ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 6, с. 842-847
УДК 539.12.134
ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРАЛЬНОГО ПИОНА, ОСНОВАННОЕ НА ЭФФЕКТЕ ПРИМАКОВА
© 2010 г. И. Ф. Ларин
Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва E-mail: larin@itep.ru
Приведены основные характеристики и конструктивные особенности установки эксперимента PrimEx, проводящегося в лаборатории имени Т. Джефферсона (США). Подробно описан электромагнитный калориметр — один из основных детекторов PrimEx. Значение ширины распада п0-ме-зона на два у-кванта, полученное в ходе обработки набранных осенью 2004 г. данных эксперимента PrimEx, Г(п0 ^ 2у) = 7.82 эВ ± 2.2% (стат.) ± 2.1% (сист.)
ВВЕДЕНИЕ
Ширина распада я°-мезона на два у-кванта является наиболее точно вычисляемой величиной в квантовой хромодинамике (КХД) для области низких энергий. Она связана простым соотношением с временем жизни: Г(я° ^ 2у) = -Бг(я° ^ 2у),
т
где й — постоянная Планка, т — время жизни я°-мезо-на, Бг(я° ^ 2у) — брэнчинг его распада на два у-кван-та. В пределе безмассовых и- и а-кварков: Г(я° ^ 2у) =
= 7.725-С—п эВ, где а — постоянная тонкой
576я3^п2
структуры; N — количество цветовых состояний кварков; тп — масса я°-мезона; ¥п — константа его распада. Более точные расчеты дают значение 7.93 ± °.12 эВ (расчет по правилу сумм, основанный на аксиальной аномалии, [1]) и 8.1° ± °.1° эВ (киральная теория с учетом разной массы и- и ^-кварков, [2]). В то же время измерение этой величины, усредненное по предыдущим экспериментам, имеет заметно большую погрешность — около °.6 эВ [3]. Рис. 1 представляет результаты предыдущих экспериментов и теоретических расчетов.
Основная цель эксперимента РптЕх [4] — измерение ширины распада я°-мезона на два у-кванта с погрешностью на уровне процента. Это дает возможность проверить предсказание КХД и, как следствие, аксиальную аномалию — важный компонент современной теории поля. Точное измерение времени жизни я°-мезона по его пробегу связано с очевидными трудностями ввиду малости последнего (даже при энергиях в сотни ГэВ значение пробега составляет всего десятки микрон). Эквивалентность процессов фоторождения и распада я°-мезона на два у-кванта при обраще-
нии направления оси времени позволяет вычислить Г(я° ^ 2у) по сечению его образования путем обмена виртуальным у-квантом с ядром (ку-лоновский механизм — так называемый эффект Примакова). Эксперимент РптЕх использует эффект Примакова для вычисления ширины распада я°-мезона на два у-кванта.
1. МЕХАНИЗМЫ ФОТОРОЖДЕНИЯ я°-МЕЗОНА
Полное дифференциальное сечение фоторождения я°-мезона на ядре можно записать в виде суммы вкладов следующих процессов:
d^tot = d^coui
¿а
■ +
W<3rnui da N
d^NÇ + 2cQS9 \^Coul^NC
dah
.„ ,(1) йПп daп йПп 1 daп йПп daп
где <5Сои1 — сечение когерентного фоторождения я°-мезона в кулоновском поле ядра мишени — эффект Примакова, а№С — сечение рождения я°-ме-зона в сильном поле, создаваемом ядром как целым (ядерный когерентный процесс), ф — фаза интерференции ядерного и кулоновского когерентных процессов, а(ИС — сечение некогерентного рождения (взаимодействия с индивидуальными нуклонами с изменением конечного состояния ядра: возбуждением или фрагментацией), — телесный угол рождения я°-мезона. Сечение эффекта Примакова линейно связано с шириной распада я°-мезона на два у-кванта, что и используется для ее вычисления:
d®Coul _
„п = Г(п0 ^ уу))^п)|2 2 фп, (2)
dan х ' тп q
где а — постоянная тонкой структуры, Z — заряд ядра мишени, тп и Рп — масса я°-мезона и его скорость, q — переданный при взаимодействии 4-им-пульс, Е — энергия пучка, ¥ет — электромагнит-
ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРАЛЬНОГО ПИОНА
843
ный формфактор ядра мишени, 9П — угол рождения я0-мезона. Форма наблюдаемого спектра я0-мезонов по переданному импульсу или по углу рождения может быть использована для выделения примаковского процесса. Его особенностью является рождение при очень малых переданных импульсах (единицы МэВ • с-1).
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА PrimEX
2.1. Требования к установке
Одно из необходимых условий точного измерения сечения — качественное определение потока пучковых частиц. Другое условие — использование химически чистых моноизотопных мишеней с однородными и хорошо известными плотностью и толщиной. Для точного выделения примаковского механизма образования из всех возможных каналов реакции необходимо высокое разрешение для угла рождения я0-мезонов. Также существенно подавление фонов различной природы, требующее высокого разрешения по импульсу пучка, энергии я0-мезона и его инвариантной массе.
