Экспериментальное исследование односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании π † - мезонов и протонов на углероде поляризованными протонами с энергией 22 ГэВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Ногач, Лариса Васильевна

• Ногач, Лариса Васильевна
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ногач, Лариса Васильевна

Содержание

Введение

1 Теоретические и экспериментальные исследования односпи-новой асимметрии в инклюзивном образовании ^—мезонов и протонов в области фрагментации поляризованного про-

тонного пучка разных энергий

1.1 Экспериментальные результаты

1.2 Теоретические модели и их сравнение с экспериментальными данными

2 Описание экспериментальной установки

2.1 Поляризованный протонный пучок

2.2 Аппаратура для регистрации вторичных частиц

2.3 Геометрическая эффективность установки

3 Анализ экспериментальных данных

3.1 Отбор полезных событий

3.1.1 Реконструкция событий

3.1.2 Критерии отбора полезных событий

3.1.3 Оценка фона

3.2 Вычисление асимметрии

3.3 Исследование временной стабильности данных

4 Результаты

4.1 Сечения

4.2 Асимметрия

4.3 Ложная асимметрия

5 Расчеты эффективности 7/V0-разделения и е//*.-режекции в установке STAR для оптимизации электромагнитного кало-

риметра и детектора максимума ливня для поляризационных исследований

5.1 Задачи моделирования для установки STAR

5.2 Характеристики электромагнитного калориметра и детектора максимума ливня

5.3 7/7Г0-раз деление

5.4 e/h - режекция

5.5 Результаты моделирования

Заключение

Библиография

Список рисунков

1.1 Схема реакции р^р —> 7г+Х в модели Yamamoto

1.2 Сравнение асимметрии, полученной в модели Yamamoto, с данными эксперимента Е704

1.3 Сравнение предсказаний модели Трошина-Тюрина с данными при 200 ГэВ

2.1 Схема экспериментальной установки

2.2 Двумерная гистограмма геометрической эффективности установки в зависимости от хр и рт в виде линий уровня

3.1 а) Распределение событий по ж-координате точки взаимодействия в мишени;

b) распределение по времени пролета между счетчиками S1 и S3;

c) распределение по времени пролета между S1 и черенков-ским счетчиком;

d) Распределение по амплитуде ADC с черенковского счетчика

3.2 АБС-спектр .ЙГ+-мезонов

3.3 Распределение по БХт^ для 7г~-мезонов в различных областях хр

3.4 хр — Рт~диаграмма реконструированных 7Г~, тг+ и протонных событий, отобранных по ряду критериев

3.5 Асимметрия в образовании 7Г+ и 7г~-мезонов для двух хр-бинов: а) 0.55 < хр < 0.6 и Ь) 0.6 < хр < 0.65 как функция времени набора данных

4.1 Сечения инклюзивного образования 7Г+, 7г~ и протонов как функция хр при 21.6 ГэВ/с в сравнении с данными при 24 ГэВ

4.2 Асимметрия в инклюзивном образовании 7Г~, 7г+ и протонов

как функция хр

4.3 рг-зависимость асимметрии для 7г+ и 7Г при фиксированных

4.4 ж^-зависимость асимметрии для 7Г+ и 7г при фиксированных

4.5 Сравнение 7г+-данных при 21.6 ГэВ/с и 11.75 ГэВ/с при некоторых фиксированных хр

4.6 ж^-зависимости асимметрии при 21.6 ГэВ ¡с и 11.75 ГэВ/с в перекрывающихся областях рт

4.7 Сравнение данных для 7Г+ и 7Г~ при 21.6 ОеУ/с и 200 СеУ/с

5.1 Экспериментальная и вычисленная по методу Монте-Карло форма ливня в ДМЛ, расположенном внутри ЭК после 5Хо

5.2 Энерговыделение в ДМЛ в зависимости от энергии падающего фотона для различных положений ДМЛ внутри ЭК

