматически будут отброшены полезные события и соответственно, уменьшится статистика данных. С другой стороны, порог можно увеличивать уже при обработке полученных на эксперименте данных (а понижать уже нельзя). Во-вторых, для получения абсолютного значения дифференциального сечения необходимо проводить моделирование эксперимента с помощью метола Монте-Карло. Это необходимо для вычисления аксептанса установки (см.п.4.5.), вот здесь и нужно чтобы порог в реальном эксперименте и в моделировании совпадал в точности (для экспериментальных данных порог устанавливается в «офф-лайн» анализе). Также порог нельзя устанавливать слишком низким, так как можно попасть в зону шумов ФЭУ. В этом случае качество триггера сильно ухудшается и соответственно возрастает мертвое время установки. Порог на 71-спектрометре, установленный в данном эксперименте, как видно из рисунка 3.13., был достаточно стабильным в течении всего сеанса набора статистики. От сеанса к сеансу он мог флюктуировать в небольших пределах, но как уже было отмечено, в офф-лайн анализе эти неточности устраняются. Как уже отмечалось раннее в п.2.1, временная структура ггучка 7С -мезонов такова, что существует небольшая вероятность того, что в одном микробанче (10 не) может содержаться две частицы. При этом возникают некоторые неопред ел енности в определении мониторного числа (количества я -мезонов, зарегистрированных мониторным счетчиком) и следовательно, в определении дифференциального сечения. Действительно, мониторные счетчики О и С2 идентифицируют два 71 -мезона как одну частицу, а один из них может дать реакцию Tt р — яп. При этом счетчик Veto3 дает сигнал от ТС -мезона, который прошел через мишень без взаимодействия. Б этом случае триггерный сигнал не возникнет. Эта ошибка мониторного числа устраняется посредством ввода поправки для значения дифференциального сечения. Она составляет порядка 2-4% в зависимости от интенсивности пучка 71 -мезонов и разная на разных энергиях. Мертвое время установки было оценено с помощью мониторного числа. Количество совпалений без каких-либо блокировок было выведено на пересчетное устройство с телевизионным отображением. Записывалось число 7Г -мезонов, прошедших через мишень за 1000 секунд. За это же время было получено число П -мезонов записанных в счетчик мониторного числа с блокировкой.
Естественно, второе число оказалось меньше первого из-за присутствия блокировки от модуля Затем сигналы, по одному с каждого разветвителя, поступают на модуль ПЛМ (программируемый логический модуль) — тригтерный модуль (см.п.2.5.3.), который «идентифицирует» регистрацию нейтрального мезона и выдает сигнал по выходу №6, который поступает на разветвитель. Один из сигналов после разветвителя поступает на восьмиканальный модуль LAM-регистр, Второй на генератор ворот с длительностью 600 не. Третий на логическую схему ИЛИ. На LAM-регистре заранее программно устанавливается «маска» 3, которая разрешает срабатывание первого и второго входов. Первый отвечает регистрации нейтрального мезона, а второй соответствует регистрации комической частицы. Сигнал от генератора ворот разветвляется на 10 сигналов, которые поступают на преобразователи CDC и TDC. На логическую схему ИЛИ приходят несколько сигналов — со счетчика U, с выхода №6 ПЛМ после разветвления, сигнал с генератора ворот после разветвления, с выхода LAM-регистра и сигнал вырезки пучка (сигнал длительностью 8 мс и частотой 50 Гц). После суммирования этих сигналов, один инвертированный сигнал поступает на модуль ПЛМ и блокирует его работу. Второй неинвертированный сигнал блокирует работу модуля Дел через который на модуль Счет поступает сигнал совпадения счетчиков О и С2 (получаемый с помощью модуля ПЛМ по выходу №1). Счет совпадений импульсов от счетчиков С1 и С2, осуществляемый модулем Счет, лает количество 71 -мезонов прошедших через мишень, т.е. мониторное число, используемое при получении сечения реакции 7t р — тсп. Также с каждого разветвителя, установленного после счетчиков, сигналы поступают на перссчетные устройства МСС, которые отображают числовую информацию на дисплее Монитора. Как только пришел сигнал на первый или второй входы LAM-регистра на соответствующих его выходах появляются сигналы. Их регистрирует компьютерная программа EXPERT.EXE (см.п.4.3.) и по истечении 1 мс начинает считывание цифровой информации с CDC и TDC. Счггтывание информации предполагает, что производится последовательные обмен-передача данных с семью модулями CDC, одним модулем TDC, одним модулем LAM-регистр и одним модулем Счет. Обмен-передача данных осуществляется через модуль САМАС Inter Face по 16 разрядной шине. Пороги на дискриминаторах для счетчиков СІ, С2, СЗ, Vetol, Veto2 и U были установлены в пределах от 10 мБ до 30 мБ.
