Содержание к диссертации
Введение 3
1 Экспериментальная и теоретическая ситуации с поляризационными
эффектами во взаимодействии адронов высокой энергии 7
11 Экспериментальные результаты по исследованию односпиновои асим
метрии An в адронных столкновениях . 9
111 Эксперименты по измерению An в центральной области 10
1.1 2 Эксперименты в области фрагментации поляризованной частицы 14
1.1,3 Эксперименты в области фрагментации неполяризованной ча
стицы ... . . 18
1 2 Теоретические модели образования односпиновои асимметрии 20
12 1 Модели с дополнительным поперечным импульсом 22
12 2 Вклад высших твистов 27
12 3 Модели с хромо-магнитным полем . 29
12 4 Модели с орбитальным моментом . 32
12 5 Другие модели . 34
2 Описание эксперимента 35
2 1 Поляризованный протонный пучок на коллайдере RHIC 35
2 2 Передний пионный детектор 37
2 3 Прототип переднего пионного детектора в сеансе 2002 года 39
2 31 Прототип торцевого электромагнитного калориметра 39
2 3 2 Прототип детектора максимума ливня 41
2 3 3 Свинцовое стекло и фотоумножители 42
2 3 4 Пучковые счетчики - мониторы светимости 43
2 3 5 Электронная аппаратура и триггер 43
2 4 Передний пионный детектор в сеансе 2003 года 45
2 4 1 Калориметры из свинцового стекла 45
2 4 2 Детектор максимума ливня . 46
2 4 3 Пучковые счетчики - мониторы светимости 48
2 4 4 Электроника . - 49
3 Первые результаты по односпиновои асимметрии в реакции р^ + р -+
тг + X вперед при yfs = 200 ГэВ 51
3 1 Постановка эксперимента 51
3.2 Анализ данных . ... 53
3.2.1 Реконструкция 7Г-МЄ30Н0В . 53
3 2.2 Калибровка калориметров 56
-
Сравнение с моделированием методом Монте-Карло 58
-
Алгоритм вычисления асимметрии . 60 3 3 Экспериментальные результаты . 64 3 4 Обсуждение результатов . . 67
3 4.1 Сравнение с другими экспериментальными данными 67
3 4 2 Сравнение с теоретическими моделями 67
3 4 3 Поляриметрия на основе асимметрии в инклюзивных реакциях 68
3 5 Выводы по данной главе ... 69
4 Дальнейшее изучение односпиновой асимметрии в реакции щ + р —>
тг + X при y/s = 200 ГэВ 71
4 1 Постановка эксперимента . 71
4 2 Анализ данных .... 72
4 2 1 Реконструкция гамма квантов от распада тг-мезонов высокой
энергии в калориметре из свинцового стекла 72
4 2 2 Моделирование развития электромагнитных ливней высокой энер
гии в калориметре из свинцового стекла и сравнение с экспери
ментальными данными . 74
4 2 3 Калибровка калориметров переднего пионного детектора 86
4 2 4 Сравнение кинематических переменных с результатами модели
рования . . 92
4 2 5 Алгоритм вычисления асимметрии 94
4 3 Экспериментальные результаты 98
4 4 Обсуждение результатов 100
4 4 1 Сравнение с другими экспериментальными данными 100
4 4.2 Сравнение с теоретическими моделями 102
4 5 Выводы по данной главе 104
Заключение 106
Список литературы 109
Список иллюстраций 117
Список таблиц 123
Приложение А 124
Введение к работе
Спин по своей сути является квантово-механической характеристикой элементарных частиц и их взаимодействий Чтобы действительно понять структуру нуклонов, необходимо также понять их спиновую структуру, а именно, как составляющие (кварки и глюоны) дают вклад в общий спин нуклона В конце 80-х годов эксперименты по исследованию глубоко-неупругого рассеяния поляризованных лептонов на поляризованных протонах [7,8] обнаружили, что кварки (и антикварки) несут только небольшую часть (< 30%) спина протона Остальная часть обязана спину глюонов и/или орбитальному угловому моменту кварков и глюонов
Рассеяние поляризованных протонов - другой способ посмотреть на спиновую структуру протона Например, в эксперименте Е704 в Фермилабе [9,10) (взаимодействия поляризованных протонного и антипротонного пучков с фиксированной жидко-водородной мишенью) были обнаружены большие значения лево-правой асимметрии в рождении тг-мезонов при y/s = 20 ГэВ Этот результат был совершенно неожиданным, так как пертурбативная КХД предсказывала абсолютно незначительные значения асимметрии Вскоре после этого появилось несколько теоретических моделей, которые предсказывали ненулевые асимметрии Большинство из них основано на допущении внутреннего поперечного движения партонов в адроне и адронов относительно фрагментирующих партонов Такие ненулевые асимметрии предоставляют важную информацию о корреляциях между спином и другими величинами, такими как аромат кварков и поперечный импульс в волновой функции нуклона
