Ифвэ, Протвино Изучение сп
Точности измерений спиновых наблюдаемых
жүктеу/скачать 1.82 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 8Первый этап проекта – обзорный эксперимент по односпиновым асимметриям в образовании легких резонансов.
7Точности измерений спиновых наблюдаемых.Ниже приведены оценки точности измерения односпиновой асимметрии АN в образовании чармония за 40 дней работы на поляризованной мишени на 40-ГэВном пучке интенсивностью 5106 -/цикл и за 40 дней работы на 70-ГэВном пучке интенсивностью 5107 протонов/цикл. Сечение обеих реакций составляет около 15 нб/нуклон. Для консервативной оценки точности, считаем, что в эксперименте используется поляризованная мишень на основе пропандиола. Такая мишень существует и эффективно работает на 14-ом канале. Количество зарегистрированных на один --мезон пучка J/ частиц будет составлять Количество J/ на один - -мезон пучка в двух лептонных модах распада равно NJ/=2х5,1х1024х15х10-33х0,06х0,61х0,9х0,48=2,42х10-9. Иными словами, в наших данных при интенсивности пионного пучка 5х106 частиц/цикл будут регистрироваться J/-мезоны “со скоростью” 45 событий/час. При интегральном числе - мезонов пучка (5х106 част/цикл)(360 цикл/час)(24 часа/сутки)(40 суток)=1,7х1012 за 40 дней работы с использованием поляризованной протонной мишени будет зарегистрировано 4000 J/-мезонов. Ошибка измерения АN (для фактора разбавления 8,0 и поляризации мишени 90%) составит 14%. Интенсивность протонного пучка с энергией 70 ГэВ в 10 раз больше (5х107 протонов/сброс). При этом ожидаемая статистика зарегистрированных частиц в 10 раз больше и, соответственно, величина ошибки измерения АN в образовании J/ составит 4,5%. Также ожидается около 500 1 и 2 на - -пучке, и примерно 5,000 1 и 2 на протонном пучке. На протонном пучке можно будет дать первую оценку асимметрий АN образования 1 и 2 с ошибками 1220% в зависимости от соотношения выходов 1 и 2. Статистика может быть увеличена более чем в два раза при замене пропандиоловой мишени на аммониевую и в два раза при достижении проектной интенсивности пучка. 8Первый этап проекта – обзорный эксперимент по односпиновым асимметриям в образовании легких резонансов.8.1 Физическое обоснование Для исследования спиновой структуры протона с помощью чармония необходим высокоинтенсивный поляризованный протонный пучок с большой степенью поляризации, ускоренный в У-70 и выведенный из него. Так как он ожидается в ИФВЭ не ранее конца 2012 года, то предлагается ввести первый этап в эксперимент с тем, чтобы выйти на измерения спиновых физических наблюдаемых не позднее конца 2009 года. При этом хотелось бы за ближайшие три года спроектировать, разработать, создать и ввести в строй самые необходимые новые детекторы установки Спасчарм, а также максимально использовать имеющиеся детекторы экспериментов Проза и Рампэкс. Первоочередными задачами являются модернизация существующих поперечно-поляризованной мишени и спектрометрического магнита, создание и запуск вето-системы вокруг мишени, двух станций GEM-детекторов и двух станций минидрейфовых камер, передислокация мюонного детектора из здания 2А (узкая часть Галереи) на 14-ый канал и его модернизация, проектирование, разработка, создание и запуск новой быстрой регистрирующей электроники и системы сбора данных. Из имеющихся детекторов предлагается использовать электромагнитный калориметр установки Проза с расширением его с 720 до 1024 каналов, а также большие камеры, два пороговых черенковских счетчика и адронный калориметр установки Рампэкс. В КХД на уровне лидирующих твистов односпиновые поперечные асимметрии предсказываются практически нулевыми. Следовательно, эти асимметрии очень чувствительны к эффектам, выходящим за пределы стандартной КХД. Большие асимметрии, наблюденные в разных экспериментах, стимулировали заметное развитие теоретических моделей, пытающихся разобраться в спиновой структуре поперечно поляризованного протона. Хорошо известные сегодня теоретические эффекты Сиверса, Коллинза и кварк-глюонных корреляторов (твист-3 эффект) – это конкретная