Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электромагнитное возбуждение нуклонных резонансов 9
Нуклонные резонансы в инклюзивных реакциях 9
Нуклонные резонансы в эксклюзивных реакциях 14
Глава 2. Экспериментальная установка 22
Ускорительный комплекс LAB 23
Детектор CLAS 26
Тороидальный магнит 28
Дрейфовые камеры 30
Черенковский счётчик 32
Электромагнитный калориметр 34
Система времени пролёта 40
Система сбора данных 42
Реконструкция событий 44
Калибровка детектора 45
Окончательный процесс реконструкции 45
Реконструкция треков 48
Реконструкция времени отсчёта 49
Отбор событий 53
Идентификация заряженных частиц 55
Идентификация нейтральных частиц 56
Генератор событий для реакции электророждения двух пионов на протоне 57
Глава 3. Дальнейшее развитие феноменологической модели рождения заряженных пионов на основе данных CLAS по полной совокупности эксклюзивных наблюдаемых 61
Обзор ранней версии модели рождения двух пионов на протоне 61
Включение нового изобарного канала 69
Прямое рождение пар пионов и дополнительная структура в канале 73
Включение новых изобарных каналов ур
Глава 4. Извлечение электромагнитных формфакторов нуклонных резонансов из данных CLAS на основе расширенной модели 83
Обзор результатов полученных на основе ранней версии модели 83
Анализ данных CLAS на основе модели версии 2005 года 84
Объединенный анализ однопионного и двухпионного каналов 84
Поиск "missing "резонанса 86
Извлечение электромагнитных формфакторов и вкладов различных изобарных каналов 93
Заключение. 104
Литература
- Нуклонные резонансы в эксклюзивных реакциях
- Черенковский счётчик
- Включение нового изобарного канала
- Объединенный анализ однопионного и двухпионного каналов
Введение к работе
В настоящее время проводятся многочисленные исследования структуры нуклона. Актуальность задачи связана во многом со следующим: с одной стороны в нашем распоряжении имеется квантовая хромодинамика - калибровочная теория сильного взаимодействия, но с другой стороны задача, состоящая в получении предсказаний этой теории в области больших расстояний, наталкивается на огромные трудности. Реакции, в которых рождаются нуклонные резонансы, не могут быть описаны на языке степеней свободы квантовой хромодинамики - кварков и глюонов. В этой области энергий используется другой язык - мезон-барионные степени свободы. Поэтому задача исследования свойств нуклонных резонансов формулируется следующим образом. Необходимо описать реакции в области промежуточных энергий адекватным набором механизмов на языке эффективных степеней свободы - барионов и мезонов. Для проверки адекватности набора механизмов необходимо использовать для анализа всю совокупность наблюдаемых распределений, одномерных и многомерных дифференциальных и интегральных сечений. Необходимо тестировать извлеченные параметры в совместном анализе нескольких эксклюзивных каналах. На этом пути - можно получить минимально зависящие от феноменологических моделей результаты. Используя эти результаты, можно пытаться найти доступ к фундаментальным степеням свободы КХД — кваркам и глюонам, и тем самым выяснить динамику сильного взаимодействия в области расстояний соответствующих конфайнменту. Развитию и усовершенствованию одной из таких феноменологических моделей[1], описывающей эксклюзивный
канал рождения пар заряженных пионов на протоне и посвящена настоящая диссертация.
Цель работы.
Настоящая диссертация посвящена развитию начатого в [2] физического анализа первых данных коллаборации CLAS по эксклюзивному каналу рождения пар заряженных пионов на протоне виртуальными и реальными фотонами.
Основные пункты исследования:
Расширение феноменологической модели новыми изобарными каналами.
Параметризация остаточных механизмов, дающих вклад в сечение рождения пар заряженных пионов
Исследования в области обнаружения новых резонансных состояний
Актуальность работы связана с необходимостью построения феноменологических моделей различных эксклюзивных реакций, в которых участвуют сильновзаимодействующие частицы, в области промежуточных энергий.
Научная новизна работы и практическая значимость работы.
Существенно дополнена и усовершенствована развитая в [1] феноменологическая модель рождения пар заряженных пионов на протоне под действием реальных и виртуальных фотонов.
Подтверждено наличие обнаруженной раннее[2] резонансной структуры в зависимости интегральных л+л~ сечений от инвариантной массы конечной адронной системы при W ~ 1.7 ГэВ.
