Исследование рождения (1520) в Σ⁻,p⁻ и р взаимодействиях с ядром, при высокой энергии на установке

SELEXСтудент-дипломник гр.Т11-07 В.В. ПолянскийРуководитель проекта В.А. МатвеевРецензент Г.В. ДавиденкоЗав.кафедрой №40 Б.А. Долгошеин

КАФЕДРА ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Тема дипломного проекта:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Введение

σ(ppY(1520)X)=106(102)mb, σ(S⁻pY(1520)X)=314(340)mb, σ(pp→Θ⁺(1540)X)=0.8(1.6)GGΘ →K0p/1MeV mb,

значения указаны для двух феноменологических форм-факторов Fk(t).Оценки были сделаны в предположении, что в pp столкновениях доминирующей является диаграмма рождения с K-мезонным (рис.1.1, 1.2) обменом, а в S⁻p с Теоретическое распределение сечений p- мезонным (рис.1.3). рождения по Xf

Рис.1.1 Рис.1.2 Рис. 1.3Понимание механизма рождения Λ(1520) важно не только для исследования её свойств, но

также для объяснения наблюдаемого рядом с ней пика соответствующего пентакварку Θ(1540), в реакции g+d → Θ⁺+ Λ(1520) .

В недавней теоретической публикации И.М.Народецкого -"Инклюзивное рождение Θ(1540) и Λ(1520) в рр и Σр столкновениях при высокой энергии", было предсказано инклюзивное рождение бариона Λ(1520) и пентакварка Θ(1540), а также была произведена оценка их сечений инклюзивного рождения (в области фрагментации пучок/мишень). Результаты:

Проделанная работа

Для исследования рождения (1520) в Σ⁻,p⁻ и р взаимодействиях с ядром на установке SELEX, была проделана следующая работа:

Были получены значения массы и ширины гиперона (1520): M = 1518.1 МэВ/с², FWHM = 15.61 МэВ /с². Полученные данные улучшены по сравнению с мировыми.

Рассчитаны выходы (1520) и , в 3-х пучках Σ⁻,p⁻ и р они составили соответственно: 4:1:2 и 1:5:1.

С помощью моделирования распада (1520)→p K⁺ ⁻ методом Монтэ-Карло, было получено массовое разрешение установки, которое составило 2 МэВ/с², и совпало с экспериментальным.

Были построены экспериментальные профили (распределения по Xf) Xf для больших (>5) и малых (O5) множественностей рождения в М2 спектрометре, а так же получены условия, при которых механизм мезонного обмена, используемый И.М.Народецким в его теор. исследовании, работает и сделаны оценки вклада этого механизма в полное инклюзивное сечение в рр столкновениях: 10.5 %.

Сделана оценка числа пентакварков Θ(1540), рождающихся при помощи механизма мезонного обмена на протонном пучке, которые возможно наблюдать в данных эксперимента SELEX.

)1520(

SELEX – схема установки

Массовые спектры (1520), )1520(

Фитирование производилось при помощи суммы функций Брэйта-Вигнера, с фиксированным массовым разрешением, и полинома 8-й степени для описания фона. Полученные результаты:

M = 1518.1 0.1 МэВ/с²,

FWHM = 15.61 0.5 МэВ /с²Mass Res. = 2 МэВ/с². На рисунке приведены массовые распределения системы (1520)→ p K⁺ ⁻ (слева) и → p K⁻ ⁺(справа). Для того чтобы понять систематические ошибки использовались 3 типа идентификации: case0,1,2,(сверху вниз) разной степени жёсткости. Для каждого типа идентификации (1520) были вычислены отношения сигнал/фон, чтобы определить наиболее подходящий для дальнейших исследований. Для античастицы, таким представляется case2, что видно по распределению.

