Ифвэ, Протвино Изучение сп

Версия 12

28.02.2007

С.И. Алехин, Н.И.Беликов, А.Н. Васильев, А.С. Вовенко, Ю.М. Гончаренко, В.Н. Гришин, А.М. Давиденко, А.А. Деревщиков, В.А. Качанов, А.С.Кожин, Д.А. Константинов, В.А.Кормилицин, В.И. Кравцов, А.К. Лиходед, А.В.Лучинский, Ю.А. Матуленко, Ю.М. Мельник,А.П. Мещанин,

Н.Г. Минаев, В.В. Мочалов, Д.А. Морозов, Л.В. Ногач, С.Б. Нурушев,

А.В. Рязанцев, П.А. Семенов, Л.Ф. Соловьев, С.Р. Слабоспицкий,

А.Ф. Прудкогляд, А.В. Узунян, М.Н. Уханов, Ю.В. Харлов,

В.Ю. Ходырев, Б.В.Чуйко, А.Е. Якутин

Изучение СПиновых АСимметрий

в образовании легких резонансов и ЧАРМония на ускорителе У-70

(Предложение эксперимента СПАСЧАРМ)


Содержание

1Введение

Спин – это квантомеханическая величина, не имеющая классического аналога. Она так же фундаментальна как масса или заряд частицы. Введение спина в науку позволило объяснить тонкую структуру атомных спектров и периодическую таблицу Менделеева. Интерес к исследованию спиновой зависимости сильного взаимодействия связан с возможностью изучения структуры адронов и динамики взаимодействия структурных составляющих адронов – кварков и глюонов, имеющих ненулевой спин. В последние годы произошел заметный прогресс в экспериментальном изучении спиновых эффектов при высоких энергиях. Стало ясно, что проблема спина тесно связана с кварк-глюонной структурой адронов и их взаимодействий. Развивается теоретическое осмысление спиновых эффектов. Однако сегодня нет теории, претендующей на полное описание поляризационных эффектов. Поэтому новые экспериментальные результаты в этом направлении крайне важны и актуальны для развития теории.

Спин играет центральную роль в теории сильного взаимодействия, квантовой хромодинамике или КХД. Понимание спиновых явлений в КХД поможет понять саму КХД. Нуклоны, протоны и нейтроны построены из кварков и глюонов, переносчиков взаимодействия в КХД. Эксперименты по глубоко-неупругому рассеянию неполяризованных электронов и мюонов на неполяризованных нуклонах впервые открыли кварки в 60-х годах. Затем в течение последующих 30-ти лет эти же эксперименты подтвердили предсказания КХД об энергетической зависимости сечений рассеяния. Это был триумф КХД. В 1988 году эксперимент EMC (European Muon Collaboration) в ЦЕРН по глубоко-неупругому рассеянию поляризованных лептонов на поляризованных нуклонах представил результаты, в которых вклад спинов кварков в спин продольно-поляризованного протона мал[¹], что противоречило расчетам КХД. Эта проблема получила название “спиновый кризис нуклона”. Последние результаты показывают, что только 30% спина протона переносятся валентными и морскими кварками и антикварками. Оставшиеся 70% должны переносить глюоны или орбитальный момент движения кварков и глюонов в протоне. До сих пор эта проблема не решена, и на многих ускорителях мира идет ее интенсивное изучение. Проводятся и планируются эксперименты, нацеленные на определение вклада в продольный спин протона от глюонов и орбитального момента партонов в протоне. Исследования, предлагаемые в данном проекте, уникальны и хорошо дополняют картину планируемых мировых исследований в изучении структуры протона.

Экспериментально обнаруженные поляризация -гиперонов и односпиновая поперечная асимметрия в инклюзивном образовании пионов в области фрагментации поляризованного протонного пучка не зависят от энергии в широком диапазоне энергии в лабораторной системе от 20 до 20000 ГэВ. Это говорит о том, что эти наблюденные эффекты прямо связаны со структурой протона. Не исключено, что в будущем это распространится на большое число других процессов. На первое место в поляризационных исследованиях уже выходит не энергия, а статистическая обеспеченность результатов. Новые поляризационные исследования, предлагаемые на ускорителе У-70 в Протвино при энергиях несколько десятков ГэВ, являются актуальными в изучении структуры протона.

