ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 3, с. 512-518
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ п-р-РАССЕЯНИЯ С ПЕРЕЗАРЯДКОЙ В ОБЛАСТИ МАЛЫХ УГЛОВ РАССЕЯНИЯ
© 2004 г. Д. Е. Баядилов*, Ю. А. Белоглазов, М. Р. Кан, Н. Г. Козленко, С. П. Круглов, И. В. Лопатин, Д. В. Новинский, А. К. Радьков, В. В. Сумачев, Е. А. Филимонов
Петербургский институт ядерной физики РАН, Гатчина
Поступила в редакцию 03.04.2003 г.
Измерены дифференциальные сечения реакции п-р — п0п для углов рассеяния, близких к нулю. Эксперимент выполнен на п-мезонном канале синхроциклотрона ПИЯФ в Гатчине в диапазоне импульсов налетающих п--мезонов от 417 до 710 МэВ/с. Измерения проводились с помощью разработанного в ПИЯФ п0-мезонного спектрометра путем регистрации обоих 7-квантов от распада п° — 27. Приведено описание экспериментальной установки и представлены полученные результаты.
1. ВВЕДЕНИЕ
Измерение дифференциальных сечений (д.с.) п-р-рассеяния с перезарядкой является частью общей программы "Спектроскопия нестранных ба-рионов на пучках п-мезонов с энергиями от 300 до 2000 МэВ", которая осуществляется физиками ПИЯФ начиная с 1970 г.
В настоящее время точность определения характеристик возбужденных нестранных барионов (т.е. пион-нуклонных резонансов) лимитируется главным образом отсутствием высококачественных экспериментальных данных по д.с. п-р-рас-сеяния с перезарядкой1^ особенно в области низ-колежащих nN-резонансов. Единственный систематичный набор таких данных был получен в 1975 г. Брауном и др. [1] в Резерфордовской лаборатории. Однако среди физиков, занимающихся компиляцией nN-данных, существует мнение, что результаты эксперимента [1] имеют достаточно большие и трудно оцениваемые систематические погрешности, вызванные ошибкой в абсолютной нормировке импульсной шкалы п-мезонного канала. Попытка измерить д.с. перезарядки была сделана на Лос-Аламосской мезонной фабрике, но результаты этого эксперимента [2] так и не были опубликованы — по-видимому, опять из-за проблем с систематическими погрешностями. Наконец, д.с. перезарядки были измерены в области низколежащих nN-резонансов в Брукхейвенской национальной лаборатории с использованием детектора Crystal Ball; однако до сих пор опубликованы [3, 4] лишь предварительные результаты в ограниченном
E-mail: dair@pnpi.spb.ru
!)В дальнейшем для краткости будем именовать эту реакцию просто перезарядкой.
интервале импульсов — от 147 до 322 МэВ/с. И снова основной трудностью явилась реалистичная оценка систематических погрешностей.
Чтобы заполнить существующий пробел в банке данных и решить вопрос о противоречиях между имеющимися немногочисленными экспериментальными данными, в ПИЯФ были поставлены два эксперимента по измерению д.с. перезарядки. Измерения выполняются на п-мезонном канале синхроциклотрона ПИЯФ и охватывают область энергий от 300 до 585 МэВ (соответствующий интервал импульсов — от 417 до 710 МэВ/с).
В первом эксперименте были измерены д.с. перезарядки для рассеяния в заднюю полусферу. Эксперимент [5, 6] был выполнен путем детектирования нейтрона отдачи на совпадение с одним из 7-квантов от распада п0 — 27.
Наши дальнейшие планы — расширить измерения в область меньших углов рассеяния. Однако метод, основанный на детектировании нейтронов отдачи, имеет ограничение, связанное с тем фактом, что для углов вс-ш. < 50° энергия нейтронов отдачи падает ниже 50 МэВ и эффективность их регистрации становится слишком малой.
2. п0-МЕЗОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР
Чтобы преодолеть эту трудность, мы спроектировали и изготовили в ПИЯФ новый прибор — п0-мезонный спектрометр [7], который позволяет расширить угловой диапазон измерений д.с. перезарядки вплоть до самых малых углов.
Основной принцип п0-мезонного спектрометра — определение кинетической энергии п0-мезона Епо и угла его вылета вжо путем измерения энергий
Рис. 2. Типичные спектры с ПЗК, полученные (после вычитания пьедестала) с одиночного кристалла сб1(№) при детектировании космических мюонов, пересекающих кристалл в вертикальном направлении (а), и 300-МэВ электронов, направляемых на кристалл в горизонтальном направлении (б).
(Е11 ,Е12) двух 7-квантов от распада п0-мезона и углов в11 и в12, под которыми эти 7-кванты испускаются в л.с. После того как величины Е11, Е12, в^ 1, в12 измерены, Епо и 9по могут быть вычислены с помощью выражений
1/2
ЕпО =
2М 20
О
(1 - СОбФ^ )(1 - X2)
- Мпо,
(1)
соб 9по =
Еу 1 соб в^1 + Е72 СОБ в72
Е*1 + Е*2 + 2Е11Е12 совФ.
= , (2)
77
где Мпо есть масса п0-мезона, величина X = = (Е11 — Е12 )/(Е11 + Е12) характеризует распределение энергии п0-мезона между двумя 7-квантами, а Ф77 есть угол разлета двух 7-квантов.
