ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 22-40
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.07
УСТАНОВКА ЭПЕКУР ДЛЯ ПОИСКА УЗКИХ БАРИОННЫХ РЕЗОНАНСОВ
В ПИОН-ПРОТОННОМ РАССЕЯНИИ © 2014 г. И. Г. Алексеев, И. Г. Бордюжин, П. Е. Будковский, Д. В. Калмыкии,
В. П. Канавец, Л. И. Королева, А. А. Манаенкова, Б. В. Морозов, В. М. Нестеров,
В. В. Рыльцов, Д. Н. Свирида, А. Д. Сулимов, Д. А. Федин|, В. А. Андреев*,
В. В. Голубев*, А. Б. Гриднев*, А. И. Ковалев*, Н. Г. Козленко*, В. С. Козлов*,
А. Г. Крившич*, Д. В. Новинский*, В. В. Сумачев*, В. И. Тараканов*, В. Ю. Траутман*, Е. А. Филимонов*, M. Sadler**
Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ "Курчатовский институт'
Россия, 117218, Москва, Б. Черемушкинская, 25 E-mail: dmitry.svirida@itep.ru * Петербургский институт ядерной физики, Гатчина, Россия ** Abilene Christian University, Abilene, Texas, USA Поступила в редакцию 26.11.2013 г. После доработки 14.01.2014 г.
Экспериментальная установка ЭПЕКУР предназначена для поиска узких резонансных состояний путем прецизионного измерения дифференциальных и полных сечений реакций пион-нуклонного взаимодействия с шагом по энергии пионов 1 МэВ. За пять лет, прошедших от появления идеи эксперимента до начала набора статистики в апреле 2009 г., на универсальном пучковом канале 322 протонного синхротрона У-10 ИТЭФ создан безмагнитный спектрометр с жидководородной мишенью на основе широкоапертурных проволочных дрейфовых камер с гексагональной структурой. Уникальные свойства магнитного канала позволяют измерять импульс пучковых частиц с точностью лучше 0.1% с помощью пропорциональных камер с шагом проволочек 1 мм, расположенных в первом фокусе канала. Многочисленные подсистемы установки разработаны с использованием современной микроэлектроники, включая микропроцессоры и микросхемы программируемой логики, отлажены и испытаны как автономно, так и в составе установки. Распределенная система сбора и накопления информации базируется на распространенных интерфейсах USB и Ethernet, что позволяет использовать готовые решения для этих протоколов и обеспечить высокую производительность.
DOI: 10.7868/S0032816214050024
ВВЕДЕНИЕ
Одной из загадок квантовой хромодинамики в настоящее время является отсутствие твердо установленных экзотических адронов, существование которых теория не запрещает. В 2003 году в ИТЭФ [1] и КЕК (Цукуба, Япония) [2] был обнаружен узкий экзотический барион 9+ со странностью + 1 и массой 1540 МэВ, ранее предсказанный в киральной солитонной модели [3]. В дальнейшем появилось довольно много работ, в которых этот резонанс не наблюдался (см. обзор и ссылки в [4]). Позже авторы оригинальных работ повысили значимость своих результатов [5, 6]. Колла-борация CLASS на большом статистическом материале смогла лишь оценить верхний предел сечения фоторождения 9+ [7]. Несколько позже группа той же коллаборации увидела уверенный сигнал этого резонанса, отбирая события в области интерференции с ф-мезоном [8]. Таким обра-
зом, вопрос о существовании 9+ остается открытым. Квантовые числа 9+ не определены экспериментально, но можно предполагать, что если он существует, то принадлежит к 1/2+-антидекупле-ту, предсказанному Д. Дьяконовым, В. Петровым и М. Поляковым в 1997 году [3]. В этом случае должен существовать также и нестранный Р11-резонанс с массой около 1700 МэВ. Определенные указания на существование такого резонанса имеются в результатах модифицированного пар-циально-волнового анализа группы университета Джорджа Вашингтона [9] при массах 1680 и 1730 МэВ [10]. С другой стороны, в фотореакциях на дейтоне в эксперименте ОЯААЬ наблюдается узкая особенность с массой 1685 МэВ и шириной <30 МэВ как при рождении п-мезона [11], так и в комптоновском рассеянии [12]. Аналогичная особенность видна и в более поздних работах по фоторождению на нейтроне [13, 14]. Основной
321
У-10
Коллиматор
1-й фокус
Б322С2
Б322В3
2-й фокус
ДК5 ДК% Б322В4
**ПК5-ПК% ЪДК-ДК,
322 ПК—ПЩ Б322Д1
Т303
Рис. 1. План-схема универсального магнитно-оптического канала 322 протонного синхротрона У-10 ИТЭФ. ПК — пропорциональные камеры, ДК — дрейфовые камеры, Г — годоскопы.