Программа автоматической обработки данных
В ходе подготовки экспериментальной установки было разработано программное обеспечение, представляющее собой совокупность нескольких компьютерных программ. Одна из них предназначена для автоматической обработки данных, полученных при наборе статистики во время эксперимента. Программа содержит все последовательные вычисления, представленные в п.п. 5.2. и 5.3. Штатное название этой программы Comp-3D-PiO.EXE (см. прилож. 4). После запуска этой программы, на дисплее компьютера возникает графическое окно, изображенное на рис. 5.6. На нем отображаются в реальном времени несколько гистограмм — как одномерных, так и двумерных, такие, как распределение энергии у-квантов по кристаллам калориметров, распределение инвариантной и недостающей масс, распределение событий реакции перезарядки по углам вылета 71—мезонов в системе центра масс. Также отображаются точки попадания у-квантов в калориметры. После завершения работы проіраммьі, на винчестере компьютера образуется файл, содержащий данные, требующиеся для вычисления сечения реакции перезарядки. С данными, записанными в этот файл, легко работать, накладывая необходимые вырезки, и следить за получаемыми результатами. В основном, необходимые дальнейшие вычисления и построения гистограмм (большинство из которых представлено в этой диссертации) производились с использованием программы Origin (версии 5.0), разработанной компанией Microcal. Средства этой программы позволяют работать с огромными массивами данных и строить качественные рисунки и гистограммы. Эта программа позволяет также достаточно просто загружать файлы, получаемые как при обработке экспериментального материала, так и при вычислении значений аксептансов экспериментальной установки. Такая последовательность обработки информации значительно упрощает вычисления и уменьшает время, требуемое для получения конечного результата. Однако для получения значений сечения требуется еще знание аксептансов экспериментальной установки, для чего производилось компьютерное моделирование эксперимента. 5.5. Вычисление аксептансов Моделирование эксперимента производилось на компьютерном кластере PCFARM ОФБЭ, который насчитывает несколько достаточно мощных серверов. Операционная система, установленная и используемая в этом кластере, на момент моделирования эксперимента была версия Red Нас Linux 7.0. В качестве средства для моделирования была применена церновская библиотека Geant 3.2. [37].