На уровне мезон-барионных диаграмм осуществлена параметризация вкладов остаточных механизмов дающих вклад в двух-пионное сечение.
В рамках развитого в работе подхода были уточнены Q2 -зависимости электромагнитных формфакторов большинства высоколежащих нуклонных резонансов с массами более 1.6 ГэВ.
Автор защищает:
Включение в феноменологическую модель новых промежуточных квазидвухчастичных изобарных каналов ур->я+О13(1520) , гр->я-+і^(1685) , ур-+тг-р{\6Щ.
На уровне мезон-барионных диаграмм осуществлена параметризация вкладов остаточных механизмов дающих вклад в двухпионное сечение, тем самым произведено четкое разделение резонансной и нерезонансной частей двухпионного сечения.
В рамках развитого в работе подхода были уточнены Q2 -зависимости электромагнитных формфакторов большинства высоколежащих нуклонных резонансов с массами более 1.6 ГэВ.
Подтверждено наличие обнаруженной раннее[2] резонансной структуры в зависимости интегральных сечений рождения пар заряженных пионов от инвариантной массы конечной адронной системы при W ~ 1.7 ГэВ
Уточнены данные о вкладах резонансной и нерезонансной частей в сечение эксклюзивного рождения ж+я~ пар виртуальными
фотонами, а таюке извлечены сечения квазидвухчастичных каналов
rvp->7r+A0,yvp-+pp,yp->K+D?2(1520),yp->K+F(\685)rp->?r-p^(l600)
Апробация работы. Основные результаты были представлены на следующих конференциях:
международной конференции по возбужденным барионам «N* 2002» (Питсбург, 9-12 октября 2002)
международной конференции по возбужденным барионам « N* 2004» (Гренобль, 24-27 марта 2004)
международной конференции по возбужденным барионам «N* 2005» (Флорида, 10-15 октября 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы(статьи в журналах и трудах конференций). Ссылки на работы приведены в списке литературы
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации - 110с, рисунков - 48, таблиц - 6, наименований в списке литературы - 50.
Во введении обоснована актуальность темы, выбор методов и объектов исследования, сформулированы цель, новизна, научная и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации по главам.
В первой главе дается экспериментальный обзор инклюзивных и эксклюзивных реакций, в которых проявляются вклады от возбуждений нуклонных резонансов.
Во второй главе описывается экспериментальная установка Лаборатории Джефферсона.
В третьей главе непосредственно описана феноменологическая модель рождения пар заряженных пионов на протоне.
В четвертой главе даются результаты анализа данных CLAS по рождению пар заряженных пионов виртуальными и реальными фотонами на основе расширенной версии модели. Обсуждается сигнал от возможного нового состояния.
В заключении кратко сформулированы основные результаты.
Нуклонные резонансы в эксклюзивных реакциях
В инклюзивном сечение проявляется вклад от большого числа резонансов, которые к тому же и значительно перекрываются Это обстоятельство сильно затрудняет анализ структуры нуклонных резонансов на основе инклюзивного фотон-протонного сечения. Выход заключается в анализе эксклюзивных каналов, то есть полностью конкретизируя конечное состояние, и тем самым фиксируя распад резонанса на определенные частицы. Схематически возбуждение нуклонного резонанса иллюстрируется на Рис 4.
На Рис 4 показано что испущенный электроном виртуальный фотон, взаимодействует с протоном, и как результат возбуждается резонанс (в s-канале системы фотон-протон). Так как фотон -виртуальный, то он имеет три независимые проекции спина на направление движения(спиральности). Соответственно вершина yvNN описывается тремя независимыми амплитудами. При Q2 = 0 фотон является реальным, поэтому кулоновская амплитуда SU2 обращается в 0. Целью данной работы является извлечение этих амплитуд из анализа конечного состояния л+я р Эта задача является сложной, так как к определенному конечному состоянию могут приводить многие механизмы и только одним из них является приведенный на Рис 4. Для решения этой задачи необходимо развивать модельные подходы, основанные на адекватном включении необходимых механизмов.
Однако чтобы экспериментально изучать эксклюзивные реакции, необходимы ускорители с непрерывным пучком, иначе время набора статистики будет очень большим. Для изучения резонансной физики необходимо регистрировать продукты распада резонанса в широкой по углам и импульсам области. Поэтому с вводом в строй так называемых An детекторов начался новый этап в изучении структуры нуклонных резонансов. Наибольшими возможностями для изучения резонансов обладает лаборатория Джефферсона к обзору результатов которой мы и переходим.