2.2. Схема установки PrimEx
Эксперимент PrimEx проводится на меченом у-пучке с энергией 4.9—5.5 ГэВ, сформированном от электронного ускорителя лаборатории имени Т. Джефферсона (Jefferson Lab, США). Схема установки PrimEx приведена на рис. 2. Электроны от ускорителя попадают в систему мечения ("фотонный таггер"), где проводят тормозное излучение. Созданный таким образом у-пучок попадает в мишень, за которой находится диполь-ный магнит, пропускающий в калориметр только нейтральную компоненту. За магнитом находится гелиевый мешок, уменьшающий количество вещества на пути проходящего пучка и продуктов реакций в мишени. Слева и справа от гелиевого мешка расположены сцинтилляционные счетчики пар-спектрометра. Он детектирует часть образующихся в мишени электрон-позитронных пар и служит дополнительным монитором пучкового потока. Электромагнитный калориметр находится за гелиевым мешком и регистрирует у-кванты от распада п°-мезонов. Непосредственно перед ним расположены сцинтилляционные счетчики охранной системы (Veto), позволяющие определять наличие заряда частиц.
2.3. Система счета и мечения пучковых фотонов
Уникальная система мечения и счета пучковых фотонов — фотонный таггер является одной из важнейших частей установки PrimEx. Таггер преобразует электронный пучок от ускорителя в у-пу-
Г(п° ^ 2у), эВ
12 11 10 9 8 7 6
Г
7
Рис. 1. Предыдущие измерения времени жизни нейтрального пиона и его распадной ширины на два у-кванта (показаны в хронологическом порядке): 1 — Томск, 1970 (Примаков); 2 — ДЕЗИ, 1970 (Примаков); 3 - Корнелл, 1974 (Примаков); 4 - ЦЕРН, 1985 (прямое измерение); 5 — ДЕЗИ, 1988 (е+е-); 6 (заштрихованная область) — киральная теория с учетом разной массы и- и ^-кварков, [2]; 7(заштрихованная область) — расчеты по правилу сумм КХД [1]; 8 (штрихпунк-тирная линия) — предсказываемое КХД значение без учета поправок высших порядков.
1 2 ......................•
- V
7
Рис. 2. Схема установки РптЕх: 1 — у-пучок, 2 — мишень, 3 - дипольный магнит, 4 - гелиевый мешок, 5— электромагнитный калориметр, 6 — счетчики пар-спектрометра, 7 - счетчики охранной системы.
чок, имеющий на несколько порядков меньшую интенсивность и являющийся частично меченным (т.е. определенная доля его частиц имеет сигнал временной отметки и информацию об энергии). Электронный пучок проходит через радиатор — тонкую золотую фольгу, толщину которой можно выбирать в диапазоне 10-2—10-4 радиационных длин. За радиатором в электронном пучке появляется примесь у-квантов тормозного излучения. Смесь пучков поступает в область магнитного поля, отклоняющего заряженную компоненту. Непровзаимодействовавшие электроны беспрепятственно выходят из системы и попадают в специальный объем, служащий для сброса пучка. Электроны, давшие тормозное излучение, имеют меньшую энергию и летят по более искривленной траектории в магнитном поле, попадая в сцинтилляционные счетчики, расположен-
2
3
4
5
1
5
3
4
844
ЛАРИН
Составляющие систематической погрешности ширины распада п0-мезона на два у-кванта
Источник систематической Вклад, %
погрешности
Характеристики мишени 0.10
Поток пучковых частиц 1.00
Стабильность параметров пучка 0.40
Эффективность триггера 0.10
Функция энергетического отклика 0.50
калориметра
Угловое разрешение установки для п0-мезонов 0.25
Аксептанс установки 0.50
Отбор записанных событий 0.30
Подсчет числа упругих п0-мезонов 1.50
(разделение сигнал/фон)
Вклад событий с п0-мезонами от 0.25
случайных совпадений тригера
Оценка вклада от распадов вектор- 0.25
ных мезонов
Неопределенность параметров тео- 0.10
рии фоторождения п0-мезонов
Расчеты спектров некогерентного рождения п0-мезонов 0.12
Брэнчинг распада п0-мезона на два 0.03
у-кванта
Всего 2.10
ные в два слоя. Первый слой более широких счетчиков формирует сигнал временной привязки высокого разрешения при попадании в них электронов отдачи. Счетчики второго слоя — значительно более узкие — служат для точного определения энергии электрона по его траектории в магнитном поле, у-пучок выходит по каналу в сердечнике магнита, попадая в трубу с мишенями. Пучки находятся в вакууме. Энергия -квантов вычисляется по разности между энергией электронного пучка и электрона отдачи, образуемого в акте тормозного излучения, и имеет рекордное разрешение в 0.1%. Разрешение сигнала временной привязки, формируемого таггером, имеет значение порядка 0.1 нс. Расходимость у-пучка — 100—200 мкрад (связана с его тормозной природой).
2.4. Мишени
Эксперимент РйтЕх использует мишени с различными атомными номерами (Ве, С, Sn, РЬ). Форма дифференциальных сечений фоторождения я0-мезона (1) имеет наиболее простой вид, когда спин ядра равен нулю, поэтому мишени С, Sn и РЬ изготовлены на основе ядер с нулевым спином: 12С, 12(^п и 208РЬ (примесь остальных изо-
топов менее 2%). Все мишени, за исключением Ве, имеют толщину 5% от радиационной длины материала. Бериллиевая мишень, использованная в основном в калибровочных целях и только в сеансах по измерению эффекта Комптона и рождения пар, имеет толщину 0.5% радиационной длины. При измерении сечения фоторождения я0-мезона использованы 12С- и 208РЬ-мишени. Углеродная мишень выполнена на основе отожженного графита с естественным составом изотопов (содержание 12С 98.8%). Примеси других элементов в углеродной мишени хорошо известны, и их сумма не превышает 0.37%. Толщ
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.