идеей, вдохновившей появление данной работы, стала беспрецендентная возможность поиска и исследования нестранного нейтрального члена антидекуплета пентакварков на пионных пучках синхротрона У-10 ИТЭФ. Такую задачу можно решить, непосредственно наблюдая проявления резонанса в дифференциальных и полных сечениях реакций пион-нуклонного взаимодействия, при условии достижения высокой точности результата и при достаточно мелком шаге по энергии. Исключительность предложенного подхода определяется одновременно несколькими факторами. Прочие указания на существование подобного состояния получены с помощью электромагнитных пробников, тогда как попыток исследовать вопрос при помощи адронов не предпринималось, вероятно, в связи с отсутствием на тот момент пионных пучков подходящих энергий на других ускорителях мира. В отличие от подавляющего большинства экспериментов, в которых поиск пентакварков производится в множественном рождении (production), предложенный подход предполагает рождение резонанса непосредственно в s-канале (formation). Единственной сигнатурой исследуемого криптоэкзо-тического члена антидекуплета является его малая ширина, предсказанная авторами [3]. Прецизионное, лучше 0.1%, измерение импульса каждой частицы пучка, возможное благодаря уникальным свойствам пучковых каналов ИТ-ЭФ, может позволить пронаблюдать очень узкую, шириной в несколько мегаэлектронвольт, особенность в сечении. Абсолютная калибровка центрального импульса пучка с точностью лучше 0.1% задает точность определения массы резонанса на уровне 0.5 МэВ. Авторами идеи пентакварков предполагается незначительная связь изучаемого резонанса с п^-каналом; однако, исследуя поведение парциально-волновых анализов, можно показать, что его проявления в дифференциальном сечении упругого п^-рассеяния можно надежно заметить даже если относительный бран-
чинг в пион-нуклонный канал составляет всего 5%. Наконец, прецизионное измерение дифференциальных сечений позволит выполнить пар-циально-волновой анализ на новом качественном уровне и однозначно определить все квантовые числа исследуемой частицы.
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МАГНИТНО-ОПТИЧЕСКИЙ КАНАЛ
Магнитно-оптический канал 322 (рис. 1) спроектирован специально для экспериментов с точным измерением импульса частиц пучка [14] и построен по двухступенчатой ахроматической схеме. Внутренняя мишень Т303 расположена в вакуумной камере основного кольца протонного синхротрона У-10. Мишень изготавливается из бериллиевой фольги толщиной 100—200 мкм в форме треугольного флажка, острый носик которого вводится в пучок протонов основного кольца по окончании фазы ускорения 4-секундного цикла синхротрона на 500—800 мс. Область взаимодействия имеет размер йш « 2—3 мм.
Рожденные в мишени частицы захватываются в канал под углом 10.5° к оси пучка ускорителя при помощи магнитных линз К320И1 и К320И2, которые собирают вторичный пучок в первом фокусе канала на расстоянии 26 м от мишени. Дипольные магниты К320П3 и К320П4 поворачивают пучок на угол 40° и обеспечивают спектрометрические возможности канала. Частицы с импульсом, отличающимся на величину АР от среднего импульса канала, оказываются сфокусированы на расстоянии АХх = В{ АР от геометрической оси канала по горизонтали (В{ = 54 мм/% — дисперсия в первом фокусе), что позволяет получать точное значение импульса каждой частицы, измеряя координату пересечения ее трека с фокальной плоскостью. Точность такого измерения, или импульсное разрешение канала, определяется многими факторами, включая качество изготовления и установки магнитных элементов и
стабильность поддержания их токов, однако, в основном, эта величина определяется размером области взаимодействия на внутренней мишени и может быть оценена как ар/р = Я^м/В{ « 0.05— 0.08% (Ях = 1.47 — оптическое увеличение мишени в первом фокусе в горизонтальной проекции). Пара линз Б322В3 и Б322В4 создают во втором фокусе перевернутое изображение образа мишени, сформированного в первом фокусе канала, с увеличением Я2 = 0.76, а магнит Б322С2 обеспечивает поворот пучка и дисперсию при переходе из первого во второй фокус Б2 = 41 мм/%. Полная ахроматичность пучка достигается при выполнении соотношения В2/Я2 = Бх. Действительно, для координаты частицы во втором фокусе можно написать АХ2 = -Я2АХ + В2 Ар = (-Я2 В{ + В2)Ар; ахроматичность достигается при независимости этой координаты от импульса частицы, т.е. при -Я2 А + В2 = 0.
Для экспериментальной проверки импульсного разрешения канала исследовались импульсные спектры рассеянных протонов в реакции р + 9Ве ^ ^ р + 9Ве*. Монохроматические протоны с импульсом 1.5 ГэВ/с, циркулирующие в кольце ускорителя, испытывали взаимодействие на внутренней бериллиевой мишени. Протоны, рассеянные на угол 10.5° упруго и с возбуждением нижних уровней 9Ве, захватывались магнитно-оптическим каналом, а их импульсный спектр анализировался при помощи трех пропорциональных камер ПКХ-ПК3, расположенных в разрыве вакуумной трубы в первом фокусе, путем измерения горизонтальной координаты пересечения трека с фокальной плоскостью. Как следует из работ [16, 17], в таких кинематических условиях наряду с упругим рассеянием интенсивно происходит рассеяние с возбуждением уровня ядра бериллия 2.43 МэВ с шириной 0.77 кэВ и двух близких уровней 6.37 и 6.76 МэВ с суммарной шириной около 1.35 МэВ. В импульсном спектре указанным линиям должны соответствовать пики, отстоящие от пика упругого рассеяния на 2.87 и 7.97 МэВ/с. На рис. 2 представлен экспериментально полученный импульсный спектр и его фи-тирование тремя гауссовыми распределениями на фоновой подложке.
Частицы в правой части распределения, соответствующие импульсам, большим, чем при упругом рассеянии, практически отсутствуют. Положения пиков хорошо соответствуют предсказанным. Ширина пика при 7.88 МэВ/с определяется, в основном, естественной шириной уровня, тогда как для упругого рассеяния и пика первого возбужденного сост
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.