ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 28-34
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.171.018
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АСИММЕТРИИ P В РЕЗОНАНСНОЙ ОБЛАСТИ УПРУГОГО ПИОН-ПРОТОННОГО РАССЕЯНИЯ
© 2004 г. Ю. А. Белоглазов, А. И. Ковалев, С. П. Круглов, Д. В. Новинский, В. А. Щедров, В. В. Сумачев, В. Ю. Траутман, Е. А. Филимонов, И. Г. Алексеев*, П. Е. Будковский*, В. В. Журкин*, В. П. Канавец*, Л. И. Королева*, Б. В. Морозов*, В. М. Нестеров*, В. В. Рыльцов*, Д. Н. Свирида*, А. Д. Сулимов*, Н. А. Бажанов**, Э. И. Бунятова**
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН Россия, 188300, Гатчина Ленинградской области E-mail: dimanov@pnpi.spb.ru Поступила в редакцию 03.03.2004 г.
Экспериментальная установка "СПИН-P" специально сконструирована для измерения асимметрии P при рассеянии пионов в заднюю полусферу в минимуме дифференциальных сечений упругого яр-взаимодействия. Приведены физическая мотивировка эксперимента и результаты моделирования эксперимента методом Монте-Карло. Установка содержит поляризованную протонную мишень в сверхпроводящем соленоиде с вертикальной ориентацией вектора поляризации свободных протонов, проволочные трековые детекторы, сцинтилляционные счетчики, а также электронику для сбора и обработки информации и соответствующую компьютерную сеть. Экспериментальная программа, начатая в 2002 г., выполняется на пионном пучке протонного синхротрона ИТЭФ (Москва).
1. ВВЕДЕНИЕ
Для однозначного определения спектра барион-ных резонансов изучение пион-нуклонного (пЫ) взаимодействия безусловно необходимо. Спектр барионных резонансов восстанавливается с помощью парциально-волнового анализа (п.в.а.), в котором используются результаты измерения полных и дифференциальных сечений, а также спин-зависящих параметров в упругом пион-нуклон-ном рассеянии. Коллаборацией ПИЯФ-ИТЭФ в течение 90-х гг. были выполнены измерения поляризационных параметров Р, А и Я [1, 2], которые разрешили лишь часть дискретных неоднозначностей в существующих п.в.а. (см., например, [3]). В настоящий момент необходимы дополнительные экспериментальные данные для выполнения однозначного п.в.а. во всей резонансной области. В частности, остается актуальным вопрос о проведении систематических измерений асимметрии Р в упругом пион-протонном рассеянии назад, т.е. в область углов, близких к значению в системе центра масс 0сцм ~ 180° - именно при углах 0сцм > 155° имеет место расхождение предсказаний парци-ально-волновых анализов для асимметрии Р.
*Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва.
**Объединенный институт ядерных исследований, Дубна Московской области.
Одной из особенностей упругого пр-рассеяния назад является низкое дифференциальное сечение реакции, достигающее в минимуме <0.1 мб/ср. Этим определяется сложность проведения эксперимента - необходимо экспериментально разделить решения п.в.а., за разумные сроки работы ускорителя ИТЭФ.
Для надежного выделения случаев упругого пион-нуклонного рассеяния в эксперименте регистрировались траектории всех трех частиц: налетающего пиона, рассеянного пиона и протона отдачи. Это позволило отказаться от использования анализирующего магнита, необходимого для выделения случаев упругого взаимодействия, если трек налетающего пиона не регистрируется (см., например, [4]).
Для иллюстрации вышесказанного на рис. 1 приведены предсказания трех основных п.в.а. для асиммметрии Р в упругом пр-рассеянии при импульсе налетающего мезона рп = 1170 МэВ/с: университета им. Джоржда Вашингтона (РА02 [5]) и коллабораций университетов Карлсруэ-Хельсинки (КА84 [6]) и Карнеги-Меллон-Беркли (СМВ [7]). Показаны также результаты измерения асимметрии Р при импульсе рп = 1180 МэВ/с, выполненного более 30 лет назад [8]. Для двух анализов [5, 6] наблюдается резкое изменение величины асимметрии от -1 до 0 для углов 0сцм ~ 174°-180°, в то время как п.в.а. [7] имеет более "гладкий" ход (строго
Рис. 1. Предсказания п.в.а. БА02 [5] (кривая 1), КА84 [6] (2) и СМВ [7] (3) при импульсе рп = 1170 МэВ/с в сравнении с экспериментальными данными [8] (4) для асимметрии Р при рп = 1180 МэВ/с.
при рассеянии назад поляризация по определению принимает нулевое значение). Такое поведение асимметрии Р, возможно, связано с особенностями поведения траектории нулей пион-нуклонной амплитуды [9] в этой и других кинематических областях. Данные измерения величины Р выполняются впервые в мире, и результаты измерений позволят уточнить вид пион-нуклонной амплитуды в исследуемой области. Разногласия в предсказаниях п.в.а. для параметра Р имеют место и для других
значений импульса как в упругом п р-рассеянии, так и в п+р-рассеянии.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ "СПИН-Р"
Общая схема установки
Эксперимент состоит в измерении асимметрии упругого рассеяния пионов на поляризованных протонах мишени, вектор поляризации которых направлен по нормали к плоскости рассеяния. Необходимо набрать одинаковую статистику при обоих знаках поляризации мишени (реверс поляризации осуществляется приблизительно раз в сутки). В такой постановке эксперимента отпадает надобность в поляриметре для измерения поляризации протонов отдачи, необходимом при использовании неполяризованной водородной мишени.