В КХД на уровне твист-2 введены три фундаментальные функции распределения партонов: функция f(x) распределения партонов по импульсам, усредненная по спинам; функция спиральности g(x) распределения партонов по спиральностям в продольно-поляризованном нуклоне и функция трансверсальности h(x) распределения партонов по спинам в поперечно-поляризованном нуклоне. Спиновый кризис нуклона связан прежде всего с функцией g(x). Изучение функции трансверсальности только началось.

В ИФВЭ предлагается провести новый эксперимент, целью которого является исследование спиновой структуры протона и изучение функций спиральности g(x) и трансверсальности h(x) через измерения различных односпиновых и двухспиновых эффектов в столкновениях двух адронов. Программа эксперимента включает в себя комплексное изучение механизмов образования чармония в столкновениях неполяризованных и поляризованных адронов с энергией до 70 ГэВ, а также в столкновениях ионов с энергией до 35 ГэВ/нуклон.

В проекте планируются два этапа с началом набора статистики в 2010 и 2013 годах поэтапно. Первый этап посвящен исследованию спиновых эффектов в образовании «классических» легких (с массой до 2 ГэВ/c²) резонансов, а второй этап исследованию спиновых эффектов в образовании тяжелых состояний чармония.

Комплексный запуск первого этапа установки СПАСЧАРМ планируется на конец 2009 года с выходом на набор статистики в 2010 году. Предполагается использовать имеющиеся пионный и протонный пучки и модифицированную поперечно поляризованную мишень. Конкретно ожидается измерение односпиновых асимметрий на поляризованной мишени в нескольких эксклюзивных каналах с использованием ^--пучка с энергией 30-40 ГэВ и инклюзивном образовании всех известных легких резонансов.

Среди эксклюзивных реакций будут исследованы такие как ^-p ω(782)n, ^-p ^/(958)n, ^-p f₂(1270)n, ^-p a₂(1320)n и другие, когда резонансы распадаются на заряженные и нейтральные частицы. Ранее эти реакции были исследованы нами на установке ПРОЗА при их распадах только на ⁰-мезоны и -кванты, что заметно ограничивало набранную статистику. На установке СПАСЧАРМ-1 из-за доступности регистрации заряженных каналов распада ожидается увеличение статистики по отношению к эксперименту ПРОЗА примерно на порядок в реакциях ^-p ω(782)n и ^-p ^/(958)n, а также в 3-4 раза в реакциях ^-p f₂(1270)n и ^-p a₂(1320)n. Спиновые эффекты, наблюденные на установке ПРОЗА, во всех перечисленных реакциях составили 20-40%. Заметное увеличение статистики в эксперименте СПАЧАРМ позволит прецизионное измерение t-зависимости односпиновых асимметрий в этих реакциях и дискриминирует несколько теоретических подходов к описанию спиновых эффектов в этих реакциях.

Среди инклюзивных реакций, в первую очередь, с огромной статистикой на пионном и протонном пучках будет измерено инклюзивное образование на поперечно поляризованной мишени таких «лежащих на поверхности» резонансов как ρ(770), ω(782), ^/(958), f₀(980), ₀(980), (1020), f₂(1270) и других. Обильная статистика для этих резонансов позволит измерить с хорошей точностью односпиновую асимметрию в области переменных х_F от 0.1 до 1 и p_T от 0 до 3 ГэВ/c_. Это очень важно, так как ненулевые эффекты ожидаются в области х_F > 0.4 и p_T > 0.7 ГэВ/c. Помимо перечисленных резонансов с большими сечениями образования (порядка 0.5-15 мб) предполагается зарегистрировать максимальное число из известных в PDG «редких резонансов» со значительно меньшими сечениями образования. Для этого необходима принципиально новая быстродействующая электроника и система сбора данных, которая описана в этом предложении эксперимента. Все это позволит определить влияние аромата кварков на величину асимметрии и оценить фундаментальную функцию трансверсальности протона на новых обширных данных.