5.3 Координатное разрешение для 7-квантов как функция глубины положения ДМЛ в ЭК

5.4 Типичное распределение по ширине ливня < Я. > для кластеров, образованных одиночными фотонами и фотонами от распадов 7г°-мезонов для положения ДМЛ в ЭК после ЬХо

5.5 Степень подавления 7г°-мезонов при 80% эффективности регистрации 7-квантов для трех положений ДМЛ

5.6 Степень режекции е/Д как функция энергии падающей частицы для ЗХо и 5Х0

Список таблиц

3.1 Число реконструированных событий после применения критериев отбора

3.2 Отношение числа событий в области ЗХт{п < 0.05 см2 к числу событий в области 0.16 < < 0.32 см2

3.3 Фон в области < 0.05 см2

4.1 Асимметрия для тг~ и тг+

4.2 Асимметрия для протонов

4.3 Асимметрия для 7г+ при 0.45 < хр < 0.55

4.4 Ан(хр,рт) в инклюзивном образовании тг~

4.5 А^(хр,рт) в инклюзивном образовании 7г+

4.6 Ам(хр,рт) в инклюзивном образовании протонов

4.7 Ложная асимметрия для 7г~, тт+ и протонов. БХщ^ > 0.05 см2

4.8 Ложная асимметрия для 7Г+ при двух пороговых значениях ЗХт{п

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании π † - мезонов и протонов на углероде поляризованными протонами с энергией 22 ГэВ»

Введение

В 1999 году в Брукхевенской национальной лаборатории (BHJI, США) планируется ввод в эксплуатацию релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC), который предназначен для ускорения как тяжелых ионов, так и поляризованных протонов. В ядро-ядерных столкновениях (Аи — Аи) предполагается исследовать возможные проявления кварк-глюонной плазмы (КГП). В ^-взаимодействиях планируется изучать спиновую физику, в частности, получить информацию о глюонной спиновой структурной функции протона и измерить односпиновую асимметрию образования W± и Z0-бозонов.

Важным элементом коллайдера является поляриметр — установка для измерения величины поляризации пучка. Энергия каждого из двух протонных пучков будет находиться в диапазоне от 23 ГэВ (энергия инжекции из AGS) до 250 ГэВ. Следовательно, необходим поляриметр, который бы работал в этой широкой энергетической области.

Установка STAR — один из детекторов коллайдера — включает электромагнитный калориметр (ЭК) и газовый детектор максимума ливня (ДМЛ), предназначенные для идентификации образования прямых фотонов и струй, а также электронов от распадов промежуточных бозонов. Эта часть установки STAR в основном будет использована при проведении поляризационных исследований.

Данная диссертация посвящена двум аспектам поляризационной программы коллайдера: экспериментальному исследованию односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании заряженных пионов с целью использования результатов для поляриметрии на RHIC и исследованию с помощью метода Монте-Карло возможностей разделения прямых 7-квантов и 7г°-мезонов, а также е//г-режекции в установке STAR для оптимизации ЭК и ДМЛ для поляризационной физики.

Данные, полученные в эксперименте Е704 в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (ФНАЛ), показали наличие значительных по величине асимметрий в инклюзивном образовании 7г±-мезонов в области фрагментации поляризованных протонов при 200 ГэВ [1]. Было обнаружено, что поведение асимметрии сходно с характерными особенностями поляризации гиперонов, исследованной ранее в ряде экспериментов [2], что позволило сделать предположение о похожих механизмах возникновения

асимметрии в инклюзивном образовании мезонов и поляризации гиперонов. Кроме того, для гиперонов была обнаружена независимость поляризации от энергии в диапазоне от 12 до 2000 ГэВ. Исходя из предположения, что инклюзивная пионная асимметрия также не зависит от начальной энергии, был предложен поляриметр для RHIC на основе односпиновой асимметрии в инклюзивном образовании заряженных пионов в области фрагментации поляризованых протонных пучков. Однако, для подтверждения этой гипотезы нужны были измерения при более низких энергиях, чем 200 ГэВ.

