[ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. ЛОМОНОСОВА
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА
На правах рукописи
Исупов Евгений Леонидович
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ФОРМФАКТОРОВ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ ИЗ
АНАЛИЗА ДАННЫХ ДЕТЕКТОРА CLAS В РЕАКЦИЯХ
РОЖДЕНИЯ ПАР ЗАРЯЖЕННЫХ ПИОНОВ НА
ПРОТОНЕ РЕАЛЬНЫМИ И ВИРТУАЛЬНЫМИ
ФОТОНАМИ
Специальность 01.04.16 физика атомного ядра и элементарных частицАвтореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата физико-математических наукМосква
Работа выполнена на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова и в отделе электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В.
Скобельцына(МГУ им. М.В. Ломоносова.)
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Ишханов Борис Саркисович Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Мокеев Виктор Иванович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук в. н. с. Зотов Н. П.(ОТФВЭ НИИЯФ,МГУ);
кандидат физико-математических наук доцент Гольцов А. Н.(МИРЭА)
Ведущая организация: Институт ядерных исследований РАН
Защита состоится 27 апреля 2006 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу:
119992, г. Москва, Ленинские Горы, НИИЯФ МГУ, 19 корп., ауд. 2-15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.
Автореферат разослан 24 марта 2006 года.
Ученый секретарь Диссертационного совета К 501.001. кандидат физико-математических наук Чуманова О. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящее время проводятся многочисленные исследования структуры нуклона. Актуальность задачи связана во многом со следующим: с одной стороны в нашем распоряжении имеется квантовая хромодинамика - калибровочная теория сильного взаимодействия, но с другой стороны задача, состоящая в получении предсказаний этой теории в области больших расстояний, наталкивается на огромные трудности.
Реакции, в которых рождаются нуклонные резонансы, не могут быть описаны на языке степеней свободы квантовой хромодинамики – кварков и глюонов. В этой области энергий используется другой язык – мезонбарионные степени свободы. Поэтому задача исследования свойств нуклонных резонансов формулируется следующим образом. Необходимо описать реакции в области промежуточных энергий адекватным набором механизмов на языке эффективных степеней свободы – барионов и мезонов. Для проверки адекватности набора механизмов необходимо использовать для анализа всю совокупность наблюдаемых распределений, одномерных и многомерных дифференциальных и интегральных сечений.
Необходимо тестировать извлеченные параметры в совместном анализе нескольких эксклюзивных каналов. На этом пути – можно получить минимально зависящие от феноменологических моделей результаты.
Используя эти результаты, можно пытаться найти доступ к фундаментальным степеням свободы КХД – кваркам и глюонам, и тем самым выяснить динамику сильного взаимодействия в области расстояний соответствующих конфайнменту. Развитию и усовершенствованию одной из таких феноменологических моделей, описывающей эксклюзивный канал рождения пар заряженных пионов на протоне и посвящена настоящая диссертация.
феноменологических моделей различных эксклюзивных реакций в которых участвуют сильновзаимодействующие частицы в области промежуточных энергий.
Цель работы.
эксклюзивному каналу рождения пар заряженных пионов на протоне виртуальными и реальными фотонами.
Основные пункты исследования:
• Расширение феноменологической модели включением новых • Параметризация остаточных механизмов, дающих вклад в сечение рождение пар заряженных пионов • Исследования в области обнаружения новых резонансных Научная новизна работы и практическая значимость работы.
Существенно дополнена и усовершенствована феноменологическая модель рождения пар заряженных пионов на протоне под действием реальных и виртуальных протонов.
Автор защищает:
промежуточных квазидвухчастичных изобарных каналов • Осуществлена параметризация вкладов остаточных механизмов дающих вклад в двух-пионное сечение, что позволило надежно разделить резонансную и нерезонансную части сечения рождения пар пионов на протоне.
В рамках развитого в работе подхода были уточнены Q 2 зависимости электромагнитных формфакторов большинства высоколежащих нуклонных резонансов с массами более 1.6 ГэВ.