Холл Б Лаборотории Джефферсона был спроектирован с целью изучать физику нуклонных резонансов. Благодаря 4л геометрии детектора CLAS, входящего в холл Б становится возможным изучать эксклюзивные каналы, значительный вклад в которые дают нуклонные резонансы. Наличие большого массива данных уже полученных CLAS, дает надежду на прояснения вопроса о переходе от мезон-барионных степеней свободы к кварковых степеням свободы. Изучение нуклонных резонансов является важной частью исследований по структуре нуклона. До сих пор остается актуальным вопрос о спиновой структуре нуклона и изучение резонансов может дать полезную информацию по этому вопросу. Можно сказать, что изучение структуры нуклона в области W 2 Гэв, Q2 2GeV2 без включения резонансов является физически необоснованным. Существует еще один важный аспект: многие резонансные состояния не наблюдались в пион-нуклонном рассеянии и следовательно, электромагнитное возбуждение и последующий распад на нуклон и пионы является перспективным способом выяснить существуют или нет эти состояния. Интересным вопросом структуры нуклона при низких энергиях является возможная квадрупольная деформация нуклона или его первого возбужденного состояния. В интерпретации обзора[20] это деформация имела бы место в случае ненулевых значений амплитуд квадрупольного перехода Еи и Su. В моделях SU6 симметрии переход нуклон - дельта является чистым магнитным дипольным переходом М1+ с изменением спина на единицу (спин нуклона 1/2, спин дельта-резонанса 3/2, у обоих частиц положительные четности ), так что El+ =S = 0. Отклонения от сферической симметрии могут возникать динамически благодаря взаимодействию виртуального фотона с пионным облаком протона или от вклада одноглюонного обмена на малых расстояниях или от вклада D-состояния волновой функции.
Черенковский счётчик
Трековая система детектора CLAS состоит из 18 многопроволочных дрейфовых камер сгруппированных в три зоны в каждом из шести секторов. Первая зона находится в слабом магнитном поле внутри тороидального магнита, вторая зона - зона сильного магнитного поля расположена между кольцами тороидального магнита, третья зона расположена за пределами верхней границы магнита.
Проволочки натянуты в азимутальном направлении перпендикулярно плоскости рассеяния. Координату трека вдоль этих «нормальных» проволочек измеряют с помощью «стерео» проволочек повёрнутых на 6.5. Каждая камера разделена на два слоя: нормальный и стерео слои. Каждый слой в свою очередь состоит из 6 слоев чувствительных проволочек окружённых обычными проволочками в виде шестиугольника как показано на Рис.11.
Защитные проволочки расположенные по границе каждого слоя предназначены для того чтобы создавать электрическое поле подобное бесконечной решётке шестиугольных ячеек.
Эта конфигурация была выбрана потому, что она даёт довольно точную независимость от угла рассеяния и следовательно предназначена для таких измерений, где рассеивающиеся частицы испускаются в очень широком спектре углов. Такое расположение проволочек камеры и их конструкция приводит к тому, что максимальное расстояние дрейфа составляет 0.7 см в первой зоне, 1 см во второй и 2 см в третьей. окружают каждый слой. Здесь показано как заряженная частица проходит через камеру, а затенённая область показывает сработавшие клетки.
Газ используемый в дрейфовых камерах является смесью 90% -ь 10% аргона с СО2. Аргон позволяет достичь коэффициента умножения около 104, a COi необходим чтобы избежать возникновение ионизационных лавин. Внутреннее разрешение этой газовой смеси -100 мкм. Реальное же разрешение достижимое во время работы дрейфовых камер равно -500 мкм. Оно в основном ограниченно знанием геометрии и временной зависимости калибровочных параметров. Таким образом импульсное разрешение детектора CLAS равно -0.5% для низко энергичных и 1.5% высокоэнергичных частиц.
Использование проволочек малого диаметра и небольшого натяжения позволило сделать тонкие концевые пластины, что снижает покрытие телесного угла материалом дрейфовых камер. Использование тонкой фольги на входных окнах камеры позволяет минимизировать многократное рассеяние. Весь материал дрейфовой камеры составляет от 0.1 до 0.4 радиационных длин. Приборы формирующие импульс и проводящие дискриминацию сигналов расположены на концевых пластинах, а электроника вычисляющая время прихода сигнала и осуществляющая вывод в систему сбора данных находится в общем электронном крейте.