В БНЛ был разработан и проведен с участием диссертанта эксперимент Е925 по измерению асимметрии в инклюзивных реакциях

Р]С -> тг+Х, (0.1)

Р]С тГХ, (0.2)

ртС рХ (0.3)

с использованием поляризованного протонного пучка с энергией вблизи нижней границы энергетического интервала RHIC — около 22 ГэВ.

В данной работе анализируются данные, полученные в эксперименте Е925 в ноябрьском сеансе 1997 г. Используются следующие основные величины: анализирующая способность An, сырая асимметрия Araw и поляризация пучка Рв, которые связаны соотношением

An = Araw/PB. (0.4)

Кинематические переменные регистрируемой частицы: поперечный импульс Рт и переменная Фейнмана хр = Pl*¡Ртах*-, где Ртах* « -\/s/2, a yfs — энергия в системе центра масс (* означает переменные в системе центра масс).

Экспериментальное исследование асимметрии в реакциях (0.1-0.3) — это основная часть данной работы, и она отражена в названии диссертации.

Глюонную спиновую структурную функцию протона предполагается получить в эксперименте STAR из образования прямых фотонов, так как основной фейнмановской диаграммой этого процесса является комптонов-ское рассеяние глюона на кварке с переходом глюона в фотон. Основным фоновым процессом будет образование 7г°-мезонов с неразделяющимися у-квантами от распада.

Исследование возможности 7/7г°-разделения и отделения электронов от адронов в ЭК и ДМЛ установки STAR является второй частью настоящей диссертации. И, хотя эта работа не отражена в названии диссертации, она также напрямую связана с поляризационной программой RHIC и важна для ее выполнения.

Целью данной диссертационной работы являлось экспериментальное исследование односпиновой асимметрии в реакциях (0.1-0.3) при энергии поляризованного пучка 22 ГэВ, а также моделирование 7/7Г0-разделения и е//i-режекции с помощью ЭК/ДМЛ установки STAR для определения оптимальной конструкции этих детекторов.

Научная новизна проведенного исследования состоит в том, что впервые была измерена асимметрия в инклюзивном образовании 7г±-мезонов и протонов на углеродной мишени в области фрагментации поляризованного протонного пучка с энергией 22 ГэВ, а моделирование было выполнено для детектора STAR коллайдера RHIC, первые эксперименты на котором планируется провести в 2000 году.

Практическая ценность настоящей работы заключается в том, что данные, полученные в эксперименте Е925, будут использованы для разработки поляриметра для коллайдера RHIC. Кроме того, получены интересные физические результаты, сопоставление которых с теоретическими моделями должно улучшить понимание природы спина и его роли в сильных взаимодействиях. Моделирование же позволило определить наиболее эффективную для выполнения поставленных задач структуру ЭК и ДМЛ установки STAR.

Полученные результаты докладывались на научных семинарах ИФВЭ, Аргоннской национальной лаборатории (США), БНЛ, на 7-ом международном семинаре по спиновой физике при высоких энергиях SPIN97 (Дубна, 1997 г.), на 13-ом международном симпозиуме по спиновой физике при высоких энергиях SPIN98 (Протвино, 1998 г.). Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в работах [21, 24, 25, 29, 30]. Личный вклад автора состоит в участии в одном из сеансов эксперимента Е925, разработке критериев отбора полезных событий и метода оценки фона, получении всех физических результатов по сечениям и асимметриям, представленных в диссертации, а также проведении расчетов j/тг0-разделения и е//г-режекции для установки STAR с использованием программы GEANT.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе представлен обзор экспериментов по измерению од-носпиновой асимметрии в инклюзивном образовании ^-мезонов в области фрагментации поляризованного протонного пучка. Рассмотрен ряд теоретических моделей, и проведено сравнение их предсказаний с экспериментальными данными.

Вторая глава содержит описание экспериментальной установки. Приведены параметры поляризованного пучка и детекторов, рассчитана геометрическая эффективность установки.

Третья глава посвящена анализу экспериментальных данных. Разработаны критерии отбора полезных событий, метод оценки фона от случайных совпадений в годоскопах. Исследована стабильность экспериментальных данных во времени.

