Анализ спектров эффективных масс системы протон-антипротон в эксперименте selex

От системы NN система отличается, во-первых, возможностью аннигиляции и, во-вторых, характером ядерных сил. По имеющимся данным представляется вполне вероятным, что притяжение между N и 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 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 могут лежать в интервале от 0,1 МэВ до 100 МэВ (в зависимости от орбитального углового момента относительного движения N и – большим орбитальным моментам отвечают меньшие ширины) [1].

«Ядро» из N и имеет нулевой барионный заряд и поэтому должно проявлять себя как тяжелый (с массой около 2 ГэВ) и сравнительно «узкий» мезон, сильно связанный с каналом (т.е. легче всего образующийся при взаимодействии 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 связанных состояний либо не существует, либо они имеют очень большую ширину (Г > 50 МэВ), либо должны лежать совсем близко к порогу (±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 в пороговой области (исследовалась реакция ), что интерпретировалось как наблюдение протон-антипротонного связанного подпорогового состояния с МэВ/с² (рис. 1). Также недавно были получены схожие данные от коллаборации Belle, о наблюдении увеличения парного рождения в реакциях следующих распадов: а) и б) .

У

Рис. 1. Спектр эффективных масс системы

протон-антипротон из распадов  [5]

становка 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 PWC) и кремниевых детекторов (Silicon Detectors или SD). Кольцевой черенковский детектор (Ring Imaging Cherenkov Detector или RICH) и детекторы переходного 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.
  

В

Рис. 2. Спектр эффективных масс системы

протон-антипротон, полученный на π^–-пучке


M_inv(), ГэВ/c²

Рис. 3. Спектр эффективных масс системы

протон-протон, полученный на π^–-пучке

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 в пороговой области, что может свидетельствовать о наличии подпорогового связанного состояния.

В качестве сравнения, рассматривались спектры эффективных масс системы протон-протон полученные на пионном пучке. Рассматривалась инклюзивная реакция После обработки всей статистики, записанной на π^--пучке, и отбора протонов было идентифицировано 967 пар (рис. 3). На события, как и в случае системы протон-антипротон, накладывались ограничения по p_t.

Видно, что в спектре эффективных масс системы протон-протон (см. рис. 3) в пороговой области, в отличие от спектра эффективных масс системы протон-антипротон (см. рис. 2), увеличение парного рождения не наблюдается.

Поскольку в эксперименте SELEX набрана большая статистика ≈10⁹ триггерных событий, 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 эти данные. Однако существует вероятность того, что на p- и Σ^–-пучках будет оказывать существенное влияние эффект лидирования кварков. Суть эффекта заключается в следующем. 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).

1. 
   Шапиро И.С. // УФН. 1978. Т. 125. С. 577.
   
2. 
   Richter B., Adiels L.,Backenstoss G. et al // Phys. Lett. B. 1983. V. 126. P. 284.
   
3. 
   Adiels L. et al // Ibidem. 1984. V. 138. P. 235.
   
4. 
   Chiba M., Doi K., Fujitani T. et al. // Phys. Rev. Lett. D. 1987. V. 36. P. 3321.
   
5. 
   Bai J.Z., Ban Y., Bian J. G. et al. // Phys. Lett. B. 2003. V. 555. P. 174.
   
6. 
   Iori M., SELEX Collaboration // Nucl. Phys. Proc. Suppl. 2001. V. 93. P.109.
   
7. 
   Engelfried J., Kilmer J., RambergE. et al. // Nucl. Instrum. Meth. A. 1998. V. 409. P. 439.
   
8. 
   Никитин Ю.П., Розенталь И.Л., Сергеев Ф.М. // УФН. 1977. Т. 121. С. 3.