Экспериментальная установка "СПИН-Р" для измерения асимметрии в упругом пр-рассеянии (рис. 2) располагается на пионном пучке синхротрона ИТЭФ. Основными ее элементами являются:
- поляризованная протонная мишень, расположенная в криостате со сверхпроводящим магнитом;
- четыре сборки двухкоординатных (х- и у-дат-чики) проволочных камер с магнитострикцион-ным съемом информации для определения треков налетающего и рассеянного пиона, а также трека протона отдачи;
- сцинтилляционные счетчики для выработки триггера;
Рис. 2. Схема экспериментальной установки "СПИН-Р" для измерения асимметрии Р. РТ - поляризованная протонная мишень, 1-2, ..., 35-36 - двухкоординатные трековые камеры с магнитострикционным съемом информации, С1-С12 - сцинтилляционные счетчики.
Рис. 3. Магнитооптический канал ускорителя У-10 ИТЭФ. 1-4 - магнитные элементы, находящиеся в основном кольце; М - мезонообразующая (бериллиевая) мишень; И1, И2, Ц\, Б2 и Б3 - квадрупольные линзы; П3, П4, Р4 - поворотные магниты; КВ, КГ1 и КГ2 - вертикальный и горизонтальные коллиматоры; КРВ - корректор пучка в вертикальной плоскости; Ф1 и Ф2 - магнитные фокусы канала; "СПИН-Р" - место расположения установки (во втором фокусе).
- электроника в стандарте КАМАК;
- комплекс из трех компьютеров, обеспечивающих измерение поляризации мишени, сбор и запись информации со сцинтилляционных счетчиков и трековых детекторов и ее оп Нпе-обработку для оценки качества записываемой информации во время эксперимента;
- вспомогательная аппаратура (система высоковольтного питания искровых камер, система подачи рабочего газа, датчики давления, насосы и т.д.), предназначенная для обеспечения эффективной работы трековых детекторов и мишени.
Юстировка аппаратуры проводилась с помощью геодезических измерений.
Пионный пучок проходит сквозь систему мо-ниторных счетчиков С1-С3 и сборку магнито-стрикционных и гибридных камер (датчики 1-12). Далее пионы пучка взаимодействуют с веществом поляризованной мишени РТ. Соответствующими сборками камер регистрируются треки рассеянных пионов (21-28 и 29-36) и протонов отдачи (13-20). Триггерный импульс, инициализирующий считывание с датчиков камер, определяется совпадением сигналов со сцинтилляционных счетчиков:
С х С2 х С3 х С4 х С5 х С6 х х (С7 х (С8 + С9) + Сю х (С11 + С12)).
Установка регистрирует до десяти событий за один сброс ускорителя, длящийся ~0.6 с, и далее события записываются на магнитный носитель. Имеется система контроля за работой установки в режиме реального времени, и осуществляется первичный отбор данных по эффективности работы камер и всего экспериментального оборудования в целом.
Пионный пучок ускорителя ИТЭФ
Универсальный магнитный канал № 321 (рис. 3) синхротрона ИТЭФ позволяет выводить вторичные пучки заряженных частиц (протонов и мезонов) в диапазоне импульсов р = 800-2100 МэВ/с. Угол вывода пучка после рассеяния на внутренней (мезонообразующей) мишени М составляет 10.5°, импульсное разрешение (п.ш.п.в.) - ±1.8%. Длина транспортировки вторичных пучков от мезонообразующей мишени до второго фокуса Ф2, в котором расположена установка, составляет ~46.5 м. Геометрические размеры пучка вблизи поляризованной мишени составляют 32 х 27 мм, угловая расходимость ±6.5 ■ 10-3 рад и ±3.5 ■ 10-3 рад в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно. Средняя интенсивность пучка составляет (2-3) ■ 105 пионов за 1 сброс, за 1 мин происходит ~12-15 сбросов, длительность сброса 0.6 с.
При оптимизации вывода пучка на поляризованную мишень, вместо контейнера с рабочим веществом устанавливалась латунная мишень-имитатор, и путем подбора токов поворотного магнита Р4 и вертикального корректора КРВ обеспечивался максимум отношения счетов
(С1 х С2 х С3ИС1 х С2). (2)
В случае вывода п+-мезонов в пучке присутствуют и протоны (до 45% от суммарной интенсивности), и их разделение осуществляется путем выделения пионов по времени их пролета между первым и вторым фокусами канала, т.е. между счетчиками С1 и С2.
Поляризованная мишень
В эксперименте используется поляризованная протонная мишень с вертикальной ориентацией вектора поляризации свободных протонов вещества мишени. Используемое рабочее вещество -пропандиол (С302Н8) с добавкой Сг44. Его плот-
Рис. 4. Поляризованная мишень в горизонтальной плоскости пучка. 1 - тонкостенное окно, 2 - азотный экран, 3 - катушки магнита, 4 - контейнер с рабочим веществом. Показан угол поворота криостата на 15°.
ность составляет ~1.1 г/см3, а количество свободного водорода —10% от массы вещества. Контейнер, представляющий собой цилиндр 030 и высотой 30 мм, заполнен рабочим веществом и помещен в магнитное поле, создаваемое парой сверхпроводящих катушек Гельмгольца. Величина магнитного поля составляет 2.5 Тл при относительной неоднородности в области контейнера <4 ■ 10-4. Охлаждение мишени до температуры
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.