В четвертой главе представлены полученные результаты по асимметриям и сечениям. Приведены асимметрия в инклюзивном образовании 7Г+, 7Г_ и протонов в зависимости от хр (интеграл по рт) и двумерные (хр,рт)~ зависимости. Оценена ложная асимметрия. Полученные данные сопоставлены с результатами предыдущих экспериментов.

В пятой главе описаны ЭК и ДМЛ установки STAR. Приведены результаты моделирования по методу Монте-Карло отделения одиночных 7-квантов от 7г°-мезонов и электронов от заряженных пионов. Исследованы зависимость степени подавления 7Г° и степени режекции e/h от энергии и положения ДМЛ. Определена оптимальная глубина положения ДМЛ внутри ЭК.

Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе, сформулированы в заключении.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Ногач, Лариса Васильевна

Заключение

В заключение перечислим основные результаты, полученные в данной работе:

1. При создании программного обеспечения для анализа данных поляризационного эксперимента Е925 диссертантом разработаны критерии отбора полезных событий.

2. Разработан метод оценки фона от случайных совпадений в годоско-пах.

3. Исследованы отношения дифференциальных сечений 7Г+, 7Г~ и протонов при разных хр. Сравнение с полученными ранее данными убедило, что исследуемые реакции выделены правильно.

4. Определена асимметрия в инклюзивном образовании 7Г+, и протонов на углеродной мишени в области фрагментации поляризованного протонного пучка с импульсом « 22 ГэВ/с.

5. Наблюдалась сильная ж^-зависимость асимметрии для 7г±-мезонов, усредненной по рт в области от 0.3 до 1.2 ГэВ/с. Этот факт согласуется с качественными предсказаниями ряда теоретических моделей, в которых асимметрия в инклюзивном образовании пионов обусловлена поляризацией кварков в протоне, орбитальным угловым моментом ад-облака в составляющих кварках или корреляцией кварковых и глюонных полей в протоне. Для более определенных выводов необходимы количественные оценки в рамках этих моделей для энергии пучка 22 ГэВ и углеродной мишени.

6. Проведено сравнение полученных результатов по асимметриям для 7Г+ и 7г~ с данными предыдущих экспериментов, имеющими важное значение для разработки поляриметра для ВДИС. Обнаружено, что как величины хр: при которых асимметрии равны нулю, так и наклоны Ан больше при 22 ГэВ по сравнению с данными при 200 ГэВ. Это может быть обусловлено зависимостью как от энергии, так и от материала мишени. Но асимметрии для 7г+ и 7г~ при двух данных энергиях примерно равны в области больших хр, которая существенна для поляриметрии на коллайдере ВДПС, что позволит использовать для поляриметра углеродную мишень, которую технически гораздо проще реализовать.

7. Величина А# для протонов сравнима с нулем в пределах ошибок во всей кинематической области данного эксперимента.

Из моделирования для ЭК/ДМЛ установки STAR получены следующие результаты:

8. Исследована зависимость степени подавления 7г°-мезонов от энергии и положения ДМЛ. Выяснено, что отношение "сигнал/фон" (7/7Г0) максимально в области энергий 3 — 7 ГэВ при глубине положения ДМЛ 5Х0, где достигает величины « 4 — 6.5. Таким образом, оптимальное для эффективного 7/7Г0-разделения положение ДМЛ внутри ЭК — после пяти радиационных длин вещества калориметра.

9. Определена степень режекции e/h в области энергий от 2 до 30 ГэВ для двух положений ДМЛ внутри ЭК. С ростом энергии режекция улучшается. Для положения ДМЛ после 5Х0 Kr составляет от 6 до 0.7%.

Эксперимент Е925 был проведен в рамках международного сотрудничества совместно с Н.И.Беликовым, А.Н.Васильевым, А.А.Деревщиковым, Ю.А.Матуленко, С.Б.Нурушевым, А.И.Павлиновым, К.Крюгером, Д.Андервудом, X.Спинкой, Т.Роузером, Н.Саито и др. Я благодарна им за плодотворную совместную работу.

