Поляризация Л и Л гиперонов в эксперименте Compass (CERN) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Алексахин, Вадим Юрьевич

• Алексахин, Вадим Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Алексахин, Вадим Юрьевич

ГЛАВА 1. Введение

1.1 Глубоко-неупругое рассеяние и странность в нуклоне.

1.1.1 Кинематические переменные.

1.2 Кварк-партонная модель нуклона.

1.3 Внутренняя странность нуклона.

1.3.1 Вклад странных кварков в массу нуклона

1.3.2 Вклад странных кварков в электрический и магнитный форм-факторы нуклона.

1.3.3 Газница между s(x) и s(x).

1.3.4 Поляризация странных кварков.

1.4 Продольная поляризация А и А гиперонов в глубоко-неупругом рассеянии.

1.4.1 Странность нуклона и измерение поляризации А и А гиперонов в ¡iN глубоконеупругом рассеянии.

1.4.2 Поляризованная странность в нуклоне.

1.4.3 Модель поляризованной внутренней странности.

1.4.4 Спиновая структура А и А гиперонов.

1.4.5 Предсказания: поляризация А и А в лептон-нуклонном ГНГ.

1.5 Обзор существующих данных.

ГЛАВА 2. Эксперимент COMPASS

2.1 Описание спектрометра COMPASS.

2.1.1 Мюонный пучок.

2.1.2 Поляризованная мишень.

2.1.3 Координатные детекторы.

2.1.4 Магниты.

2.1.5 Адронные калориметры.

2.1.6 RICH

2.1.7 Триггер.

2.2 Моделирование событий в эксперименте COMPASS.

2.2.1 Моделирование полуинклюзивных реакции.

2.2.2 Моделирование экспериментальной установки COMPASS

2.3 Реконструкция событий в эксперименте COMPASS

ГЛАВА 3. Анализ данных

3.1 Идентификация А и Ä.

3.2 Сравнение распределений Л и Ä по кинематическим переменным в данных и MC.

3.2.1 Настройка функций фрагментации

3.2.2 Процедура взвешивания.

3.3 Результаты измерения поляризации Л и А гиперонов.

3.3.1 Вычисление передачи спина

3.3.2 Зависимости передачи спина от хр и х.

3.3.3 Оценка систематических ошибок

3.3.4 Роль взвешивания.

3.3.5 Ограничение интервала углового распределения cos вх < 0.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Алексахин, Вадим Юрьевич

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Определен коэффициент продольной передачи спина от поляризованных мюонов в Л и Л гипероны. Представленные данные являются наиболее точными измерениями продольной передачи спина в Л и Л в ГНР в настоящее время. Оказалось, что передача спина в Л мала, с -0.012 ±0.047 ±0.024 при xF = 0.22. Обнаружена значительная передача спина в Ä - D\l = 0.249 ± 0.056 ± 0.049 при xF = 0.20. Эти величины находятся в согласии с результатами предыдущих измерений [6, 7, 8, 9], но для Ä наше измерение имеет наилучшую статистическую ошибку.

2. Измерены х и xF зависимости продольной передачи спина, которые оказались различными для Л и Л гиперонов. Передача спина в Л является малой, сравнимой с нулем величиной, во всем диапазоне измеряемых кинематических переменных. Продольная передача спина в Л увеличивается с xF, достигая значений = 0.4 — 0.5.

3. Сравнение с теорией показывает, что передача спина в Л гипероны, существенно зависит от распределения странного антикварка s(x), точные измерения передачи спина в Л дадут важную информацию о распределении странного антикварка s(x) в нуклоне.

4. Разработаны и оптимизированы программы моделирования событий глубоко-неупругого мюон-нуклонного рассеяния на установке COMPASS. Выполнена проверка эффективности регистрации событий отдельными детекторами спектрометра COMPASS. Подобрано правильное описание различных триггеров установки. Получено правильное описание основных характеристик инклюзивного ГНР мюонов.

5. Разработаны и реализованы критерии отбора для моделирования и реконструкции событий рождения Л и Л гиперонов в ГНР на установке COMPASS. Обработаны данные сеансов 2003 и 2004 г. Получена лучшая мировая статистика по Л и Ä в настоящее время. Измерены основные характеристики рождения Л и Ä гиперонов в ГНР. Получено хорошее согласие между экспериментальными данными и данными моделирования.

ГЛАВА 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

4.1 Сравнение с другими экспериментами и предсказаниями теории

На Рис. 4.1 показаны хр распределения для передачи спина в А (а) и в А (Ь), измеренные в COMPASS и в других экспериментах. 1 о

0.5

-0.5

-1.5

NOMAD A HERMES Т Е665 -k COMPASS ^ J» < i if*1 1 A 1 î ! 1 1 1 "I JL i i

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.2 0.4 0.6 0.8 а

Ь)

Рис. 4.1. хр зависимость продольной передачи спина в А (а) и А (Ь) для COMPASS (звезды) и других экспериментов [6, 7, 8, 10] (данные NOMAD - круги, Е665 перевернутые треугольники, HERMES - треугольники).