Черенковский счётчик В экспериментах по рассеянию электронов при высоких энергиях главным источником фона являются отрицательно заряженные пионы. По этой причине на детекторе CLAS установлены Черенковские счётчики, которые предназначены для разделения между электронами и пионами [35]. Заряженная частица проходя через вещество со скоростью большей фазовой скорости света в этой среде испускает излучение называемое Черенковским.
Порог на котором начинает проявляться этот процесс равен /? = у, где п индекс преломления данного вещества.
Черенковские счётчики в детекторе CLAS наполнены перфлорбутаном C4F10, который имеет индекс преломления равный 1.00153. Это приводит к тому что порог энергии частицы равен Е ут, где у = 18.09 и т - масса частицы. Для электронов это даёт величину порога энергии при которой начинает происходить Черенковское излучение равной 18 МэВ, для сравнения порог для пионов равен 2.5ГэВ. Выше этой энергии электронная идентификация осуществляется с помощью электромагнитного калориметра.
Черенковское излучение собирается системой зеркал и фокусируется в специально установленный фотоумножитель. Из-за симметрии тороидального магнита азимутальный угол рассеиваемой частицы сохраняется при прохождении через магнитное поле. Это позволяет сфокусировать свет от частиц с разными азимутальными и фиксированным полярным углом рассеяния в точке вблизи колец магнита. Фокальная плоскость оборудована набором фотоумножителей расположенных в тени колец магнита с чувствительностью к единичному фотоэлектрону.
Включение нового изобарного канала
В ранней версии модели этот канал был поглощен в трехчастичном фазовом объеме. Феноменологическая модель была расширена в соответствии с включением дополнительного изобарного канала, и все дифференциальные и интегральные сечения нового канала были извлечены. Изучалось влияние нового изобарного канала на сигнал от возможного нового состояния 3/2+(1720) сообщенного в [2] Мы выяснили, что при малых значениях W (W 1.66 GeV) данные довольно хорошо описываются используя только изобарные каналы(16)-(18).(Рис 24). Для W больших 1.66 GeV распределение по инвариантным массам л р превышало расчитанное в области 1.5-1.55 GeV, а при малых значениях инвариантных масс наоборот, расчитанная кривая идет выше экспериментальной(Рис 25), что может означать уменьшение вклада остаточных механизмов.
Описание распределений no инвариантным массам ж+р (слева) и л р(справа) при W=l.79 GeV с использованием нового изобарного канала ур - жЛХ),Гз(1520) - жЛж р. Синяя штриховая линия-новый изобарный канал учитывается только в трехчастичном фазовом объеме. Красная сплошная линия - новый изобарный канал включен как показано на Рис 26. Красная штрих-пунктирная линия отдельный вклад изобарного канала (19).
Вклад этого канала определяется нерезонансными процессами, и использующийся набор диаграмм(показанный на Рис 26) такой же, как и в случае нерезонансной части канала яА, за исключением соответстующих вставок матрицы /5, так как четность Ц3(1520) противоположна четности А. Результаты включения канала ур - л+Д3(1520) - ж ж р в модель показаны на Рис.(24 и 25) Из приведенных графиков (Рис 25) можно судить об улучшении качества воспроизведения данных.
В начальной версии модели остаточные механизмы дающие вклад в двухпионное сечение были параметризованы амплитудой трехчастичного фазового объема. Расчет проводимый в таких предположениях привел к удовлетворительному согласию с данными по инвариантным массам протона и пиона. В распределении по углу эмиссии отрицательного пиона вычисленного в системе центра масс системы фотон-протон в области задних углов имеется рост сечения не воспроизводящийся в модели. С целью улучшения описания данных трехчастичный фазовый объем был заменен на набор диаграмм представленный на Рис 27 Такая замена позволила улучшить качество описания данных во всём диапазоне переданных импульсов. Амплитуды механизмов были параметризованы в Лоренц инвариантной форме где єгм - вектор поляризации фотона Up,Upl - спиноры начального и конечного протонов Р2 - квадрат переданного четырёх-импульса P2in - минимальное значение квадрата переданного четырёх-импульса В амплитуде(20) мы ввели скалярное произведение (РХР2) для частиц обозначенных на вершинах диаграмм, что позволило воспроизвести распределения по инвариантным массам. Аналогично диффракционному анзацу, успешно используемому для описания фото и электророждения векторных мезонов, мы параметризовали пропагаторы в обменных диаграммах, как экспоненту от Р2 - Р2 . Параметр b находится из условия наилучшего воспроизведения данных. Мы потребовали, чтобы вклад в сечение от этих механизмов как функция W был гладким, и в нем не было структур. Диаграмма с л-" в нижней вершине позволяет описать пик на задние углы в угловом распределении ж мезона. Введенные механизмы позволили описать угловое распределение во всей кинематической области перекрываемой детектором CLAS (Рис 29) Диаграмма с л-" в верхней вершине необходима как для описания распределений по инвариантным массам так и углового распределения в области передних углов при W 1.7 GeV.