Я выражаю свою признательность членам сотрудничества Е925 из АНЛ и БНЛ и лично профессору А.Юкосаве и доктору Ю.Макдиси за предоставленную возможность участвовать в тестовом сеансе эксперимента Е925.

Особую благодарность хотелось бы выразить А.И.Павлинову, разработавшему алгоритм реконструкции событий и подготовившему DST, за постоянную помощь в работе и многочисленные критические замечания. Я благодарна С.Б.Нурушеву и Ю.А.Матуленко за полезные обсуждения теоретических моделей и методов анализа данных.

Моделирование для установки STAR было проведено совместно с А.Н.Васильевым, А.А.Деревщиковым, Ю.А.Матуленко, В.Л.Рыковым, К.Е.Шестермановым и Л.В.Алексеевой. Я искренне признательна К.Е.Шес-терманову за помощь в овладении программой GEANT и методикой моделирования.

Особую признательность хочу выразить моему научному руководителю доктору физико-математических наук А.Н.Васильеву за постоянное внимание и помощь в работе и существенные замечания в процессе написания данной диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ногач, Лариса Васильевна, 1999 год

Библиография

[1] D.L.Adams et al, Phys.Lett. B264, 462 (1991)

[2] K.Heller, Proceedings of the 12th International Symposium on High-Energy Spin Physics, Amsterdam, (eds. C.W.de Jager et al., World Scientific, 1996), p.23

[3] R.D.Klem et al, Phys.Rev.Lett. 36, 929 (1976)

[4] W.H.Dragoset et al., Phys.Rev. D18, 3939 (1978)

[5] B.E.Bonner et al, Phys.Rev. D41, 13 (1990)

[6] G.L.Kane et al, Phys.Rev.Lett 41, 1689 (1978)

[7] K.P.Das and R.C.Hwa, Phys.Lett. B68, 459 (1977)

[8] R.C.Hwa, Phys.Rev. D22, 1593 (1980)

[9] Y.Yamamoto, K.Kubo, and H.Toki, Prog. Theor.Phys. 98, 95 (1997)

[10] T.A.DeGrand and H.I.Miettinen, Phys.Rev. D23, 1227 (1981); D24, 2419 (1981); D31, 661 (1985)

[11] Z.Liang and T.Meng, Z.Phys. A344, 171 (1992)

[12] S.M.Troshin and N.E.Tyurin, Phys.Rev. D54, 838 (1996)

[13] J.Qiu and G.Sterman, preprint HEP-PH/9806356, 1998

[14] D.Sivers, Phys.Rev. D41, 83 (1990), D43, 261 (1991); M.Anselmino, M.E.Bologlione, and Murgia, High Energy Spin Physics, edited by K.Heller and S.Smith, AIP Conf.Proc.343 (AIP, New York, 1994), p.446

[15] A.V.Efremov and O.V.Teryaev, Sov.J.NuclPhys. 36, 140 (1982); J.Qiu and G.Sterman, Nucl.Phys. B378, 52 (1992); S.J.Brodsky, P.Hoyer, A.H.Mueller, and W.-K.Tang, Nucl.Phys. B369, 519 (1992)

[16] C.Boros, Z.Liang, and T.Meng, Phys.Rev.Lett. 70, 1751 (1993)

[17] D.G.Crabb et al., Nucl.Phys. B121, 231 (1977).

[18] M.Borghini et al, Phys.Lett. B36, 501 (1971).

[19] A.Gaidot et al, Phys.Lett. B61, 103 (1976)

[20] I.Eichten et al., Nucl.Phys. B44, 333 (1972)

[21] I.G.Alekseev, L.V.Alekseeva, M.Bai, G.Bunce, N.I.Belikov, V.I.Belousov, A.A.Derevschikov, H.Huang, V.P.Kanavets, K.Krueger, T.LeCompte, S.Y.Lee, Y.Makdisi, F.Mariam, Yu.A.Matulenko, L.V.Nogach, S.B.Nurushev, A.I.Pavlinov, T.Roser, H.Spinka, D.M.Svirida, M.Syphers, A.N.Vasiliev, D.Underwood, A.Yokosawa. "Efficiency simulation for the set-up to measure asymmetry in inclusive charged pion production at 23 GeV (Experiment E925 at BNL)" — In Proceedings of VII Workshop on High Energy Spin Physics, Dubna, July 7-12, 1997, p.233-236