Передача спина в А (Л) в лептонной ГНР измерялась в экспериментах NOMAD, Е665 и HERMES [6, 8, 9, 10]. Коллаборация Е665 [8] изучала рождение А(А) с использованием рассеяния положительных 470 ГэВ мюонов на водороде, дейтерии и других ядерных мишенях. Соответствующие значения передачи спина показаны на Рис. 4.1 (перевернутые треугольники). Видно, что статистические ошибки очень большие, тем не менее в работе [8] делается вывод о том, что знак передачи спина в А и А гипероны разный: отрицательный для А и положительный для Л.

Коллаборация NOMAD [6] изучила поляризацию А и А в ГНР, используя 43 ГэВ мюоиные нейтрино. Для области хр > 0 они нашли, что = 0.09 ±0.06 ± 0.03 при {хр) = 0.21. Передача спина в А оказалась равна — 0.23 ±0.15 при (хр) = 0.18. Эти значения находятся в хорошем согласии с нашим результатом D\l = 0.249 ± 0.056 ± 0.049 при (хр) = 0.22. Наш результат по передаче спина в A — —0.012 ±0.047±0.024 при (z) = 0.29 также согласуется с данными NOMAD.

Коллаборацией HERMES [9, 10] поляризация А измерялась используя пучок продольно поляризованных позитронов с энергией 27.6 ГэВ. Недавно были представлены результаты измерений передачи спина в А по данным 1995-2005 гг. [10], набор данных включал в себя 26714 А и 3610 А . Результаты показаны на Рис. 4.1 (треугольники). Средняя передача спина в А для области хр > 0 оказалась равна — 0.082 ±0.056(stat) ±0.02(sps). Измеренная передача спина в А составила = 0.152 ± 0.139(stai) ± 0.03(sys). Наш результат — -0.012±0.047±0.024 и d\l = 0.249±0.056±0.049 согласуется с данными HERMES [10].

В лидирующем порядке (ЛП) передача спина в А(А) рожденные на неполяризованной мишени поляризованными лептонами дается выражением (1.35).

Фактически все модели спиновой структуры А предсказывают что вклад от 5-кварка в спин А является доминирующим. Этот вклад изменяется от 100 % для SU(6) модели до 60-70 % в BJ-модели [68] или КХД расчетах на решетке [69]. Это означает, что рассеяние на и-или ¿-кварках важно для рождения А(А), но не для передачи спина в А(А). Соответственно, ожидается, что поляризованные функции фрагментации ADf входящие в числитель (1.35), будут намного большими, чем соответствующие функции легких кварков. Поэтому, можно принять что ADq(z) = ADq(z) ~ 0 для q = u,d,u,d. Тогда сумма в числителе (1.35) приводит к вкладу странного кварка:

1 s(x)AD$(z) qe\q{x)D${zy

4.1)

4.2)

Из (4.1)-(4.2) видно, что передача спина от поляризованного лептона в А и за совместного эффекта доминирования n-кварка и преимущественной фраг

Таблице 3.1 - сечение выхода А при энергиях COMPASS почти в два раза больше, чем А. Поэтому можно ожидать меньшую передачу спина в А чем в А.

Это заключение партонной модели в ЛП было подтверждено вычислениями [64], показанными на Рис. 3.14, 3.13. Модель основана на ЬЕРТО [65] МС генераторе событий ГНР, в котором независимая фрагментация заменена ад-ронизацией струны сформированной из провзаимодействовавшего кварка и остатка мишени. Все вклады, включая вклад от остатка мишени и от распадов тяжелых гиперонов, были приняты во внимание.

Рис. 3.14, 3.13 показывают, что действительно, вычисления по модели [64] приводят к большей передаче спина в А чем в А. Та же самая тенденция была найдена в недавнем вычислении [117].

Другое указание партонной модели (4.1)-(4.2) состоит в том, что вклад от странных кварков (антикварков) являются существенным для передачи спина в А (А). Это наблюдение также подтверждено результатами [64].

На Рис. 4.2 показана степень чувствительности передачи спина в гипероны к распределениям странных кварков на основе сравнения результатов, полученных с использованием партонных распределений СТЕ(^5Ь [75] (сплош

А должна быть различной, даже если в{х) = з{х). Причина этого в том, что знаменатели из (4.1) и (4.2) пропорциональны сечению рождения А(А). Изментации и-кварка в А, а не в А, сечение для А ожидается быть большим. Это ожидание подтверждено измеренными выходами А и А, представленными в а) Ь)

Рис. 4.2. хр зависимости продольной передачи спина в К (а) и К (Ь) вычисленные в [64] (модель В) для партонных распределений ОКУ98ЬО (штриховые линии), распределений

СТЕ(^5Ь (сплошные линии) и для СТЕС^бЬ без передачи спина от в-кварков (штрих-пунктир). Используется 311(6) модель для спиновой структуры К . Пунктиры соответствуют вычислениям для СТЕС}5Ь без передачи спина от в-кварк в ВЗ-модели

68] спиновой структуры А . ная линия) и СИУ98ЬО [74] (штриховая линия).

