Общепризнано, что образование частиц с поперечными импульсами рт более 1 ГэВ/с в адрон-адронных взаимодействиях происходит на пар-тонном уровне. Экспериментальные данные на встречных пучках при рт превышающих несколько десятков ГэВ хорошо описываются пертурба-тивной КХД моделью [1−3]. При этом учитывается рассеяние кварков и глюонов с сечениями, вычисленными только в низшем порядке теории возмущений. Но вопрос о том, что происходит при относительно небольших поперечных импульсах 1< рт<2 ГэВ/с, до сих пор остается открытым. Проведенные ранее исследования [4] в этой области рт показали, что сечения образования частиц значительно превышают предсказания КХД. Особенно большое отличие от предсказаний наблюдается для процессов с барионами в конечном состоянии. По-видимому, для небольших рт необходимо учитывать в расчетах поправки от следующих порядков теории возмущений [5, 6]. Кроме этого возможен вклад членов с высшими твистами [7−9], когда в жестком рассеянии принимают участие более сложные объекты, чем кварки и глюоны, например, дикварки [10−12]. Все это приводит к нарушению скейлинга в интересующей нас области поперечных импульсов.
Лучшим способом исследования динамики жестких процессов является измерение сечений партон-партонного рассеяния и их угловых зависимостей. Экспериментальная проверка углового поведения таких сечений в рр взаимодействиях была выполнена в ряде экспериментов, проведенных на ускорителях CERN и FNAL [13−15]. В этих экспериментах импульсы рассеявшихся партонов восстанавливались наиболее прямым способом, а именно по кинематике струй в двухструйных событиях. Угловое поведение сечений партон-партонного рассеяния, измеренных в данных экспериментах, хорошо описывается КХД моделью в первом порядке теории возмущений.
В экспериментах [16, 17], которые проводились в области более низких энергий, для изучения угловой зависимости сечения партон-партонного рассеяния отбираются симметричные пары адронов с большими рт. В работе [16] экспериментально было показано, что лидирующий в струе адрон с хт больше 0,2 несет от 80 до 90% ее импульса. Величина лгу = рт / Рттах, где рттах — максимальный поперечный импульс частицы. Помимо этого, угловая зависимость таких симметричных адронных пар практически не искажается наличием внутреннего поперечного импульса кт партонов в сталкивающихся адронах [18]. Кроме того, процесс фрагментации приводит к тому, что адрон с большим рт в большинстве случаев содержит рассеявшийся партон. Отсюда следует, что квантовые числа такого адрона должны с большой вероятностью зависеть от аромата фрагментирующего партона [19]. К сожалению, в экспериментах на ускорителях с фиксированной мишенью струи не наблюдаются. В связи с этим, изучаются угловые зависимости сечений образования компланарных, симметричных по рт пар адронов разного сорта.
Экспериментальное исследование парного образования адронов в протон-ядерных (рА) соударениях представляет большой интерес не только с точки зрения изучения динамики сильных взаимодействий, но и для понимания пространственной картины формирования адронов в конечном состоянии. Принято описывать сечение образования адронов в адрон-ядерном взаимодействие, используя геометрический картину происходящего процесса, выражением: тА = <�т0'Аа,.
0.1) где сто — сечение образования пар на нуклонеА — атомный номер ядраа — показатель степени.
Так, в области малых переданных импульсов (мягкий процесс) это описание выполняется с хорошей точностью. Адрон при этом взаимодействует со всем ядром и величина, а близка к 2/3. Исходя из этого, в первом приближении без учета формирования адронов в конечном состоянии величина показателя степени, а для жесткого, партон-партонного рассеяния должна быть близка к единице. Однако в струнной модели формирования адронов [20, 21] эта величина может быть существенно меньше единицы. Это легко понять из следующей картины. Партон с импульсом к, который образовался в жестком соударении, фрагментирует в лидирующий адрон с импульсом рк на расстоянии /у (длина формирования) от точки взаимодействия. Учет торможения партона цветной струной означает, что длина формирования будет: где е > 1 ГэВ/Фм — коэффициент натяжения цветной струны. Из данной формулы следует, что когда величина р и соответственно хт приближается к единице, длина формирования стремится к нулю. Следовательно, адрон с максимальным поперечным импульсом образуется сразу после взаимодействия партонов и может поглотиться ядром. Таким образом, вероятность поглощения адрона зависит от импульса взаимодействующей частицы, хт и размера ядра, что приводит к уменьшению величины показателя степени, а для процесса образования пар адронов на ядрах.
1/*{1-р)к/е,.
0−2).
