Изучение ηη-системы в π-ρ- и K-ρ-реакциях на модернизированной установке ГАМС-4π тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Колосов, Владимир Николаевич

• Колосов, Владимир Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Колосов, Владимир Николаевич

Введение

1 Развитие экспериментальной установки. Детектор SAD

1.1 Калориметр SAD

1.1.1 Калибровка калориметра SAD-60.

1.1.2 Измерения многофотонных событий

1.2 Калориметр SAD-150.

1.2.1 Конструкция и характеристики калориметра SAD-150.

1.2.2 Процедура калибровки.

1.2.3 Измерение событий зарядово-обменной реакции с образованием

7г°- и 77-мезонов.

2 Изучение 7/77-системы в зарядово-обменной 7г~р-реакции

2.1 Отбор событий.

2.2 Эффективность регистрации и аппаратурное разрешение установки

2.3 Спектр эффективных масс и угловые распределения.

2.4 Масс-независимый ПВА.

2.5 Масс-зависимый ПВА.

2.6 Обсуждение результатов.

3 Наблюдение резонанса /2(1525) в системе т]щ К~р-взаимодействиях при 32.5 ГэВ/с

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение ηη-системы в π-ρ- и K-ρ-реакциях на модернизированной установке ГАМС-4π»

В конце 80-х годов была проведена существенная модернизация установки ГАМС. Базовый многофотонный спектрометр ГАМС-2000 был дополнен широкоапертурным детектором фотонов ШАД. Была полностью переделана охранная система из свинцового стекла, расположенная вокруг жидководородной мишени. Во второй половине 90-х центральная часть спектрометра была дополнена детектором из тяжелых кристаллов. Этому предшествовали измерения и исследования прототипов кристаллического детектора, которые вошли в настоящую диссертацию. Значительные улучшения были внесены в систему сбора данных установки. Модернезированная установка получила название ГАМС-4тг. В период с 1991 года по 2002 год на установке было проведено шесть физических сеансов при импульсе пучка 32.5 ГэВ/с. Отметим, что более 2/3 статистики было набрано в двух сеансах 2002 года. В 2004 году на установке был проведен последний сеанс.

Рекордная статистика, набраная на установке ГАМС-4тг, вместе с новым качеством данных явилась основанием для обращения к уже исследованным нейтральным системам. В диссертации представлены данные, полученные при изучении системы из двух //-мезонов. Система г/г/ изучалась в нескольких экспериментах с целью поиска экзотических состояний. Интерес к этой системе был вызван тем, что, согласно теоретическим представлениям, глюонные состояния имеют интенсивную моду распада в щ [1]. Наличие только четных волн в системе г]г} заметно упрощает процедуру парциально-волнового анализа (ПВА).

Более 20 лет назад в результате изучепня ^-системы в зарядово-обменной тг~р-реакцни был обнаружен кандидат в скалярные глюболы - С//0(1590)-мезон [2,3]. Наблюдение С-мезона в ^/-системе в реакции центрального образования [4,5] подтвердило гипотезу о том, что это состояние может иметь существенную глюонную составляющую. Позднее это состояние, обозначенное как /о(1500)-мезон [6], было обнаружено и в других реакциях (рр-аннигиляция, радиационные распады J/'ф), в которых ожидалось усиленное образование мезонов, обогащенных глюонами. Все это позволяет считать /о(1500) серьезным кандидатом в глюбольт.

Еще одно состояние в системе г/г/, которое, вероятно, также имеет экзотическую природу, - /О(1710)-мезон. Этот резонанс наблюдался во многих экспериментах, но его спин долгое время оставался неопределенным (рассматривалось два возможных значения J = 0 и 2). Наблюдение /о(1710) как скалярного состояния в радиационных распадах ,1/ф [7], а также данные эксперимента \VA102 для 7г 7г - и К+К -систем однозначно позволили установить скалярную природу /,/(1710)-мезона [8,9]. Впервые наблюдение /,/(1710) в ^-системе и определение его спина J — 0 было заявлено экспериментом \VA102 [10]. Надежное наблюдение в реакции центрального образования