Набор ОЕУ98 выбран из-за его предположения, что в нуклоне нет непер-турбативной внутренней странности и странное море имеет чисто пертур-бативное происхождение. В анализе группы СТЕС^ количество внутренней странности нуклона фиксируется по димюонным данным экспериментов ССИ1 [76] и ГхГиТеУ [38]. В результате оказывается, что распределение в{х) в СТЕС^)5 больше чем в ОБУ98 приблизительно в два раза в области Ж = 0.001 - 0.01 (см. Рис. 4.3), значения МЯ8Т2004ЬО [118] примерно совпадают с СТЕ(^5. Результаты на Рис. 4.2 показывают, что данные по А не способны различить между разными партонными распределениями странных кварков, так как передача спина в Л мала. Для Л гиперонов использование набора СТЕ(^)5Ь приводит к предсказанию, которое почти вдвое больше, чем с СКУ98ЬО и намного ближе к данным. Это поведение отражает разность в распределениях ^-кварка .

Если полностью выключить передачу спина от ¿(й) кварков, то передача

Рис. 4.3. CTEQ5L [75], GRV98LO [74] и MRST2004W [118] функции распределения странных кварков при фиксированном Q2 = 3(ГэВ/с)2. спина в Л(Л) фактически обращается в ноль (штрих-пунктирная линия). Эта особенность не зависит от модели спиновой структуры Л. Вычисления в BJ-модели [68], где передача спина от и-и (¿-кварков (антикварков) возможна, демонстрирует то же самое отсутствие передачи спина к гиперону без вклада от s (s) кварков (штриховая линия).

В настоящее время получение информации о распределениях странных кварков и антикварков s(x) и s(x) непосредственно доступно только в измерениях и исследованиях димюонных событий в нейтринном и антинейтринном ГНР [38]. Передача спина в Ä может обеспечить дополнительную экспериментальную информацию для определения распределений странных антикварков в нуклоне. Чтобы соответствовать этой цели, существующая экспериментальная точность должна быть улучшена и теоретические неопределенности должны быть устранены. Например, параметры модели [64] были определены, используя данные NOMAD [6] при сравнительно больших х, поэтому предсказания этой модели могут быть рассмотрены лишь как иллюстрация возможных эффектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Алексахин, Вадим Юрьевич, 2011 год

1. P. Abbon et al. COMPASS Collaboration., The COMPASS Experiment at CERN Nucl. Instrum. Meth. A 577, 455 (2007).

2. N. Doble et al. Nucl. Instrum. Meth. A 343, 351 (1994).

3. WA21 Collaboration, G.T.Jones et al., Z.Phys. C28, 23 (1985).

4. WA59 Collaboration, S.Willocq et al. , Z.Phys. C53, 207 (1992).

5. E632 Collaboration, D. De Prospo et al., Phys.Rev. D50, 6691 (1994).

6. NOMAD Collaboration, P.Astier et al., Nucl.Phys. B588, 3 (2000).

7. NOMAD Collaboration, P.Astier et al., Nucl.Phys. B605, 3 (2001).

8. E665 Collaboration, M.R.Adams et al., Eur.Phys.J. C17, 263 (2000).

9. HERMES Collaboration, A.Airapetian et al., Phys.Rev. D74, 072004 (2006).

10. Yu. Naryshkin. Proc. of XIII Advanced Research Workshop on High Energy Spin Physics (DSPIN-09), Dubna, Russia, Sep 1 5, 2009

11. STAR Collaboration, Quinhua Xu, Proc. 17th International Spin Physics Symposium (SPIN06), Kyoto, AIP conference Proceedings, 915, 428 (2006), hep-ex/0612035.

12. У. Y. Aleksakhin, Y. Bedfer, S. Gerasimov and A. Y. Korzenev, Geometrical event reconstruction in the COMPASS experiment, Phys. Part. Nucl. Lett. 4, 350 (2007) Pisma Fiz. Elem. Chast. Atom. Yadra 4, 588 (2007).

13. M. Alekseev et al. COMPASS Collaboration., Measurement of the Longitudinal Spin Transfer to A and A Hyperons in Polarized Muon DIS, CERN-PH-EP/2009-011, Eur. Phys. J. С 64 171 (2009)

14. S.Brodsky, C.Peterson, N.Sakai, Phys.Rev, D23, 2745 (1981).

15. B.L.Ioffe, M.Karliner, Phys.Lett., B247, 387 (1990).

16. B.L.Ioffe, Nucl.Phys. B188, 317 (1981); erratum B191, 591 (1981).

17. R.Koch, Z.Phys., C15, 161 (1982).

18. J.Gasser,H.Leutwyler,M.E.Sainio, Phys.Lett., B253, 252 (1991); 253, 260 (1991).

19. B.Borasoy, U.-G.Meissner, Annals Phys., 254, 192 (1997).

20. M.Pavan et al., arXiv:hep-ph/0111066.

21. H.Ohki et al., arXiv:hep-lat/0910.3271.26