Величина, а меняется в данном случае от единицы при минимальных рт до одной третьей при максимальных рт. Отсюда следует, что исследование партон-партонного рассеяния с использованием ядерных мишеней (от легких до тяжелых) позволяет анализировать пространственную картину формирования адронов в конечном состоянии.
Очевидно, что помимо однопартонного взаимодействия должно происходить и двухпартонное взаимодействие (см. рис. 0.1) [22−24]. Кроме важности наблюдения такого процесса, двухпартонное взаимодействие позволяет получить информацию о пространственном распределении партонов в протоне, то есть Гх1, х2,Ьт) — вероятность найти в одном протоне два партона с долей импульса xj и х2 на расстоянии Ът в поперечном направлении, и о возможных партон-партонных корреляциях [25]. Распределение по азимутальному углу (р между образовавшимися в разных актах взаимодействия частицами должно быть равномерно из-за отсутствия угловых корреляций. Обнаружить двухпартонное взаимодействие легче всего при регистрации некомпланарных пар частиц. В этом случае, адроны hj и Ьг не лежат в одной плоскости, проходящей через ось пучка, то есть (р < 180° (см. рис. 0.2). Вклад однопартонного взаимодействия в образование пар адронов с близкими рт должен быть минимальным при (р существенно меньших 180°. Такие пары обладают большим поперечным импульсом и не могут возникать за счет внутреннего поперечного импульса партона.
Поиск двухпартонного взаимодействия проводился при достаточно высоких энергиях, когда в конечном состоянии регистрировалось не менее четырех струй. Наличие большого числа струй методически усложняло определение и кинематических переменных, и вклада фоновых процессов. В эксперименте AFS [26] утверждалось о надежном наблюдении двухпартонного взаимодействия. Однако в работе не был точно учтен.
Рис. 0.1 Образование пары адронов в рр столкновениях, а) Однопартонное взаимодействие, б) Двухпартонное взаимодействие.
Рис. 0.2 Кинематика образования некомпланарных пар адронов. фон, связанный с КХД процессами, и конечный результат оказался заметно завышен по сравнению с ожидаемой величиной. В эксперименте ]А1 [27] видели указание на этот процесс и привели оценку верхней границы сечения. В эксперименте СОБ [28] на уровне 2,5 а был обнаружен 5% вклад двухпартонного взаимодействия в образование четырех струй с рт более 25 ГэВ/с.
Двухпартонное взаимодействие должно происходить и на ядрах, как показано на рис. 0.3. В отличие от рр взаимодействий на ядрах могут участвовать партоны как из одного, так и из разных нуклонов. Такой механизм был предложен в работе [29] для объяснения повышенной множественности образования частиц на ядрах при больших значениях Ет. Образование частиц в двухпартонном взаимодействии с относительно небольшими хт можно считать практически независимым. Существенные импульсные корреляции возникают, когда л: партонов, участвующих в жестком взаимодействии, в протоне становиться больше 0,3. Процесс, изображенный на рис. 0.36, в случае независимого образования частиц, согласно теоретическим оценкам [30, 31], должен иметь величину показателя степени-зависимости а2(хт) «2а](хт) — 2/3, (0.3) где а1 — показатель степени, получаемый при описании дифференциальных сечений инклюзивного образования адронов. Известно, что величина в области рт от 1 до 2 ГэВ/с близка к единице [32]. Таким образом, ожидаемая величина а2 для двухпартонного взаимодействия на разных нуклонах ядра в данной области поперечных импульсов должна быть аномально большой, около 4/3.
Рис. 0.3 Образование пары адронов в рА столкновениях. а) Двухпартонное взаимодействие аналогичное рр соударениям. б) Двухпартонное взаимодействие на разных нуклонах.
Изучение двухпартонного взаимодействия на ускорителях со встречными пучками не только не имеет преимущества перед ускорителями с фиксированной мишенью, но и затруднено из-за наличия большой множественности частиц в струях и также сложности использования ядерных мишеней. А как показано выше, адрон-ядерные взаимодействия имеют чётко выделенную сигнатуру для выделения двухпартонного взаимодействия.
Наличие двухпартонного взаимодействия существенным образом влияет на понимание процесса образования дейтронов и антидейтронов с большими поперечными импульсами в адрон-адронных взаимодействиях. Большинство экспериментальных результатов по образованию дейтронов при высоких энергиях относятся к так называемым кумулятивным процессам на ядрах, в которых дейтроны регистрировались с малыми (менее 1 ГэВ/с) импульсами под большими (около 90°) углами в лабораторной системе [33−36]. Другая группа данных получена в области малых поперечных импульсов в протон-ядерных соударениях [37−39] и на встречных протон-протонных пучках [40, 41]. Существуют также данные о выходах антидейтронов в е+е" -аннигиляции [42], основанные на очень небольшой статистике. Образование дейтронов и антидейтронов с большими поперечными импульсами изучалось только в одном эксперименте для протон-ядерных соударений при энергии 300 ГэВ [43].