попытка разобраться в структуре протона. Для дискриминации различных теоретических подходов нужны систематические исследования односпиновых поперечных асимметрий в большом числе эксклюзивных и инклюзивных процессов. Такую программу можно выполнить на предлагаемой установке СПАСЧАРМ на первом этапе поляризационных исследований. На первой стадии вышеизложенного проекта планируется измерение односпиновых асимметрий на поляризованной мишени в эксклюзивном и инклюзивном образовании легких резонансов, что помимо дискриминации теоретических моделей позволит определить влияние аромата кварков на величину асимметрии и оценить фундаментальную функцию трансверсальности протона на новых обширных данных. Всего в PDG около ста таких резонансов. Среди них легкие мезоны с квантовыми числами S(странность) = C (очарование) = B (прелесть) = 0 и странные мезоны с квантовыми числами S = 1, C = B = 0. К первой категории относятся ρ(770), ω(782), /(958), f0(980), 0(980), (1020), f2(1270) и другие. Ко второй К, КS0, К*(892) и другие. Чтобы накопить информацию о как можно большем количестве этих легких резонансов установка должна иметь современную быструю электронику и систему сбора данных, позволяющие оцифровывать со всех детекторов установки первичную информацию за время порядка 300 нсек. На установке ПРОЗА в 80-х годах[31-32] измерялись асимметрии в эксклюзивном образовании некоторых из перечисленных выше резонансов в реакциях, например, -р ω(782)n , -р /(958)n , -р f2(1270) n при энергии 40 ГэВ, и были обнаружены большие эффекты, на уровне 20-40%, как функции от поперечного импульса pT. Следует отметить, что все резонансы детектировались только в модах их распадов на нейтральные частицы, 0 и -кванты. Регистрация этих же резонансов на первом этапе эксперимента Спасчарм еще и в заряженных модах значительно увеличит статистику и позволит провести прецизионные измерения асимметрии в реакциях с большой величиной этой асимметрии. Так, например, ω(782)-мезон детектировался по его распаду на 0 + с вероятностью распада около 8%[31]. Добавление детектирования в моде распада +-0 с вероятностью около 89% на порядок увеличит статистику за то же время на пучке. Еще большой выигрыш в статистике ожидается для /(958)-мезона. На установке ПРОЗА он регистрировался только в распаде на два фотона, вероятность которого всего около 2%. Добавление детектирования в моде распада +- (вероятность около 45%) и +- (вероятность около 30%) с учетом аксептанса установки более, чем на порядок увеличит статистику в реакции , -р /(958) n. Из-за открытия канала распада f2(1270)-мезона на два заряженных пиона, как минимум, в три раза может быть увеличена статистика в реакции -р f2(1270) n. Следует отметить, что полные сечения инклюзивного образования некоторых легких резонансов велики – от нескольких сотен микробарн до нескольких милибарн, если интерполировать до 40-70 ГэВ сечения, измеренные при более высоких энергиях (см.,например,[29-30]), то есть, на 4-5 порядков выше, чем сечения образования чармония при энергиях У-70. Распады этих резонансов, как правило, двухчастичные и, так как исследования планируется проводить в области фрагментации пучка, где энергия резонансов велика, а углы разлета распадных частиц малы, эффективность регистрации легких резонансов будет сравнительно высока. На установке ПРОЗА-М измерялась ранее односпиновая асимметрия в инклюзивном образовании 0-мезонов на поляризованных протонной и дейтронной мишенях с использованием --, К-- и антипротонного пучков с энергией 40 ГэВ. Асимметрия оказалась совместимой с нулем в области фрагментации неполяризованных пучков при небольших переданных импульсах, pt <1 ГэВ/с [33]. Однако, в области 1< pt <1.8 ГэВ/с и xF>0.7 асимметрия в реакции -d 0X оказалась (165)%[34]. Результат представлен на Рис. 29. Это вселяет надежду в то, что и в инклюзивном образовании других легких резонансов могут наблюдаться заметные спиновые эффекты даже в области фрагментации неполяризованных пучков при приближении к границе фазового объема (т.е., с ростом xF и pt). 
Рисунок 29. Pt-зависимость односпиновой асимметрии в реакции -d 0X при энергии 40 ГэВ в области Фейнмановской переменной xF>0.7. 8.2 Экспериментальная установка Спасчарм-1 Экспериментальная установка первого этапа Спасчарм-1 изображена на рис.30. От установки Спасчарм-2, представленной на рис.19, она отличается двумя основными моментами. Во-первых, после спектрометрического магнита расположены два черенковских счетчика, и остаток установки из-за этого смещен вперед вдоль оси пучка. Во-вторых, в электромагнитном калориметре нет центральной дорогой части из вольфрамата свинца, а вместо него – имеющееся в наличие свинцовое стекло с гораздо худшим энергетическим разрешением. Все детекторы, расположенные за черенковскими счетчиками по пучку имеют поперечные размеры, соответствующие геометрии установки Спасчарм-2. На первом этапе эксперимента эти детекторы могут быть оснащены электроникой только для центральной части в телесном угле, определяемым черенковскими счетчиками. На первом этапе эксперимента для измерения односпиновых асимметрий в эксклюзивных реакциях предполагается использование вето-системы вокруг поперечно-поляризованной протонной мишени, находящейся в поле магнита Динозавр, с открытым телесным углом вперед, совпадающим с телесным углом установки. Вето-система типа сэндвич из слоев сцинтиллятор-свинец подавляет события с -квантами и заряженными частицами, вылетающими из мишени вне открытого телесного угла. После завершения первого этапа оба черенковских счетчика будут убраны, а последующие детекторы перемещены вперед к мишени, и установка из Спасчарм-1 превратится в Спасчарм-2, как изображено на Рис.19. Размеры всех трех типов детекторов трековой системы указаны в параграфе 5.4. Расстояние от центра магнита поляризованной мишени до центра спектрометрического магнита с учетом магнитных экранов на двух магнитах составит 1.5 м. Длина черенковского счетчика С1 по пучку составляет 1.5 м, а С2 – 3 м. Апертуры этих двух счетчиков составляют 1.2х0.9 м2 и 1.6х0.88 м2. Более детально эти два черенковских счетчика описаны в проекте эксперимента Рампэкс [36]. Оба многоканальных черенковских счетчика с числом каналов 8 (4х2) и 16 (8х2), соответственно, имеются в наличие. В настоящее время после тестирования фотоумножителей ФЭУ-174 нами ведется модернизация делителей для этих ФЭУ с целью улучшения чувствительности к однофотоэлектронному режиму. Первая из трех станций пропорциональных камер находится на расстоянии 3.9 м от центра поляризованной мишени. Вторая станция на расстоянии 7.2 м, а третья – 10.5 м. Электромагнитный калориметр (передние торцы счетчиков из свинцового стекла) находится на расстоянии 7.8м, а адронный калориметр – 8.6 м. В электромагнитном калориметре на первом этапе будут 32х32 счетчика из свинцового стекла размерами 3.8х3.8х45 см3. Они есть в наличии (как и вся механическая конструкция) в эксперименте ПРОЗА-2. Имеющийся в наличии адронный калориметр с установки Рампэкс будет использован без модификации. Намагниченное железо мюонного спектрометра планируется переместить из зоны установки Нейтринный Детектор в зону установки СПАСЧАРМ, а сцинтилляционные годоскопы надо сделать заново. Также надо спроектировать и создать GEM-детекторы, минидрейфовые камеры и охранную систему вокруг поляризованной мишени для исследования эксклюзивных реакций. 
Рисунок 30. Экспериментальная установка СПАСЧАРМ-1. Детали в тексте. 8.3 Результаты расчетов по методу Монте Карло. Геометрическая эффективность для нескольких резонансов, посчитанная методом Монте-Карло, представлена на Рис.31 и 32, а также в Таблице 5. 
Рис.31. Геометрическая эффективность как функция фейнмановской переменной хF для нескольких резонансов. Проведен отбор по энергии - и К-мезонов так, чтобы они регистрировались в двух черенковских счетчиках. 
Рис.32. Геометрическая эффективность как функция фейнмановской переменной хF для -мезона в моде распада 0+- . Сплошной линией показана эта эффективность, когда не требуется отбор по энергии -мезонов так, чтобы они регистрировались в двух черенковских счетчиках, а пунктирной, когда такой отбор проведен. Таблица 5. Расчетная геометрическая эффективность регистрации установкой Спасчарм-1 резонансов в области хF > 0.1 (первые две колонки). Расчеты представлены для взаимодействия двух протонов в мишени при энергии пучка 70 ГэВ. Вторые две колонки – это число этих резонансов (зарегистрированных установкой) на 1012 протонов, прошедших через поляризованную пропандиоловую мишень.
Работая с протонным (или пионным) пучком с интенсивностью 3106/цикл (имеем сейчас на 14-ом канале без проблем), за 40 дней через мишень пройдут 1012 протонов (или пионов). Нас интересуют «полезные» события с pT>0.7 ГэВ/с. Требование этого условия примерно на порядок снижает статистику. Из таблицы 5 видно, что можно зарегистрировать число полезных событий для каждого резонанса в его характерной моде распада при использовании информации с двух черенковских счетчиков в диапазоне от 106 до 109 на протонах с энергией 70 ГэВ. Для 40-ГэВных пионов эти числа будут того же порядка, хотя и в несколько раз меньше. Но это для области хF >0.1. Область хF от 0.1 до 0.3-0.4 нам нужна для прецизионной оценки систематической ошибки измерений – мы ожидаем нулевые асимметрии в этой области. Ненулевые асимметрии ожидаются в области хF >0.4 и pT>0.7 ГэВ/с. В Таблице 6 представлены расчетные по Монте-Карло числа зарегистрированных событий тех же инклюзивных процессов, что и в Таблице 5, но для pT>0.7 ГэВ/с и нескольких пороговых значений фейнмановской переменной хF. Таблица 6. Число резонансов (зарегистрированных установкой) на 1012 протонов, прошедших через поляризованную пропандиоловую мишень, для pT>0.7 ГэВ/с и нескольких пороговых значений фейнмановской переменной хF. Расчеты представлены для взаимодействия двух протонов в мишени при энергии пучка 70 ГэВ.
Видим, что статистика в области ожидаемой ненулевой асимметрии будет в 15-175 раз в зависимости от реакции ниже, чем в Таблице 5, но все еще вполне значимая для определения односпиновой асимметрии в этой кинематической области двух независимых переменных. На нескольких следующих рисунках представлены распределения по определенным инвариантным массам в рр-взаимодействиях при энергии 70 ГэВ, полученные в результате расчетов методом Монте-Карло. Хорошо видны резонансы, в инклюзивном образовании которых планируется измерить односпиновую асимметрию. Число зарегистрированных резонансов отражает их сечение образования, вероятность распада по определенному каналу и эффективность регистрации на установке СПАСЧАРМ-1. Спектры на Рис. 33-35 получены для  - взаимодействий. Статистика на Рис. 36 в 5 раз больше.
При получении спектров вычислялись инвариантные массы для конкретного распада при всех возможных комбинациях фоновых частиц. Для распадов Для отбора заряженных Для выделения пика заряженного 
Рисунок 33. Спектр инвариантных масс системы трех пионов (+-0), образованный в рр-взаимодействии при 70 ГэВ и реконструированный в телесном угле установки СПАСЧАРМ-1. 
Рисунок 34. Спектр инвариантных масс системы К+-, образованный в рр-взаимодействии при 70 ГэВ и реконструированный в телесном угле установки СПАСЧАРМ-1. 
Рисунок 35. Спектр инвариантных масс системы К+К-, образованный в рр-взаимодействии при 70 ГэВ и реконструированный в телесном угле установки СПАСЧАРМ-1. 
Рисунок 36. Спектр инвариантных масс системы -0 и +0, образованный в рр-взаимодействии при 70 ГэВ и реконструированный в телесном угле установки СПАСЧАРМ-1. жүктеу/скачать 1.82 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
. Множитель 2 появляется из-за двух лептонных мод распада J/ (на e+e- и +- пары); количество вещества по пучку ρlNA (0,7 г/см3)(20 см)(6,02х1023 нуклонов/г)(0,6=фактор упаковки)=5,1х1024 нуклонов/см2, σ – сечение образования J/ при xF>0 равно 1510-33, брэнчинг Br=0.06, геометрический аксептанс установки A=61%, эффективность триггера = 90%, – эффективность реконструкции (0,6), помноженная на эффективность работы У-70 (0,8), – равна 0,48. Полная эффективность детектирования J/ для лептонных мод распада составит около 25%.
Use of Cherenkov counters
- мезон, в первую очередь вычислялась инвариантная масса двух 
- квантов. При этом требовалось, чтобы оба 
. В дальнейшем при конструировании инвариантной массы резонансов накладывалось ограничение, чтобы инвариантная масса 
. Дополнительно учитывалось реальное энергетическое и координатное разрешение электромагнитного калориметра. По результатам программы PYTHIA полное сечение образования +(-) – мезона в рр-взаимодействии при энергии 70 ГэВ получилось 15,2 мб, а -мезона 12,5 мб.
- и K - мезонов необходимым условием являлась их регистрация двумя черенковскими счетчиками с эффективностью разделения близкой к 100%. Это соответствует обрезаниям по импульсу 
для 
для K - мезонов. Импульсное разрешение для заряженных мезонов составляло 0.4% для всего интервала импульсов. Полное сечение К*0 получилось равным 4,1 мб, а -мезона 0,4 мб (правило Цвейга).
- мезона накладывалось дополнительное обрезание по импульсу заряженных 
.