[22] А.И.Павлинов, препринт ИФВЭ 98-37, Протвино, 1998

[23] Н.И.Беликов и др., препринт ИФВЭ 97-27, Протвино, 1997

[24] C.Allgower, M.Bai, V.Baturine, N.I.Belikov, G.Bunce, A.A.Derevschikov, H.En'yo, V.Ghazikanian, Y.Goto, N.Hayashyi, H.Huang, T.Ichihara,

G.Igo, K.Imai, T.Kasprzyk, Y.Kondo, K.Krueger, S.Y.Lee, Y.Makdisi, Yu.A.Matulenko, Y.Nakada, L.V.Nogach, S.B.Nurushev, A.Ogawa, M.Okamura, A.I.Pavlinov, T.Roser, N.Saito, H.Sakai,

H.Sato, H.Okamura, H.Spinka, M.Syphers, S.Trentalange, D.Underwood, A.N.Vasiliev, T.Wakasa, C.Whitten, A.Yokosawa. "Measurement of singlespin asymmetries of тг+, ir~, and protons inclusively produced on a carbon target with a 21.6 GeV/с incident polarized proton beam (BNL E925 Experiment)" — preprint IHEP 99-14, Protvino, 1999

[25] C.Allgower, M.Bai, V.Baturine, N.I.Belikov, G.Bunce, A.A.Derevschikov, H.En'yo, V.Ghazikanian, Y.Goto, N.Hayashyi, H.Huang, T.Ichihara,

G.Igo, K.Imai, T.Kasprzyk, Y.Kondo, K.Krueger, S.Y.Lee, Y.Makdisi, Yu.A.Matulenko, Y.Nakada, L.V.Nogach, S.B.Nurushev, A.Ogawa, H.Okamura, M.Okamura, A.LPavlinov, T.Roser, N.Saito,

H.Sakai, H.Sato, H.Spinka, M.Syphers, S.Trentalange, D.Underwood, A.N.Vasiliev, T.Wakasa, C.Whitten, A.Yokosawa. "Asymmetry in inclusive production of 7Г+, 7Г, p at 23 GeV/c (E925 at BNL)" — In Proceedings of 13th Symposium on High Energy Spin Physics, Protvino, September 8-12, 1998, p.474-476

[26] C.P.Singh, Phys.Rev. 236, 147 (1993)

[27] T.LeCompte and D.Underwood, STAR Note #242, 1996

[28] X.-N. Wang et al, preprint LBL-38455, 1996

[29] L.V.Alekseeva, A.A.Derevschikov, Yu.A.Matulenko, L.V.Nogach, V.L.Rykov, K.E.Shestermanov, A.N.Vasiliev. "Simulation Study of the 7/7r°-Separation Efficiency and e//i-Rejection Power in the STAR Barrel Electomagnetic Calorimeter and the Gaseous Shower Maximum Detector" — preprint IHEP 97-49, Protvino, 1997; STAR Note #305, September, 1997

[30] Л.В.Алексеева, А.Н.Васильев, А.А.Деревщиков, Ю.А.Матуленко, Л.В.Ногач, В.Л.Рыков, К.Е.Шестерманов. "Расчеты эффективности 7/7г°-разделения и е//г.-режекции в центральном электромагнитном калориметре с помощью детектора максимума ливня установки STAR" — ПТЭ, N 4, 1998, стр.31-35

[31] Т.С.Awes et al, Nucl. Instr. and Meth. A311, 130 (1992)

[32] P.K.Job et al, Nucl. Instr. and Meth. A271, 442 (1988)

[33] J.Grunhaus et al, preprint TAUP-1976-92, Tel Aviv University, Tel-Aviv, Israel, 1992