• Подтверждена обнаруженная раннее резонансная структура в зависимости интегральных сечений рождения пар заряженных пионов от инвариантной массы конечной адронной системы при W • Уточнены данные о вкладах резонансной и нерезонансной частей в фотонами, а также извлечены сечения квазидвухчастичных каналов Апробация работы. Основные результаты были представлены на следующих конференциях:
барионам « N * 2005» (Флорида, 10-15 октября 2005) барионам « N * 2004» (Гренобль, 24-27 марта 2004) барионам « N * 2002» (Питсбург, 9-12 октября 2002) Публикации. По теме диссертации опубликовано печатные работы(статьи в журналах и трудах конференций).
Ссылки на работы приведены в списке литературы Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации – 107 с., рисунков – 48, наименований в списке литературы – 50.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, выбор методов и объектов исследования, сформулированы цель, новизна, научная и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации по главам.
В первой главе дается экспериментальный обзор реакций, в которых проявляются вклады возбуждений нуклонных резонансов. По способу конкретизации конечного состояния реакции можно разделить на инклюзивные и эксклюзивные. В инклюзивных реакциях в конечном состоянии регистрируется только одна частица - электрон. Представлены графики инклюзивных структурных функций, в которых проявляются вклады нуклонных резонансов. Изучение структурной функции F2 и ее моментов, а также поляризованной структурной функции g1 и ее моментов является важной составляющей изучения структуры нуклона. В инклюзивном сечении проявляется вклад от большого числа резонансов, которые к тому же значительно перекрываются. Это обстоятельство сильно затрудняет анализ структуры нуклонных резонансов на основе инклюзивного фотон-протонного сечения. Для дальнейшего развития наших представлений о нуклонных резонансах необходим анализ эксклюзивных каналов, в которых полностью конкретезируется конечное состояние, и тем самым фиксируется распад резонанса на определенные иллюстрируется на Рис 1.
Рис. 1. Эксклюзивные каналы реакций взаимодействия фотонов с протоном, протекающих через возбуждение N* в s-канале. Вершина v NN * описывается тремя амплитудами A1 / 2, A3 / 2 и S1 / 2, которые зависят только от Q На Рис 1 показано, что испущенный электроном виртуальный фотон, взаимодействует с протоном, в результате возбуждается нуклонный резонанс (в s-канале системы фотон-протон). Так как фотон – виртуальный, то он имеет три независимые проекции спина на направление движения(спиральности). Соответственно вершина v NN * описывается тремя независимыми амплитудами. При Q 2 = 0 фотон является реальным, поэтому кулоновская амплитуда S1/ 2 обращается в 0.
Целью данной работы является извлечение амплитуд A1 / 2, A3 / 2, S1 / 2, из анализа конечного состояния + p Эта задача является сложной, так как к определенному конечному состоянию могут приводить многие механизмы и приведенный на Рис 1 является лишь одним из них. Для решения этой задачи необходимо развивать модельные подходы, основанные на адекватном включении необходимых механизмов.
Во второй главе подробно описывается экспериментальная установка.
непрерывного действия CEBAF являются сверхпроводящие ускоряющие структуры. Электроны испущенные инжектором с энергией 40 МэВ ускоряются в двух линейных ускорителях, соединенных с обоих концов пятью поворотными арками. Ускорение в каждом из линейных ускорителей обеспечивается 40 ниобиевыми ускоряющими структурами разделёнными на 8 криомодулей, охлаждаемых жидким гелием.
Ускоряющие структуры имеют минимальный градиент ускорения 7.5 МэВ на метр и частоту 1.5 ГГц. На каждом круге электроны получают ускорение около 1100 МэВ, что позволяет достичь максимальной энергии предоставляет в распоряжение экспериментаторов непрерывный пучок электронов с рекордной энергией и её стабильностью, диапазона токов, поляризацией (табл 1). Пучок электронов одновременно доставляется в три экспериментальных зала A, B и C.
Табл. 1. Параметры пучка электронов JLAB по состоянию на 2006г.
Детектор CLAS Детектор CLAS находящийся в зале B был спроектирован для экспериментов в которых конечное адронное состояние характеризуется несколькими некоррелированными частицами.
Схема детектора CLAS показана на Рис. Рис 2 Схема детектора CLAS, в разрезе по линии пучка.