Объединенный анализ однопионного и двухпионного каналов
В данном параграфе мы кратко рассмотрим основные результаты анализа данных CLAS, полученные на основе ранней версии модели. Подробнее с результатами анализа можно познакомиться в [2].
В результате применения ранней версии модели было достигнуто удовлетворительное (с учетом тех замечаний, которые были сделаны в предыдущей главе) описание экспериментальных данных. Были впервые определены Q2 - зависимости электромагнитных формфакторов большинства высоколежащих нуклонных резонансов с массами более 1.6 ГэВ. Впервые обнаружена резонансная структура в зависимости интегральных п п сечений от инвариантной массы конечной адронной системы при W 1.7 ГэВ, отсутствующая в реакциях с реальными фотонами, но отчетливо проявляющаяся при всех исследованных Q2 в реакциях с виртуальными фотонами при одной и той же величине W. Показано, что резонансная структура при W 1.7 ГэВ может быть описана в двух предположениях: а) сильно различающихся от приведенных в мировой систематизации парциальных ширинах распадов состояния Р13(1720); б) за счет введения нового так называемого "missing" барионного состояния. Полученные из условия наилучшего описания данных квантовые числа этого состояния -3/2+ (1720).
Таким образом, получены первые указания на возможность существования не наблюдавшегося ранее в экспериментах "missing" барионного состояния. Анализ данных CLAS на основе модели версии 2005 года Объединенный анализ однопионного и двухпионного каналов
Надежное описание нерезонансных механизмов также как и разделение вкладов резонансов и фона представляет фундаментальную проблему физики нуклонных резонансов. В настоящее время не резонансные процессы можно описать только феноменологически. Надежность описания фона, а также разделения резонансных и нерезонансных вкладов может быть проверена в совместном анализе основных эксклюзивных каналов. Одно и двухпионное фото и электророждение мезонов в области возбуждения нуклонных резонансов являются доминирующими и на их долю приходится около 90% полного сечения. К тому же фоновые процессы в этих каналах существенно различны. Успешное совместное описание этих реакций подтвердит надежность разделения фоновых и резонансных процессов. Таким образом, мы ожидаем получить наиболее точные значения формфакторов нуклонных резонансов и заметно уменьшить модельные неопределенности возникающие из-за феноменологического разделения фона и резонансов. В анализ включены все резонансы со статусом не ниже 3 звезды принадлежащие второй и третьей резонансной области. Подробное описание процедуры анализа дано в [46]
Для совместного анализа использовались данные CLAS по сечениям рождения одного и двух пионов при Q2 = 0.65GeV2, так как на данный момент только в этой области есть совместные данные по сечениям. Процедура анализа происходила в несколько этапов. На первом этапе анализировались только однопионные данные. Спиральные амплитуды yp- N являлись единственными свободными параметрами. Значения формфакторов извлекались путем минимизации х2 используя стандартный пакет MINUIT[47]. Затем учитывая результы предыдущего шага данные двухпионного рождения были проанализированы в рамках расширенной модели. Поперечные спиральные амплитуды Д/2и Аъ12 для резонансов с массой меньше 1.7 Гэв варьировались около значений полученных на первом шаге т к эти резонансы обладают большими ширинами распада на пион и нуклон и поэтому эти амплитуды являются хорошими начальными значениями для фита двухпионных данных. Единственным исключением является амплитуда Аи2 для Роперовского резонанса Р11(1440), так как значения этой амплитуды взятое на первом этапе сильно отличалось от значения из [48]. Для резонансов с массой больше 1.7 Гэв распадающихся в основном на два пиона и нуклон начальные значения формфакторов брались из предыдущего анализа двухпионных данных. Все Кулоновские амплитуды SV2 брались из первого этапа.
В результате совместного анализа был определен общий набор формакторов нуклонных резонансов описывающий как рождение одного пиона так и двух пионов