)1520(

Отношение сигнал/фон, статистика адронных взаимодействий, результаты фита

распад case N событий Масса, МэВ/с² Ширина, МэВ/с²

(1520)→ p K⁺ ⁻ 0 4.5x106 1518.1 0.0 15.6 0.2

→ p K⁻ ⁺ 0 0.2x106 1517.7 0.2 13.2 0.6

(1520)→ p K⁺ ⁻ 1 3.9x106 1518.1 0.0 15.8 0.2

→ p K⁻ ⁺

1 1.3x105 1517.9 0.2 14.7 0.7

(1520)→ p K⁺ ⁻ 2 3.1x106 1518.1 0.0 15.6 0.2

→ p K⁻ ⁺ 2 0.8x105 1518.2 0.1 15.6 0.5

)1520(

)1520(

)1520(

case 0 1 2

Σ⁻ 0.35 1.1 2.8

p⁻ 0.02 0.23 1.5

р 0.1 0.9 1.9

Отношение сигнал/фон

Результаты фита

Σ⁻ 290357946

p⁻ 55553949

р 43237703

Статистика адронных взаимодействий

Результаты расчёта выходов (1520) и в 3-х пучках Σ⁻,p⁻ и р

)1520(

Распад Пучок case Выход

(1520) → p K⁺ ⁻ Σ⁻ 1 12.7000 0.0479 0.653

(1520) → p K⁺ ⁻ p⁻ 1 3.6400 0.0799 0.6300

(1520) → p K⁺ ⁻ р 1 5.53 0.0644 0.8100

→ p K⁻ ⁺ Σ⁻ 2 0.229 0.0102 1.1500

→ p K⁻ ⁺ p⁻ 2 0.527 0.032 1.1200

→ p K⁻ ⁺ р 2 0.216 0.0141 0.6990

)1520(

)1520(

Из полученных результатов следует, что отношение выходов в 3-х пучках Σ⁻,p⁻ и р будет следующее,

соответственно: (4.00 0,06):(1.00 0,01):(2.00 0,23 ), для (1520) и (1 0,03) : (2 0,01): (1 0,07) для . Что совпадает с результатами теор. работы И.М.Народецкиого Σ⁻: р :

(3.0 1.0):(1.00 0.35). )1520(

Определение массового разрешения установки

Для получения массового разрешения установки, распад (1520) → p K⁺ ⁻ моделировался с помощью метода Монтэ-Карло, с нулевой шириной, распределением Xf вида (1- Xf )³ и экспериментальным спектром Pt. Полученные результаты:Mass Res. = 2 МэВ /с², совпадает с экспериментальным.

Результат моделирования Монтэ-Карло для

(1520) → p K⁺ ⁻

Определение эффективности регистрации

Для определения Xf профиля рождения (1520) , экспериментальные распределения следует поправить на эффективность регистрации распадов, которая, зависит от Xf. В ранее проведённых и опубликованных исследованиях по SELEX, было показано, что эффективность не зависит от Pt. Эффективность по бинам Xf (число найденных распадов/число сгенерированных) для случая case1 и Σ⁻ пучка показано на рисунке. Там же, показан фит к полиному 7-го порядка. Эта аналитическая кривая и аналогичная для других case-ов и пучков, используются для коррекции измеренных спектров на эффективность регистрации.

Эффективность регистрации, для случая идентификации

сase1 и Σ⁻ пучка

Метод выделения измеренного профиля Xf

Сначала необходимо избавиться от фона, т.е. случайных комбинаций p K⁺ ⁻. Иллюстрация метода с помощью которого это производилось (вычитание фона) дана на рисунке: а, в, д соответственно, сигнальный интервал масс, фоновый, результат вычитания; б, г, е распределения Xf соответствующие интервалам масс. Вычитание происходило с коэффициентом k=Nbga/Nbgc, где Nbga и Nbgc числа фоновых событий в массовых интервалах (а) и (в) соответственно.

Иллюстрация метода выделения измеренногопрофиля Xf, для случая идентификации сase1 и

Σ⁻ пучка

Измеренные профили Xf

После вычитания фона, и поправки на эффективность регистрации, измеренные профили Xf выглядели так как показано на рисунке (правый столбец). Столбец слева – соответсвующие профили после вычитания, ещё не поправленные на эффективность.

Измеренные профили Xf, поправленные на эффективность (справа), не поправленные (слева), для случая идентификации сase1 и Σ⁻ пучка

Теоретическое распределение сеченийрождения по Xf

Как видно теоретическое и экспериментальныеРаспределения не совпадают.

Оценка вклада диаграммы с мезонным обменом в полное инклюзивное сечение рождения Λ(1520)

Несовпадение теоретического и экспериментальных распределений означает, что диаграмма с обменом К-мезоном не даёт большой вклад в полное сечение рождения. Λ(1520) может родиться множеством способов, например через обмен тяжёлым мезоном, или с помощью механизма

последовательной фрагментации (qq → qqg). В обоих случаях мы будем наблюдать меньшие значения чем в случае одномезонного обмена. Предположив, что все Λ(1520) рождаются через обмен K⁺ мезоном (рис.1.1.), можно сделать оценку вклада этого механизма в полное сечение рождения:

%5.10299.0/026.0))1520((

)1.1(

Xpp

Рис. 1.1

Получение выходов Λ(1520) и профилей Xf, при малой множественности в М2 спектрометре Моделью одномезонного обмена предусматривается небольшая множественность рождения энергичных частиц. Т.о. в результате фрагментации мишени рождаются адроны с малым импульсом, детектируемые в основном М1 спектрометром, и не детектируемые М2 спектрометром (p < 15 ГэВ). Как показано на рисунке справа, средняя множественность треков М2 – 5, а М1 – 10. До этого мы анализировали события с некоторым фиксированным значением множественности в М2, большим чем предусматривает модель одномезонного обмена, и балансом энергии Е(М2) > 0.9хЕ(пучка), с потерей 10-и % на фрагментацию мишени. Пользуясь предположением сделанным выше, мы выбираем диаграмму рождения, представленную на рисунке справа, с некоторым числом адронов испускаемых протонным пучком, вершина K⁺Λ , и некоторым числом медленных адронов возникающих от мишени, вершина K X⁺ . Полученные результаты приведены в таблице выходов, и на рисунке ниже.