Система регистрации частиц состоит из дрейфовых камер для реконструкции треков частиц, с последующим определением импульса, Черенковских счетчиков для электрон-пионного разделения, сцинтилляционных счетчиков(система времени пролета) для триггера и измерения времени пролета частиц и электромагнитных ливневых калориметров для регистрации фотонов и нейтронов, а также для улучшения электрон-пионного разделения. Шесть секторов детектора работают фактически независимо друг от друга с общей мишенью, триггером и системой сбора данных, обеспечивая перекрытие практически всего азимутального угла.
В третьей главе описывается феноменологическая модель рождения пар заряженных пионов на протоне. Амплитуда реакции p + p описывается набором промежуточных квазидвухчастичных изобарных каналов Остальные механизмы дающие вклад в рождение двух пионов учитывались эффективно, введением амплитуды трехчастичного фазового резонансную и нерезонансную части. Резонансной части отвечает sканальное(в системе фотон-протон) возбуждение нуклонного резонанса( N * ). Нерезонасная часть представляет минимальный набор Борновских древесных диаграмм на уровне мезон-барионных степеней свободы, удовлетворяющий требованиям калибровочной инвариантности.
Рис 3 Механизмы процессов рождения пар пионов на протоне реальными и виртуальными фотонами Включение новых изобарных каналов. Анализ данных по распределения мезона при W>1.6 GeV указывает на возможное проявление дополнительных изобарных каналов В ранней версии модели эти изобарные каналы учитывались эффективно введением амплитуды трехчастичного фазового объема.
Недостаток силы в расчитанных распределениях инвариантных масс + p, p концентрируется около масс D(13)(1520), P(33)(1660) (1. Гэв - масса найденная из анализа данных) и F(15)(1685) резонансов соответственно. Расхождения в угловом распределении мезона промежуточного состояния + F15 (1685). Таким образом, наблюдаемые расхождения между результатами анализа и экспериментальными данными дают основания для включения в модель новых механизмов.
Феноменологическая модель была расширена в соответствии с включением дополнительных изобарных каналов, и были извлечены все дифференциальные и интегральные сечения[3].
параметризовать вклады остаточных механизмов, трехчастичный фазовый объем был заменен на набор амплитуд, показанных на Рис. остаточных механизмов Такая замена позволила улучшить качество описания данных во всём диапазоне переданных импульсов. Амплитуды механизмов были параметризованы в Лоренц инвариантной форме где - вектор поляризации фотона U p,U p ' - спиноры начального и конечного протонов P2 - квадрат переданного четырёх-импульса P2,min - минимальное значение квадрата переданного четырёх-импульса.
В канал была добавлена диаграмма, вклад которой определяется следующей амплитудой В четвертой главе описываются результы анализа данных детектора CLAS по фото и электророждению пар заряженных пионов на протоне.
Объединенный анализ однопионного и двухпионного каналов. Надежное описание нерезонансных механизмов также как и разделение вкладов резонансов и фона представляет фундаментальную проблему физики нуклонных резонансов. В настоящее время нерезонансные процессы можно описать только феноменологически. Надежность описания фона, а также разделения резонансных и нерезонансных вкладов может быть проверена в совместном анализе основных эксклюзивных каналов. Одно и двухпионное фото и электророждение мезонов в области возбуждения нуклонных резонансов являются доминирующими и на их долю приходится около 90% полного сечения. К тому же фоновые процессы в этих каналах существенно различны. Успешное совместное описание этих реакций подтвердит надежность разделения фоновых и резонансных процессов. Таким образом, мы ожидаем получить наиболее точные значения формфакторов нуклонных резонансов и заметно уменьшить модельные неопределенности возникающие из-за феноменологического разделения фона и резонансов. В анализ включены все резонансы со статусом не ниже 3 звезды принадлежащие второй и третьей резонансной области. Для совместного анализа использовались данные CLAS по сечениям рождения одного и двух пионов при Q 2 = 0.65GeV 2, так как на данный момент только в этой области есть совместные данные по сечениям.
В результате совместного анализа был определен общий набор формакторов нуклонных резонансов описывающий как рождение одного пиона, так и двух пионов. Этот набор представлен в таблице.2.
двухпионного рождения формфакторы A1/ 2, A3/ 2, S1/ 2 в единицах 103 GeV 1/ 2, Q 2 = 0.65GeV Поиск нового резонансного состояния В результате анализа ситуация с возможным новым состоянием в рамках расширенной модели(был доступен массив данных CLAS по фоторождению двух пионов) приводит к следующему заключению.