7777-системы двух скалярных состояний, /о(1500) и /о(1710), а также незначительный вклад в спектр масс сигнала от /2(1525)-мезона позволяют сказать, что больше нет аргументов против расщепления сигнала от G//0(1590) на два состояния. Действительно, основной аргумент против такого расщепления [11] был основан на допущении, что надежный пик, наблюдаемый в спектре масс A'Ä-системы в эксперименте WA76 [12] принадлежит /о(1525)-мезону. Это допущение противоречит данным эксперимента WA102. Наличие двух узких скалярных состояний, параметры которых согласуются с вычислениями на решетках для массы глюбола в области 1.6 ГэВ, требует дальнейшего изучения 7777-системы.

Тензорный сектор также вызывает интерес. В 7777-системе в центральном рождении был обнаружен /2(2175)-мезон - кандидат в тензорные глюболы [4,5,10]. Согласно вычислениям на "решетках" масса самого легкого тензорного глюбола должна находиться в районе 2200-2300 МэВ [13,14]. Другое состояние /2(1810), наблюдаемое в одном из решений [3], можно ассоциировать с сигналом, видимым в 47г°-системе в зарядово-обменной реакции [15] и в реакции центрального рождения [16].

Еще одним важным направлением в мезонноп спектроскопии является изучение состояний с высокими спинами. Сотрудничеством ГАМС были открыты и изучены два таких состояния: а4(2020) и /6(2520)-мезоны [6]. До настоящего времени не существовало экспериментальной информации об 7777-системе в области больших масс. Изучение этой области является одной из главных задач настоящей работы. Ранее эта реакция не изучалась. Данный эксперимент был выполнен на спектрометре ГАМС-4-7Г 70-ГэВ протонного ускорителя ИФВЭ. Оба 77-мезона регистрировались в моде распада на два 7-кванта. Интерес к ^-системе вызван тем, что экзотические, прежде всего глюонные состояния, могут иметь интенсивную моду распада по этому каналу. Получение данных в реакциях с каонами может оказаться весьма полезным для изучения природы образующихся резонансов.

Целью диссертации является модернизация центральной части установки ГАМС-47Г добавлением электромагнитного детектора под малыми углами SAD (Small Angle Detector) на основе кристаллов вольфрамата свинца(Р\УО), изучение характеристик кристаллического детектора и исследование на модернизированной установке щ- системы в 7г~-пучке на качественно более высоком, чем в предыдущих работах, уровне точности. Рекордная статистка эксперимента позволила впервые исследовать образование щ- системы в А'~-пучке.

Научная новизна диссертации. Впервые в составе физической установки был использован многоячеистый калориметр из кристаллов PWO. Высокая статистическая обеспеченность эксперимента позволила на новом уровне провести парциально-волновой анализ системы щ, образующейся в зарядовообменной реакции в 7г~-пучке. Измерены сечения рождения резонансов. В ¿"-волне в районе С(1590)-мезона удалось разделить два частично перекрывающихся состояния: /о(1500) и /о(1710). В J-волне обнаружено широкое состояние с массой 3150 ±150 МэВ и шириной 700 ± 150 МэВ. В К~-пучке образование 7777-еистемы было изучено впервые. В спектре эффективных масс 7777-системы наблюдается /2(1525)-резонанс при низком уровне фона. Определено отношение вероятностей распада /2(1525)-мезона на 7777 и К К: R = 0.119 ±0.015(s£oi) ±0.036(syst), что согласуется с табличным значением для этой величины. Эги данные представляются существенным дополнением к уже накопленной информации по распадам /2(1525)-мезона.

Практическая ценность работы. Создан и исследован кристаллический PWO калориметр SAD для регистрации фотонов под малыми углами, расширяющий возможности усгановки ГАМС-4тг. Результаты самых первых испытаний PWO-спектрометра на пучке продемонстрировали его высокие возможности, необходимые для проведения экспериментов в области физики высоких энергий в условиях большой светимости как на выведенных пучках, так и на коллайдерах. Создан комплекс программ для калибровки, физического контроля и анализа данных, полученных в эксперименте. Показана перспективность изучения состояний образующихся в /('-пучке с образованием 7г°- и ?/-мезонов.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, включает 21 рисунок и 3 таблицы, содержит список цитируемой литературы из 46 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Колосов, Владимир Николаевич

Выводы

В заключение перечислим основные результаты проведенных исследований:

1. Создан и исследован кристаллический PWO-калориметр SAD для регистрации фотонов под малыми углами, расширяющий возможности установки ГАМС-4-7Г. Измеренное разрешение калориметра по массе соответствует проведенным ранее измерениям и результатам моделирования.