Принципиальная схема п0-мезонного спектрометра показана на рис. 1. Прибор состоит из двух электромагнитных калориметров полного поглощения для детектирования обоих 7-квантов от распада п0-мезона. Каждый калориметр состоит из матрицы 6 х 4 кристаллов С81(№), имеющих размеры 6 х 6 х 30 см3; последний размер — толщина, она соответствует 16.2 рад. ед.
Каждый из 48 кристаллов снабжен фотоумножителем ФЭУ-97. При этом каждый ФЭУ имеет свой собственный источник высокого напряжения, смонтированный непосредственно на колодке ФЭУ и обеспечивающий хорошую стабилизацию высокого напряжения. Эти автономные источники высокого напряжения были разработаны и изготовлены в пияф.
Энергетическая калибровка каждого из 48 измерительных трактов (кристалл С81(№) + ФЭУ + + преобразователь заряд—код (ПЗК)) была выполнена двумя методами:
1) с использованием космических мюонов, пересекающих кристалл в вертикальном направлении;
2) с помощью электронов, направляемых на передний торец кристалла.
В первом случае триггером служило совпадение сигналов с верхнего и нижнего слоев кристаллов С81(№). Типичный спектр (полученный после вычитания пьедестала ПЗК) показан на рис. 2а. Наблюдающийся пик соответствует ионизационным потерям космических мюонов, пересекающих 6-см кристалл; вычисления показывают, что средняя величина этих потерь составляет 45 МэВ. При
проведении энергетической калибровки с использованием космических мюонов значения высокого напряжения на различных ФЭУ подбирались таким образом, чтобы пики космических мюонов оказывались приблизительно в одном и том же канале ПЗК для всех 48 кристаллов.
Во втором случае мы использовали электроны, которые всегда имеются в пучке отрицательных частиц, формируемом п-мезонным каналом. Отделение электронов от пучковых п-мезонов и мюонов осуществлялось с помощью газового черенковско-го счетчика, наполненного углекислым газом под давлением 3 атм; этот счетчик располагался на линии пучка перед мишенью. Процедура калибровки заключалась в том, что узкий пучок электро-нов2) направлялся в центр исследуемого кристалла сб1(№) и измерялся спектр с соответствующего ПЗК. Энергия падающих на калориметр электронов варьировалась от 70 до 500 МэВ [8]. В качестве примера на рис. 2б приведен спектр, полученный при энергии электронов 300 МэВ. Из-за поперечного распространения электромагнитного ливня не вся энергия падающего на кристалл электрона выделяется именно в этом кристалле, часть ее "утекает" в соседние кристаллы. Следовательно, для того чтобы получить полное энерговыделение (которое и должно быть равно энергии падающего электрона), необходимо просуммировать спектр ПЗК с исследуемого кристалла и спектры с восьми окружающих кристаллов. Типичный вклад окружающих кристаллов в полное энерговыделение составляет величину масштаба 10%.
3. ЭКСПЕРИМЕНТ
На первой стадии эксперимента расположение калориметров п0-мезонного спектрометра (см. рис. 1) рассчитано на измерение д.с. перезарядки вперед: когда п0-мезоны вылетают под углами, близкими к 0°.
В эксперименте использовалась безопасная жидководородная мишень вакуумного типа с предварительным охлаждением от азотного резервуара. Угол, открытый для детектирования вылетающих частиц, составлял 270°. Водородный контейнер имел вид вертикального цилиндра высотой 12 см и диаметром 10 см, толщина стенок — 100 мкм алюминия. Ожижение водорода осуществлялось за счет охлаждения контейнера холодным газообразным гелием. Наружное окно вакуумного кожуха было изготовлено из майлара толщиной 200 мкм. Температура (а следовательно, и плотность) жидкого водорода постоянно контролировалась во
2)Размер пучка определялся маленьким сцинтилляционным
счетчиком, расположенным непосредственно перед калориметром.
время эксперимента путем измерения сопротивления откалиброванного германиевого диода, а также давления паров над поверхностью жидкости. Величина плотности жидкого водорода составляла 0.0740 ± 0.0004 г/см3.
Два электромагнитных калориметра были расположены симметрично по отношению к оси пучка; величина угла между осью каждого из калориметров и осью пучка составляла 16°. Такое расположение калориметров и величина угла (16°) определяются спецификой распада п0 ^ 2y: 7-кванты испускаются в этом распаде преимущественно симметрично по отношению к направлению импульса п0-мезона, причем при таком симметричном разлете угол Ф77 между направлениями вылета 7-квантов оказывается минимальным и составляет от ±11° до ±18° в зависимости от импульса налетающих п--мезонов. Расстояние от входа в калориметры до центра мишени L = 101 см задано исходя из требования, чтобы края калориметров не облучались п-мезонами пучка: в месте расположения калориметра расходящийся по горизонтали пучок имеет уже достаточно большие размеры.
Перед каждым из калориметров помещены тонкие (5 мм) сцинтилляционные вето-счетчики RV и LV. Назначение этих счетчиков — предотвратить выработку триггера на запуск установки в случаях, когда в калориметр попадают не 7-кванты, а заряженные частицы, вылетающие из мишени.
Установка включает в себя также два монитор-ных счетчика C1 и C2 (не показанных на рисунке), один из которых расположен непосредственно перед мишенью, а второй — на выходе вакуумного тракта п-мезонного канала, а также пучковый вето-счетчик C3, помещенный на линии пучка сразу за калориметрами.
Условно триггер на запуск установки может быть записан как совпадение
Т = С1 ■ С2 ■ R ■ L ■ СЗ • ~RV ■ ~
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.