парциальные ширины независящие от Q 2. В результате анализа мы получили в предположении, что если этого резонанса не существует, то Q 2 = 0.65GeV определенному каналу не может зависить от квадрата 4-импульса фотона.
Если включить в модель состояние Р13(1720) с ширинами взятыми из экспериментов с адронными пучками и новое резонансное состояние, то экспериментальные данные описываются гораздо лучше. Таким образом, можно сказать, что утверждение о существовании нового резонансного состояния, обретает более твердую основу. Анализ предварительных данных в фотонной точке с включением и без включения возможного нового состояния показан на Рис.6. Из Рис 6 видно, что сигнал от нового состояния присутствует, хотя и маскируется нерезонансными процессами.
Извлечение электромагнитных формфакторов и вкладов различных изобарных каналов. На основе усовершенствованной модели рождения двух пионов были проанализированы данные CLAS. На Рис представлено полное сечение электорождения включающее новое состояние при Q 2 = 0.65, 0.95,1.30GeV 2. На Рис 8 представлены данные по электромагнитным формфакторам нуклонных резонансов(P11(1440)), полученные из анализа данных в рамках развитой модели.
Рис 6 Полное сечение фоторождения + пар. Пунктирной линией обозначен анализ без включения нового состояния, сплошной черной линией показан анализ с включением нового состояния, сплошной красной линией(средняя кривая) показан вклад нерезонансных процессов, сплошной синей линией(нижняя кривая) показан вклад резонансной части.
Рис 7 Полное сечение электророждения пар заряженных пионов на протоне при Q 2 = 0.65GeV 2 (верхняя кривая), Q 2 = 0.95GeV 2 (средняя кривая), Q 2 = 1.30GeV 2 (нижняя кривая ), сплошная черная линия – анализ данных с включением нового состояния.
( A1/ 2 + S1/ 2 )1/ 2,103 GeV 1/ Рис 8 Комбинация формфакторов ( A1/ 2 + S1/ 2 )1/ 2 для Роперовского резонанса Р11(1440). Кружки – анализ двухпионных данных. Звездочка при Q 2 = данные PDG, звездочка при Q 2 = 0.65GeV 2 - результат совместного В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
1. Усовершенствована и существенно дополнена модель описания рождения пар заряженных пионов реальными и виртуальными фотонами в области W < 2.5 ГэВ и переменных Q 2, t несколько ГэВ2.
Модель хорошо воспроизводит имеющиеся данные и позволяет из условия наилучшего описания измеренных сечений рождения пар заряженных пионов извлечь информацию о:
- вкладе различных двухчастичных каналов с формированием нестабильных частиц в промежуточном состоянии;
- вкладе резонансных и нерезонансных процессов;
Модель не имеет мировых аналогов и принята Международной Коллаборацией CLAS в качестве основного подхода для анализа экспериментальных данных по рождению пар заряженных пионов.
2. На уровне мезон-барионных диаграмм осуществлена параметризация вкладов остаточных механизмов дающих вклад в двух-пионное сечение нерезонансной частей.
высоколежащих нуклонных резонансов с массами более 1.6 ГэВ.
структуры в зависимости интегральных + сечений от инвариантной массы конечной адронной системы при W ~ 1.7 ГэВ, Полученные из состояния - 3 / 2+ (1720).
5. Уточнены данные о вкладах резонансной и нерезонансной частей в сечение эксклюзивного рождения + пар виртуальными фотонами, а также извлечены сечения квазидвухчастичных каналов v p + +, Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. В.Д. Буркерт, В И Мокеев, Л Елуадхрири, A.A. Болучевский, Г.В ВОЗМОЖНОСТИ В ИЗУЧЕНИИ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ
В
РОЖДЕНИИ + ПАР ПОЛЯРИЗОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ
НА НЕПОЛЯРИЗОВАННОМ ПРОТОНЕ. Ядерная физика 10 стр 1918- 2. V.I. Mokeev, V.D. Burkert, L. Elouadrhiri (Jefferson Lab), A.A.Boluchevsky, G.V. Fedotov, E.L. Isupov, B.S. Ishkhanov, N.V.
Shvedunov (SINP, Moscow), PHENOMENOLOGICAL ANALYSIS OF
«