2. Калориметр SAD показал высокие эксплуатационные характеристики при работе в пучках с высокой загрузкой. Использование сигналов от 7г°- и ту-мезонов помогало корректировать изменение световыхода кристаллов PWO, дрейф фотоумножителей и электроники во время процесса измерений и позволило с высокой точностью определить калибровочные коэффициенты. Подтверждена перспективность использования многоячеистых PWO-калориметров при работе в готовящихся экспериментах с высокой светимостыо(СМ8, ALICE).

3. Выполнен ПВА цц-системы в зарядово-обменной 7г~р-реакции при 32.5 ГэВ/с. Анализ проведен в интервале масс от 1.1 до 3.9 ГэВ при — t < 0.2 (ГэВ/с)2 с учетом S-, D-, G- и J-волн. Определено наиболее вероятное физическое решение.

4. В области масс до 2 ГэВ ПВА показал наличие нескольких перекрывающихся резонансов с различными спинами. В частности, в ¿"-волне хорошо видны три состояния: /0( 1370), /о(1500) и /о(1710). При этом, благодаря высокой статистической обеспеченности эксперимента в районе С?(1590)-мезона, разделены два частично перекрывающихся состояния: /о(1500) и /0( 1710).

5. В ПВА при больших массах ///•/-системы отдается предпочтение решению, в котором проявляются /2(1950)- и /О(2200)-резонансы.

6. В области масс выше 2.4 ГэВ доминирует G-волна. В J-волне обнаружено широкое состояние с массой 3150 ± 150 МэВ и шириной 700 ± 150 МэВ.

7. Впервые изучена реакция К~р —»■ т/г^А/Е0).

8. В спектре эффективных масс 7777-системы наблюдается /2(1525)-резонанс при низком уровне фона. Для его массы и ширины получены следующие значения:

M = 1514 ±8 МэВ и Г = 92t2g МэВ, что согласуется с табличными значениями этих величин.

9. Измерено сечение образования а{К~р /2(1525)(Л/Е0)) х BR(f2( 1525) -> 7777) = 78.3 ± 9.9 ± 8.1(syst)n6.

Определено отношение вероятностей распада /2(1525)-мезона на щ и К К: R = 0.119 ± 0.015(s£a£) ± 0.036(syst), что согласуется с табличным значением этой величины.

Благодарности

Результаты, представленные в диссертации, получены автором в Отделе экспериментальной физики ИФВЭ в 1996-2007 годах. Эксперименты, описанные в настоящей диссертации, выполнены совместно с A.M. Бликом, C.B. Донсковым, В.А. Качано-вым, В.М. Кутьиным, М.Е. Ладыгиным, A.A. Ледневым, В.А. Лишиным, Ю.В. Михайловым, В.А. Поляковым, Ю.Д. Прокотнкиным, В.Д. Самойленко, А.Е. Соболем, В.П. Сугоняевым, Г.В. Хаустовым, A.B. Штанниковым, а также с зарубежными коллегами: Ф. Биноном, С. Инабой, Ж.П. Пенье, Ж.П. Строотом, К. Такамацу, Т. Тсуру, И. Фуджии. Автор признателен им за многолетнюю плодотворную совместную деятельность.

С особой благодарностью автор вспоминает Юрия Дмитриевича Прокошкина. Именно он осуществил постановку научных задач, при нем были проведены и опубликованы результаты измерений с детектором SAD. Его пример служения науке -всей своей жизнью - навсегда останется в наших сердцах. Весьма признателен автор своему научному руководителю, доктору физико-математических наук Сергею Васильевичу Донскову, который продолжил дело, начатое Юрием Дмитриевичем, завершил модернизацию установки. Благодаря его огромному опыту и настойчивости на установке было проведено несколько сеансов и набрана рекордная статистика. Его внимание к работе и заинтересованное отношение помогли успешно довести до конца описанные в диссертации исследования. Без его помощи эта работа едва ли была бы возможна.