Следует также отметить, что проведение парциально-волнового анализа огромной статистики в эксклюзивных и инклюзивных реакциях на поляризованной мишени уменьшит количество решений и, тем самым, заметно увеличит надежность результатов при поиске новых или более детальном изучении старых редких резонансов, которые не видны в распределении по инвариантным массам.

Также стоит отметить, что исследование образования пар Дрелл-Яна уже на первом этапе эксперимента при взаимодействии ^--пучка с поляризованными и неполяризованными (усредненными по двум поляризациям) протонами позволит определить функцию трансверсальности h(x) [35].

1. 
   Создание, комплексный запуск полной установки СПАСЧАРМ (включая калориметр из вольфрамата свинца) и начало набора статистики в 2013 году на 14-ом канале с использованием существующих пучков и модифицированной поляризованной мишени ОИЯИ;
   
2. 
   Измерение односпиновой асимметрии А_N в образовании J/ (3100);
   
3. 
   Измерение отношений выходов ₁(3510)/₂(3555) с целью определения механизма образования чармония.
   

4. 
   Измерение продольной двуспиновой асимметрии A_LL в образовании чармония с целью возможного определения поляризации кварков и глюонов в протоне для решения проблемы спинового кризиса протона;
   
5. 
   Измерение поперечной двуспиновой асимметрии A_NN в образовании Дрелл-Яновских пар с целью определения фундаментальной функции распределения протона – трансверсальности h(x);
   
6. 
   Измерение относительных выходов состояний чармония и пар Дрелла-Яна в различных системах сталкивающихся ядер на ускоренных пучках.
   

Измерения спиновых эффектов в образовании чармония в адрон-адронных взаимодействиях будут проведены впервые. Отношения выходов ₁/₂ на пионном и протонном пучках будут определены на статистике, на порядок превышающей существующую. Это позволит определить соотношения между возможными механизмами образования чармония при энергиях до 70 ГэВ с хорошей точностью, т.е. разобраться во вкладах различных процессов в механизм образования чармония в адрон-адронных взаимодействиях. Ранее это не удалось сделать из-за крайне малой статистики регистрации ₁ и _2.

Установка будет располагаться в зоне 14-го канала ускорителя У-70. Для проведения двуспиновых исследований необходим поляризованный протонный пучок, ускоренный в У-70, выведенный из него и (для измерений A_LL) преобразованный в продольно-поляризованный с помощью нескольких магнитов «сибирской змейки».
Три группы из ОИЯИ (г.Дубна) планируют принять участие в эксперименте СПАСЧАРМ. Сектор Ю.А.Усова (ЛЯП), с которой мы сотрудничаем более 30-ти лет, берет на себя ответственность за модернизацию, развитие, запуск и обслуживание всего комплекса поперечно- и продольно- поляризованных протонных мишеней. Сектор Е.Н.Страковского (ЛФЧ) ответственен за проектирование, создание и запуск двух станций минидрейфовых камер, работающих в магнитном поле и имеющих координатное разрешение не хуже 150-200 микрон. Группа И.А.Савина (ЛФЧ) может быть ответственна за создание новых трех станций больших пропорциональных камер. После одобрения эксперимента СПАСЧАРМ в ИФВЭ планируется рассмотрение этого проекта в ОИЯИ с целью одобрения полновесного участия трех групп ОИЯИ в экспериментальной программе СПАСЧАРМ.
Текст данного проекта эксперимента организован следующим образом. Подробно описан основной (второй) этап проекта СПАСЧАРМ по спиновым исследованиям тяжелых резонансов, содержащих с-кварк, а перед оценкой стоимости проекта вставлена глава, описывающая первый этап исследований легких резонансов.