Это намного упростило полное описание экспериментальной установки при моделировании, которое включает в себя взаимное расположение мониторных счетчиков, положение спектрометра нейтральных мезонов и кристаллов CsI(Na), положение жидковолородной мишени и ее конструкцию, положение пластических сциптилляторов счетчиков Vetol и Veto2, траекторию и параметры пучка тг —мезонов. Т.е. описание включает в себя все реальные детали установки и параметры пучка, при которых проводился эксперимент. Сама проірамма, использующая библиотеку Geant, написана на логическом языке программировапия высокого уровня C+ + [38,39] и имеет штатное название — CexMC_PNPI. Кратко алгоритм этой программы состоит в следующем: На жидководородную мишень направляется пучок я -мезонов (за время розыгрыша реакции перезарядки на мишень направлялось, как правило, 100.000.000 яГ-мезонов). Каждый из этих 7Г -мезонов взаимодействует с протоном мишени со 100%-вероятностью с образованием в конечном состоянии 7ї-мезона от реакции тГр— 7in. Кинематика для этого процесса разыгрывается по методу Монте-Карло Распределение энергии между у-квантами от распада 7ї-мезонов также разыгрывается по методу Монте-Карло Вычисление аксептанса - отношения зарегистрированных в данном угловом диапазоне тс-мезонов к полному числу Л0-мезонов, рожденных в этом же диапазоне Помимо розыгрыша событий взаимодействия, программа имитирует алгоритм восстановления энергий и углов, который использует программа Сотр-3D-piO, т.е. вычисляет кинематические параметры для каждого хорошего (зарегистрированного) события: угол вылета я-мезона, его энергию и импульс, распределение энергии между у-квантами и точки их попадания в калориметры. Таким образом, в выходном файле записываются как реальные кинематические параметры, так и восстановленные. Это позволяет оценивать систематические ошибки, появляющиеся при обработке экспериментального материала. После запуска программы на дисплее появляется 5 окон (см. рис. 5.7.). Главное окно необходимо для ввода параметров вычислений, таких как количество 7Г -мезонов, расположение калориметров относительно мишени, пороги сигналов для вето-счетчиков или калориметров и др. Эта программа позволяет осуществлять розыгрыш не только реакции перезарядки, но и других реакций, например рождения У\-мезона, и изменять моды распала нейтральных мезонов. Можно также изменять угловые диапазоны регистрации 7ї-мезонов. Графическое окно отображает хол эксперимента со временем (см. рис. 5.7. и рис. 5.8). После завершения работы программы на жестком диске компьютера образуются файлы, содержащие информацию о розыгрышах реакции. Затем на эти файлы накладывают такие же вырезки событий, как и на файлы, полученные в ходе эксперимента, и получают значения аксептансов уже для таких условий. Текст программы дан в прилож.5. На рис. 5.86 отображены только те события, которые были зарегистрированы в течение розыгрыша 1000 событий. Красными линиями показаны траектории п —мезонов, синими — траектории у-квантов.
Для вычисления дифференциального сечения необходимо знать распределение событий по углу (косинусу угла) в системе центра масс, а также аксептанс установки. Непосредственное вычисление значений аксептансов показало, что спектрометр нейтральных мезонов с высокой вероятностью регистрирует события, в которых рождение тс-мезона происходит в диапазоне от 0,98 до 1,00 по косинусу угла вылета в Ц-системе. Но сначала надо устранить фоновые события. Эту процедуру решено было выполнить, используя зависимость недостающей массы от инвариантной массы (см. рис. 5.7). Видно, что помимо истинных событий (темное пятно эллиптического вида) присутствует некий фон. Поэтому было решено провести эллиптическую вырезку нужных событий. Было проведено Монте-Карло моделирование эксперимента, и па основе этого моделирования параметры эллипса были выбраны таким образом, чтобы внутри эллипса находилось 99% всех событий. Затем эту вырезку применили к экспериментальным данным, набранным с водородной мишенью (см. рис. 5.10). Затем для событий, оказавшихся внутри эллипса, было построено их распределение в зависимости от косинуса угла вылета 7Г-мезона в диапазоне от 0,98 до 1,00 в системе центра масс. Затем эту же вырезку применили к экспериментальным данным, набранным с пустой мишенью, и вычли их из данных на водороде. Таким образом, были исключены события, связанные с реакциями перезарядки на монитор ном счетчике и на окнах мишени. В итоге были получены данные, соответствующие только событиям на водороде. Далее надо знать количество пучковых 71 -мезонов Njr, прошедших через мишень за время набора статистики при определенном импульсе, и Np — количество протонов мишени на смг. Значение N,r дает счетчик мониторного числа (см.п.2.5.4.4.). Для получения Л необходимо было произвести усреднение по толщине, так как мишень представляет собой цилиндр.
