научная статья по теме ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРАЛЬНОГО ПИОНА, ОСНОВАННОЕ НА ЭФФЕКТЕ ПРИМАКОВА Физика

Текст научной статьи на тему «ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕЙТРАЛЬНОГО ПИОНА, ОСНОВАННОЕ НА ЭФФЕКТЕ ПРИМАКОВА»

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.

Показать целиком