Автор благодарен своим товарищам и коллегам В.М. Кутьину и A.M. Блику, которые не жалели сил и времени для передачи своих знаний и опыта, способствовали формированию автора как ученого. Хочется подчеркнуть особо вклад В.М. Кутьина в качественную настройку черенковских счетчиков на установке ГАМС, без которой измерения в К-пучке были бы невозможны.

Автор признателен В.Ф. Образцову, В.И. Романовскому и Ю.П. Гузу за полезные обсуждения и замечания.

Диссертант выражает благодарность дирекции ИФВЭ за поддержку экспериментов на установке ГАМС-4тг.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Колосов, Владимир Николаевич, 2008 год

1.S. Gershtein, А.К. Likhoded and Yu.D. Prokoshkin, ЯФ 39, 251 (1984).

2. F. Binon et al, Nuovo Cimento A 78, 313 (1983).

3. D. Aide et al., ЯФ 44, 120 (1985).

4. D. Aide et al, Phys. Lett. В 201, 160 (1988).

5. A.V. Singovski, in Proceedhigs of 5th International Conference on Hadron Spectroscopy "HADRON'93", Como, Nuovo Cimento A 107, 1911 (1994).

6. S. Eidelman et al., Pliys. Lett. В 592, 1 (2004).

7. Bai et al., Phys. Lett. В 472, 207 (2000); Phys. Rev. Lett. 81, 1179 (1998).

8. D. Barberis et al, Phys. Lett. В 453, 316 (1999).

9. D. Barberis et al., Phys. Lett. В 453, 305 (1999).

10. D. Barberis et al., Phys. Lett. В 479, 59 (2000).

11. Ю.Д. Прокошкин, Докл.АН СССР 316, 900 (1991), Sov. Phys. Dokl., 36, 155 (1991).

12. T.A. Armstrong et al., Phys. Lett. В 227, 186 (1989).

13. G. Bali et al., Phys. Lett. В 309, 378 (1993).

14. J. Sexton et al, Phys. Rev. Lett. 75, 4563 (1995).

15. D. Aide et al, Phys. Lett. В 198, 286 (1987).

16. Д. Алде и др., ЯФ 47, 1273 (1988), SJNP 47, 810 (1988).

17. A.M. Блик и др., ПТЭ 6, 38-42 (1997); Препринт ИФВЭ 96-57, Протвино, 1996.

18. F. Binon et al., Препринт ИФВЭ 97-4, Протвино, 1997.

19. Ф. Бинон и др., ЯФ 70Л/10, 1758-1761 (2007); Phys.Atom.Nucl.70:1713-1716 (2007).21 22 [23 [24 [25 [26 [27 [28 [29 [30 [31 [3233 34 [35 [36 [37 [38 [3940 4142 43 [44

20. F. Binon et al, Nucl. Instrum. Methods 24 A 8, 86 (1986).

21. F.G. Binon et al, Nucl.Instrum. Methods A 428, 291 (1999).

22. Yu.D. Prokoshkin, Preprint ЛГ87-99, IHEP (Serpukhov, 1987).

23. S.A. Akimenko et al, Preprint Af88-16, IHEP (Serpukhov, 1988).

24. Binon F.G. et al, Nucl.Instrum. and Methods. 1986. V.A248. P.86.

25. Aide D. et al, Nucl.Instrum. and Methods. 1986. V.A240. P.343.

26. Блик A.M., Либа И.П., ПТЭ. 1995. 3 c.34. Instr. Exper. Techniques. 38 (1995) 308.