В экспериментах на коллайдере RHIC (Relativists Heavy Ion Collider) используются пучки поляризованных протонов с энергией в системе центра масс 200 ГэВ (в будущем до 500 ГэВ) Впервые поляризованные протонные пучки были получены в накопительных кольцах коллайдера Все предыдущие эксперименты проводились на фиксированных мишенях (поляризованных и неполяризованных), что сильно уменьшало энергию столкновений в системе центра масс Электроны и позитроны в ускорителях могут приобретать значительную поляризацию благодаря эффекту Соколова-Тернова [11], так как эти частицы обладают небольшой массой Протоны, будучи тяжелее электронов в 1836 раз, не могут получить поляризацию из-за синхротронного излучения Поляризованные протоны должны быть подготовлены заранее, затем введены и ускорены в накопительных кольцах
Актуальность изучаемых задач
Сегодня экспериментальные исследования с поляризованными частицами ведутся в большинстве центров по физике высоких энергий Поляризованные пучки частиц используются для того, чтобы понять зависимость динамики сильного взаимодей ствия от спина и внутреннюю спиновую структуру нуклонов В настоящее время > нет теоретической модели, которая могла бы полностью объяснить все имеющие- ся поляризационные результаты, поэтому любые новые экспериментальные данные способствуют дальнейшему развитию теоретических моделей
Измерения в области фрагментации поляризованной (или неполяризованной) частицы позволяют сделать выбор между существующими теоретическими моделями
Данная работа позволяет ответить на вопрос, волновавший научное сообщество на протяжении последних пятнадцати лет, - сохраняются ли значительные спиновые эффекты при повышении энергии взаимодействующих поляризованных пучков на порядок (от 20 до 200 ГэВ в системе центра масс)7
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является измерение односпиновой асимметрии в инклюзивном рождении нейтральных мезонов в областях фрагментации поляризованного и неполяризованного протона при энергии в системе центра масс ъХ, сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными и теоретическими моделями В работу вошли измерения, проведенные в сеансах 2002 и 2003 годов на коллайдере поляризованных протонов RHIC (Брукхэвенская Национальная Лаборатория, США) на установке STAR
Научная новизна и практическая ценность работы * При выполнении данной работы были получены следующие новые результаты
Впервые в мире наблюдены спиновые эффекты на коллайдере поляризованных протонов при энергии в системе центра масс ^/s = 200 ГэВ, которая как минимум на порядок превосходит энергии всех предшествующих измерений в экспериментах с фиксированной мишенью
Впервые измерена односпиновая асимметрия 7г0-мезонов в реакции pj + р —» тг + X в области фрагментации поляризованного пучка при -/s = 200 ГэВ Данные результаты позволяют сравнить с проведенными ранее измерениями асимметрии при более низких энергиях в экспериментах с фиксированной мишенью и сделать вывод об энергетической зависимости асимметрии нейтральных пионов
Впервые измерена односпиновая асимметрия тг-мезонов в реакции pj + р —» л0 + X в области фрагментации неполяризованного пучка
В работе представлены результаты измерений асимметрии при двух различных модификациях экспериментальной установки STAR в инклюзивном рождении 7г-мезонов в разных кинематических областях
Следующие результаты имеют практическую ценность- 1 Инклюзивное рождение тг-мезона в области фрагментации поляризованного протона может служить новой реакцией для поляриметрии с установленной экспериментально анализирующей способностью Детекторы, использовавшиеся при измерении асимметрии, можно использовать в качестве локального поляриметра эксперимента STAR
Разработана программа моделирования развития ливня в калориметре из свин цового стекла Для корректной трассировки черенковского света учтены опти ческие свойства элементов детектора Анализ результатов, полученных с помо щью данной программы, позволил свести к минимуму зависимость энергетической шкалы калориметров из V свинцового стекла от регистрируемой энергии, откалибровать калориметр с высокой точностью,