Данные по образования дейтронов обычно анализируются в рамках модели слияния. Под слиянием понимается образование дейтронов в результате взаимодействия в конечном состоянии двух нуклонов с малым относительно друг друга импульсом [44−46]. В модели слияния механизм образования протона и нейтрона не рассматривается. Обычно полагают, что частицы образуются независимо друг от друга. Необходимо изучить применимость этого простого механизма в случае образования дейтронов и антидейтронов с большими рт, так как возможно их образование как в однопартонном, так и в двухпартонном взаимодействии. В случае двухпартонного взаимодействия величина корреляции Я близка к единице, что соответствует статистически независимому образованию частиц.
Для исследования перечисленных и многих других процессов в области больших переданных импульсов в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) была разработана и создана экспериментальная установка «Двухплечевой магнитный спектрометр» (ФОДС-2) [47]. При ее создании были реализованы следующие возможности:
— способность работать на пучках протонов и пионов при интенсив-ностях до 109 частиц в секунду;
— использование в экспериментах водородной, дейтериевой и твердых ядерных мишеней;
— независимая регистрация в плечах установки одиночного и парного образования заряженных частиц;
— изменение энергетического порога регистрации частиц в каждом плече установки;
— идентификация одной и более вторичных частиц {¡-л, ж, К, р) обоих знаков заряда;
— раздельное измерение импульса и проекции угла вылета частицы на горизонтальную плоскость;
— изменение угла между осью спектрометра и направлением пучка частиц от 0 до 160 мрад.
Целью данной диссертационной работы являлось создание универсальной установки ФОДС-2, а также проведение на ней экспериментальных исследований одиночного и парного образования адронов с поперечными импульсами более 1 ГэВ/с в рр, жр и рА взаимодействиях на ускорителе ИФВЭ при энергии 70 ГэВ.
Научная новизна работ:
— изучены угловые зависимости сечений образования симметричных пар адронов с поперечными импульсами больше 1 ГэВ/с в рр и яр соударениях при равном 11,5 и 8,7 ГэВ, соответственно, где? — квадрат энергии в системе центра масс сталкивающихся частиц;
— измерены сечения образования дейтронов и антидейтронов с большими поперечными импульсами в рр и рА соударениях, а также проведен анализ этих данных в рамках модели слияния двух нуклонов;
— выполнены подробные исследования А-зависимости образования компланарных и некомпланарных пар адронов с поперечными импульсами больше 1 ГэВ/с;
— результаты анализа-зависимость образования некомпланарных пар адронов свидетельствуют о том, что впервые наблюдено двух-партонное взаимодействие в рА соударениях.
Практическая ценность работ, вошедших в диссертацию. Создана установка ФОДС-2 для систематического изучения процессов одиночного и парного образования адронов в жестких взаимодействиях. Изготовлен и прошел испытание во многих физических исследованиях широкоапертурный спектрометр черенковского излучения, позволяющий идентифицировать к, ЛГ-мезоны и протоны в диапазоне импульсов от 6 до 30 ГэВ/с. Создано устройство быстрого отбора событий на базе параллельных таблиц решений с использованием сцинтилляционных годоскопов. Данное устройство позволило существенно увеличить скорость набора полезной экспериментальной информации. Разработаны новые алгоритмы восстановления кинематических параметров и сорта частиц, регистрируемых на установке ФОДС-2.
Результаты, представленные в диссертации, докладывались на Международной конференции PANIC XII (Cambridge, 1990), на научных семинарах ИФВЭ, на сессиях Отделения ядерной физики АН и опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и статей в российских и иностранных журналах [47,60,66,74,75,77,88,91]. Личный вклад автора состоит в создании значительной части аппаратуры установки ФОДС-2, в разработке основных алгоритмов реконструкции событий, в написании программ моделирования и физического анализа. Автор непосредственно участвовал в наборе статистики перечисленных выше экспериментов, обработке экспериментальных данных и проведении моделирования физических процессов, необходимых для физического анализа.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Заключение
.