27. Prokoshkin Yu.D., Shtannikov A.V., Nucl.Instrum. and Methods. 1995. V.A362. P.62.

28. O.B. Буянов и др., Препринт ИФВЭ 93-144, Протвино, 1993;

29. Buyanov O.V. et al, Nucl.Instrum. and Methods. 1994. V.A349. P.62.

30. S. Inaba et al, Nucl.Instrum. and Methods. 1995. V.A359. P.485.

31. A.M. Блик и др., Препринт ИФВЭ 96-105, Протвино, 1996; CMS N/96-023, CERN, Geneva, 1996;

32. Alexeev G.A. et al, Nucl.Instrum. and Methods. 1995. V.A364. P.307. W. Oclis, F. Wagner, Phys. Lett. В 44, 271 (1973). S.U. Chung, Phys. Rew.D 56, 7299 (1997). D. Aide et al, Eur. Phys. J. A 3, 361 (1998).

33. C. Amsler et al, Phys. Lett. В 340, 259 (1994).

34. D. Barberis et al, Phys. Lett. В 413, 217 (1997).

35. M. Svcc, Phys. Rev. D 53, 2343(1996); J.Blatt and W.Weiskopf, Theoretical Nuclear Physics (Wiley, 1952), p. 359.

36. R.S. Longacre et al., Phys. Lett. В 177(2), 223 (1986).

37. D.V. Amelin et al. ЯФ 59AA6, 1021-1026 (1996); Phys.Atom.Nucl.59, 976-981 (1996); Preprint A/*95-112, IHEP (Pr.otvino, 1995).

38. A.V. Anisovich et al, Phys. Lett. В 449, 145 (1999). D. Aston et al, Nucl. Phys.B301, 525 (1988).

39. B.V.Bolonkin et al, Nucl. Phys.B309, 426 (1988).

40. F. Barreiro et al, Nucl. Phys.B121, 237 (1977).

41. D. Barbcris et al, Phys. Lett.B453, 305 (1999).i1. Список иллюстраций

42. Экспериментальная установка ГАМС-47Г. Рисунок из работы 19. . 5

43. Суммарное энерговыделение в PWO-матрице при облучении широким электронным пучком с энергией 9.3 ГэВ. Кривая функция Гаусса сяЕ/Е = 2.9%. Рисунок из работы 17. 8

44. Спектр эффективных масс 7-пар, измеренный PWO-калориметром при интенсивности пучка 1.4 х 1067г~/с. Рисунок из работы 17. 11

45. Спектр эффективных масс 7-пар, измеренный PWO-калориметром при интенсивности пучка более 106тг-/с. Рисунок из работы 17.12

46. Спектры электронов и мюонов, полученные в калориметре SAD-150 во время калибровки. Рисунок из работы 18. 15

47. Спектр эффективных масс о~иар, измеренный PWO-калориметром при расстоянии от мишени L =5.5 м. Рисунок из работы 18.16

48. Спектр эффективных масс 7-пар, измеренный PWO-калориметром при расстоянии от мишени L =3.8 м. Рисунок из работы 18.17

49. Распределение по квадрату переданного импульса для различных массовых интервалов 7777-системы. Рисунок из работы 19. 20

50. Спектр инвариантных масс 7777-систем в реакции (2.1) при —t <0.2 (ГэВ/с)2. Рисунок из работы 19. 21

51. Моменты сферических гармоник для М = 0 в зависимости от инвариантной массы 7777-системы, Ь = 2, 4, 6, 8, 10, 12. Рисунок из работы 19. 22

52. Моменты сферических гармоник ^ для М — 1 в зависимости от инвариантной массы 7777-системы, Ь = 2, 4, 6, 8, 10, 12. Рисунок из работы 19. 23

53. Результаты масс-независимого ПВА ^-системы при —£ < 0.2 (ГэВ/с)2 в массовом интервале 1.1 — 1.7 ГэВ с учетом £)0, Х)-волн. Показаны два возможных решения. Второе решение рассматривается как нефизическое. Рисунок из работы 19. 24

54. Спектр инвариантных масс 7777-систем в реакции (3.1). Рисунок из работы 20. 33

55. Распределение по квадрату переданного импульса для массового интервала 1.4 1.7 ГэВ. Рисунок из работы 20. 34

56. Угловые распределения 7777-событий из массового интервала 1.4 1.7 ГэВ при 0 < < 0.2 (ГэВ/с)2 (а,Ь) и 0.2 < -£ < 1.6 (ГэВ/с)2 (с,а). Рисунок из работы 20. 36