Анализ спектров эффективных масс системы протон

Анализ спектров эффективных масс системы протон-антипротон...
Г.А. НИГМАТКУЛОВ, КОЛЛАБОРАЦИЯ SELEX
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
АНАЛИЗ СПЕКТРОВ ЭФФЕКТИВНЫХ МАСС
СИСТЕМЫ ПРОТОН-АНТИПРОТОН В ЭКСПЕРИМЕНТЕ SELEX
Представлены результаты исследования спектров эффективных масс системы протон-антипротон. Для исследования системы протон-антипротон отбирались инклюзивные реакции   C(Cu)  p  p  X , зарегистрированные
установкой SELEX (эксперимент E-781, Tevatron FNAL). Приведены спектры эффективных масс для системы протонантипротон, а также сравнение со спектром эффективных масс системы протон-протон, полученным на π–-пучке.
К семейству частиц, которые носят название барионы (В), принадлежат структурные элементы атомных ядер – нуклоны (N) (протон, нейтрон), а также гипероны (Y) – так называемые
странные фермионы Λ, Σ, Ξ, Ω. Каждой из этих частиц также соответствует и античастица – антибарион ( B). Существование ядерно-подобных систем N N было предсказано теоретически еще в
1968 году и с тех пор осуществляется их поиск.
От системы NN система N N отличается, во-первых, возможностью аннигиляции и, вовторых, характером ядерных сил. По имеющимся данным представляется вполне вероятным, что
притяжение между N и N значительно сильнее, чем в системе NN (при одном и том же, примерно,
радиусе действия сил). Поэтому, в отличие от единственного слабо связанного состояния двух
нуклонов (дейтрон), в системе N N может существовать целый спектр связанных резонансных
состояний ядерного типа (т.е. с дефектом масс, значительно меньшим 1 ГэВ, и со средним расстоянием между частицами порядка 1 фм). Фактор, мешающий возникновению таких квазиядерных
состояний, есть аннигиляция: частицы могут исчезнуть раньше, чем сформируется это состояние.
Важный теоретический вывод состоит в том, что аннигиляция, несмотря на большое сечение, не
исключает возможности существования квазиядерных состояний. Физическая причина этого в
том, что аннигиляция происходит на межчастичных расстояниях, заметно меньших радиуса квазиядерной орбиты. Теоретические оценки показывают, что аннигиляционные ширины квазиядерных
уровней N N могут лежать в интервале от 0,1 МэВ до 100 МэВ (в зависимости от орбитального
углового момента относительного движения N и N – большим орбитальным моментам отвечают
меньшие ширины) [1].
«Ядро» из N и N имеет нулевой барионный заряд и поэтому должно проявлять себя как тяжелый (с массой около 2 ГэВ) и сравнительно «узкий» мезон, сильно связанный с каналом N N
(т.е. легче всего образующийся при взаимодействии N с водородной или ядерными мишенями).
В экспериментах, выполненных в 1978–1984 гг., наблюдались четыре узкие линии, отвечающие массам связанных состояний 1210, 1638, 1771 и 1894 МэВ [2,3]. Они считались как доказательство существования бариония. Однако после работы, выполненной на ускорителе KEK (Япония), со статистикой на порядок выше, чем в предшествовавших экспериментах, никаких узких
линий со статистической значимостью более 4σ обнаружено не было [4]. Отрицательные результаты дали также эксперименты по исследованию γ-линий, проведенные на LEAR (CERN).
До недавнего времени считалось, что N N связанных состояний либо не существует, либо
они имеют очень большую ширину (Г > 50 МэВ), либо должны лежать совсем близко к порогу
N N (±20 МэВ), либо иметь очень малую вероятность рождения (≤ 10–4).
Однако все изменилось после результатов, полученных в 2003 году коллаборацией BES [5].
В работе показано узкое увеличение рождения пар в спектрах эффективных масс системы pp в
пороговой области (исследовалась реакция ee  J /   pp ), что интерпретировалось
как
наблюдение
протон-антипротонного
связанного
подпорогового
состояния
с

3

5
2
M  185910 (stat )25 (sys) МэВ/с (рис. 1). Также недавно были получены схожие данные от коллаборации Belle, о наблюдении увеличения парного рождения pp в реакциях следующих распадов:
а) B  K  pp и б) B0  D0 pp .
Мы проводим исследование спектров эффективных масс системы p p на установке SELEX
(10
в реакции   C(Cu)  p  p  X . SELEX (E-781) – это эксперимент на пучке с фиксированной
Анализ спектров эффективных масс системы протон-антипротон...
мишенью, проводимый в Национальной Лаборатории им. Ферми (Fermi National Acceleration
Laboratory, FNAL).
Установка SELEX разделяется на
спектрометры или участки, где в промежутке между отклоняющими магнитами в
отсутствии магнитного поля заряженные
частицы свободно летят вперед. Магнитное поле внутри магнитов отклоняет заряженные частицы, что позволяет получить информацию об их импульсе [6]. Положение треков частиц определяется информацией, получаемой с пропорциональных камер (Proportional Wire Champers или
Minv( p p ), ГэВ/c2
PWC) и кремниевых детекторов (Silicon
Detectors или SD). Кольцевой черенковский детектор (Ring Imaging Cherenkov
Рис. 1. Спектр эффективных масс системы
Detector или RICH) и детекторы переходпротон-антипротон
из распадов
[5]
ного излучения помогают
определить тип проходящей
заряженной частицы. Положение трека
после RICH-детектора определяется с помощью векторных дрейфовых камер (Vector Drift
Chambers или VDC). Нейтральные частицы детектируются в электромагнитных калориметрах Фотон (PHOTON) и адронном калориметре (NCAL) [7].
Кольцевой черенковский детектор эксперимента SELEX был основным источником идентификации частиц. В RICH частицы проходили 10-метровый цилиндр, заполненный газом Ne. Поскольку релятивистские частицы двигаются быстрее, чем скорость света для данной среды, испускаются черенковские фотоны, которые отражаются от сферических зеркал и образуют кольца на
детектируемой поверхности. Программы обработки RICH определяют вероятность, с которой
данный трек может быть ассоциирован с определенной частицей, нормированную на гипотезу
наибольшей вероятности. Информация о треке, пришедшая извне RICH, дает представление о его
импульсе и положении центра кольца. Частицы с разными массами должны иметь разные импульсы, измеренный радиус сравнивается с предполагаемым. Формируется функция вероятности (likelihood) для описания, насколько близко предсказанный радиус соответствует измеренному [6]. Затем они нормируются на самую большую вероятность, которая принимается равной единице.
Проверяются гипотезы, что данная частица – протон, каон, пион или другая фоновая частица.
Для отбора протонов и антипротонов на их треки накладывались следующие ограничения:
 по информации от пучкового детектора переходного излучения выбирались события, полученные на π–-пучке;
 импульсы протонов и антипротонов лежат в диапазоне от 80 до 180 ГэВ/c;
 не менее 5 сработавших ФЭУ в RICH-детекторе, что соответствует хорошей идентификации частицы в детекторе;
 вероятность быть фоновой частицей в RICH-детекторе не должна превышать 5 %;
 исключались протоны и антипротоны, принадлежащие V0;
 отклонение трека от пучка в вершинном детекторе не превышает 10 мкм.
После обработки всей статистики эксперимента и наложения всех ограничений были получены спектры эффективных масс на π–-пучке (рис. 2). Идентифицировано 16716 пары протонантипротон, удовлетворяющих всем критериям отбора. Также накладывалось ограничение по


pt > 0,5 ГэВ/c pt  px2  p 2y , что соответствует «большим» поперечным импульсам. Вследствие
ограниченности pt в продольном направлении будет происходить образование новых частиц [8].
Иначе говоря, в продольном направлении происходит развитие и последующий распад виртуальных состояний, обуславливающий генерацию новых частиц.
Анализ спектров эффективных масс системы протон-антипротон...
Число комбинаций/(10
МэВ/c2)
Число комбинаций/(10
МэВ/c2)
В поперечном направлении
импульс передается ядру А и распределяется между ядерными
нуклонами. Развивающиеся при
этом процессы определяются в
основном свойствами ядерного
вещества и его возбуждениями [8].
В спектре видно увеличение
парного рождения pp в пороговой области, что может свидетельствовать о наличии подпорогового
связанного состояния.
В качестве сравнения, рассматривались спектры эффективных масс системы протон-протон
Minv ( pp) , ГэВ/c2
полученные на пионном пучке.
Рассматривалась инклюзивная реРис. 2. Спектр эффективных масс системы
акция
  C(Cu)  p  p  X .
протон-антипротон, полученный на π–-пучке
После обработки всей статистики,
записанной на π--пучке, и отбора
протонов было идентифицировано
967 пар (рис. 3). На события, как и
в
случае
системы
протонантипротон, накладывались ограничения по pt.
Видно, что в спектре эффективных масс системы протонпротон (см. рис. 3) в пороговой
области, в отличие от спектра эффективных масс системы протонантипротон (см. рис. 2), увеличение парного рождения не наблюдается.
Поскольку в эксперименте
SELEX набрана большая статистика ≈109 триггерных событий,
Minv( pp ), ГэВ/c2
то имеется возможность проверки
существования протон-антипронного связанного состояния не только на π–-пучке, но и протонном
и гиперонном пучках. В дальнейшем планируется
использовать
и этимасс
данные.
Однако существует
Рис. 3. Спектр
эффективных
системы
вероятность того, что на p- и Σ–-пучках будет оказывать существенное влияние
эффект лидировапротон-протон,
на π–-пучке
ния кварков. Суть эффекта заключается
в следующем.полученный
При взаимодействии
пучковых частиц с
мишенью образуется «веер» вторичных частиц. Например, когда пучковый протон попадает и взаимодействует в мишени, кварки пучковой частицы (протона) могут перейти в родившийся протон
и передать ему большой импульс. Такой протон будет давать существенный вклад и влиять на конечный результат.
Также необходим тщательный анализ и пересмотр критериев отбора частиц, более жесткий
отбор и исключение протонов и антипротонов, принадлежащих распадам V0, поскольку они могут
вносить существенный вклад (в случае Σ–-пучка странность содержится уже в пучковой частице и
после взаимодействия рождается большое количество Λ-гиперонов и K-мезонов).
Таким образом, обработана статистика эксперимента SELEX, полученная на π–-пучке, отобрано 16716 пар протон-антипротон. Проведено сравнение со спектрами эффективных масс системы протон-протон. Количество идентифицированных пар протон-протон составило 967.
Спектр эффективных масс системы протон-антипротон, полученный нами на π–-пучке в эксперименте SELEX (см. рис. 2), имеет схожий вид со спектром эффективных масс, полученным коллаборацией BES (см. рис. 1). Однако необходим более тщательный анализ полученных результатов
Анализ спектров эффективных масс системы протон-антипротон...
на π--пучке. В дальнейшем планируется использовать события, полученные на p и Σ–-пучках. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект № 08-02-01014-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Шапиро И.С. // УФН. 1978. Т. 125. С. 577.
Richter B., Adiels L.,Backenstoss G. et al // Phys. Lett. B. 1983. V. 126. P. 284.
Adiels L. et al // Ibidem. 1984. V. 138. P. 235.
Chiba M., Doi K., Fujitani T. et al. // Phys. Rev. Lett. D. 1987. V. 36. P. 3321.
Bai J.Z., Ban Y., Bian J. G. et al. // Phys. Lett. B. 2003. V. 555. P. 174.
Iori M., SELEX Collaboration // Nucl. Phys. Proc. Suppl. 2001. V. 93. P.109.
Engelfried J., Kilmer J., RambergE. et al. // Nucl. Instrum. Meth. A. 1998. V. 409. P. 439.
Никитин Ю.П., Розенталь И.Л., Сергеев Ф.М. // УФН. 1977. Т. 121. С. 3.