В заключении перечислим основные результаты, полученные в цикле работ, выполненных на ускорителе ИФВЭ по исследованию жестких процессов в протон-протонных, мезон-протонных и протон-ядерных взаимодействиях:
1. Для систематического изучения процессов одиночного и парного образования адронов в области больших поперечных импульсов спроектирована и создана установка ФОДС-2, имеющая в своем составе большой набор современных детектирующих систем.
2. Изготовлен и прошел испытание во многих физических исследованиях широкоапертурный спектрометр черенковского излучения, позволяющий идентифицировать ж, А" -мезоны и протоны в диапазоне импульсов от 6 до 30 ГэВ/с.
3. Создано устройство быстрого отбора событий на базе параллельных таблиц решений с использованием сцинтилляционных годоскопов. Данное устройство использовалось на установке ФОДС-2 в качестве триггера второго уровня и позволяло существенно увеличить скорость набора полезной экспериментальной информации.
4. Разработаны и реализованы в программном обеспечении новые алгоритмы восстановления импульса, углов вылета из мишени и сорта частиц, регистрируемых в трековой системе и спектрометрах СКОЧ на установке ФОДС-2.
5. Изучены угловые зависимости сечений образования симметричных пар адронов с поперечными импульсами больше 1 ГэВ/с в рр и жр соударениях при энергии 70 и 40 ГэВ, соответственно. Данные для пионного пучка получены впервые. Показано, что теоретические расчеты, выполненные в работе [76], качественно согласуются с экспериментальными результатами.
6. Измерены сечения образования дейтронов, антидейтронов и ядер трития в рр и рА соударениях. Проведен анализ этих данных в рамках модели слияния двух нуклонов. Образование перечисленных ядер с большими поперечными импульсами хорошо согласуется с данной моделью. Не было получено каких-либо указаний на существование других механизмов образования легких ядер в исследуемой области поперечных импульсов.
7. Исходя из-зависимости сечений образования дейтронов, получены первые указания на наличие в протон-ядерных соударениях двух-партонного взаимодействия.
8. Выполнены подробные исследования А-зависимости образования компланарных и некомпланарных пар адронов с поперечными импульсами больше 1 ГэВ/с.
9. Для компланарных симметричных к ж пар, образующихся на тяжелых ядрах (Си-РЬ), наблюдается сильное падение величины, а в области больших хт. Хорошее описание такой зависимости получается в предположении наличия двух процессов образования симметричных пар адронов с большими рт. Это однопартонное взаимодействие и статистически независимое двухпартонное взаимодействие.
10. Результаты анализа-зависимости образования некомпланарных пар адронов свидетельствуют о том, что впервые наблюдалось двухпартонное взаимодействие в рА соударениях.
Таким образом, проведенные исследования показали, что полученные экспериментальные данные по образованию адронов с большими поперечными импульсами в протон-протонных и протон-ядерных взаимодействиях хорошо описываются партонной моделью.
Эксперименты, положенные в основу данной диссертации, выполнены вместе с В. В. Абрамовым, Б. Ю. Балдиным, А. Ф. Бузулуцковым, В. Г. Васильченко, В. Ю. Глебовым, П. И. Гончаровым, А. Н. Гуржиевым, А. С. Дышкантом, В. Н. Евдокимовым, А. О. Ефимовым, В. В. Змушко,.
A.В.Кораблевым, Ю. П. Корнеевым, А. В. Кострицким, А. Н. Кринициным,.
B.И.Крышкиным, А. А. Марковым, М. И. Мутафяном, В. М. Подставковым, А. И. Ронжиным, Р. М. Суляевым, В. В. Таловым и Л. К. Турчановичем. Я благодарю их за совместную плодотворную работу.
Я выражаю искреннюю благодарность моему научному консультанту — профессору Крышкину Виктору Ивановичу за повседневное внимание и полезные обсуждения результатов проделанной работы. Я приношу благодарность Ю. М. Брееву, М. С. Ильевскому, А. Н. Липатову, А. Н. Ромаданову и А. Г. Фетисову за большую помощь в изготовлении аппаратуры и подготовке экспериментов на установках ФОДС и ФОДС-2, а также Ю. М. Мельнику, В. В. Чуракову и А. Е. Якутину за изготовление и обслуживание криогенной мишени.
Считаю своим приятным долгом поблагодарить руководство Института физики высоких энергий и Отдела экспериментальной физики, сотрудников Отделения электроники и автоматизации, Ускорительных подразделений института, Отделов вывода и пучков, способствовавших успешной работе установок ФОДС и ФОДС-2.
Я благодарен В. Т. Киму и Б. З. Копелиовичу за плодотворные дискуссии по вопросам теоретической интерпретации полученных экспериментальных результатов.