Результаты при малой множественности в М2 спектрометре

пучок М=2 М=3 М=4

Σ⁻ 0.0058 0.069 0.300

p⁻ 0.0007 0.020 0.068

р 0.0065 0.146 0.158

Таблица выходов

Пунктирной линией обозначен теоретический профильXf. Как видно, при М = 4 (Λ(1520) и 2 дополнительных заряженных адрона) достигается хорошее согласие с теорией. При МP5, уклон кривой будет отрицательный, и картина будет такой, как представлено на рисунках с большой множественностью. Появление множественности 3 должно приводить к более энергичной функции Xf, чем на (рис.1.1). Но с другой стороны мы знаем, что только эта диаграмма может давать положительный наклон Xf распределения. Если исключить последнюю точку (Xf=0.95), то мы получим фит этой кривой. Из чего можно сделать заключение, что диаграммы с М=4 и М=3 получены через диаграмму (рис.1.1). Выход при М=4 в рр столкновениях составляет 0.158(2.9%). Вклад

части с М=3 вычисляется из пропорции с Xf =0.75, и равен: 0.158х0.035/0.04=0.138(2.5%).

Оценка числа пентакварков Θ(1540), рождающихся при помощи механизма мезонного обмена на протонном пучке

При обработке данных использовались только заряженные пары адронов. Но комбинации с нейтральными адронами так же подходят. При условии, что вероятности рождения Λ(1520) в обоих этих случаях одинакова, можно получить множители для М=3 и М=4, R3=1.5 R4=2.2 соответственно. Для того чтобы доказать это утверждение использовался генератор PYTHIA. Полученные результаты оказались в согласии, по крайней мере на качественном уровне, с экспериментом SELEX. Некоторые из них приведены на рис.16. Можно видеть, что PYTHIA качественно воспроизвдоит инклюзивный профиль для М=2 и М=4. Комбинации с двумя заряженными адронами и двумя другими стабильными адронами имеют очень похожие профили. Факторы полученные с помощью PYTHIA, составляют R3=1.3 и R4=2.2. В таком случае выход Λ(1520), рождающихся в соответствии с диаграммами однопионного обмена в рр столкновениях составляют: 2.9% х2.2+2.5%х1.3=(9.60.6)% от

инклюзивного выхода. Аналогично получается 7.8% и 6.7% для Σ⁻р и p⁻р столкновений. Полученный результат 9.6% соответствует с нашими предыдущей оценкой – 10.5% (как верхний предел). Полное число Λ(1520) рождающихся в рр столкновениях есть NΛ(1520)=5.15x10x117x10/0.225. Число пентакварков, которые можно зарегистрировать в SELEX есть N= NΛ(1520) x1%x 10.5%x 0.5x1/3x 0.35, где 1% это предсказанное отношение сечения, 10.5%, наше предсказание для диаграмм мезонного обмена, 0.5 брэнчинг для канала, 1/3 брэнчинг для по всем и

и 0.35 эффективность регистрации . Т.о. N=156 17 событий, для эксперимента SELEX.

0SpK 0

SK0SK

0LK

0SK

Заключение

1) Получены значения массы и ширины резонанса :M(exp.)=(1518.1 0.1) МэВFW(exp.) = (15.61 0.15) МэВ

PDT: M= (1519.5 1.0) МэВFW = (15.6 1.0) МэВ.

2) Измерены профили рождения Λ(1520) в 3-х пучках - рис.10-12, для множественности в М2 спектрометре МP5, и М=2,3,4.Сравнение полученных профилей с недавно опубликованным теоретическим исследованием, в рамках модели механизма мезонного обмена, показывает, что эта модель по крайней мере не является определяющей для рождения Λ(1520) при импульсах 600ГэВ, и больших множественностях. Однако, при множественности М=4 (Λ(1520) и 2 дополнительных заряженных адрона), видно полное согласие с теорией.Вклад этого механизма в полное инклюзивное сечение составляет (10.5 0.7)%.3)Измерены выходы Λ(1520) в 3-х пучках Σ⁻,p⁻ и р :(4.00 0,06):(1.00 0,01):(2.00 0,23), для множественности в М2 спектрометре М=5, и М=4 4:1:2. Как видно наибольшее количество Λ(1520) рождается в Σ⁻ пучке, наименьшее в p.Это можно объяснить с помощью механизма лидирующего кварка. Полученный результат совпадает с результатом теоретической работы, а именно Σ⁻ :p : (3.0 1.0):(1.00 0.35).4)Число пентакварков, которые, возможно наблюдать в данных эксперимента SELEX на протонном пучке, составляет 156 17 событий.

Результаты: