Изучение фоторождения нейтральных мезонов на ядрах
в области энергий 200 - 800 МэВ
Установка "Годоскоп"
Участники работы: А.С. Белоусов, Я.А. Ваздик,
В.Г. Зверев, Е.И. Малиновский,
И.Е. Малиновский, В.Н. Меженин, К.Г. Обидин,
П.А. Смирнов,
Г.Г. Таран, А.Р. Теркулов
Изучение фоторождения нейтральных мезонов в настоящее время ведется в
нескольких исследовательских центрах за рубежом. И если для данных по
фоторождению π0-мезонов существует достаточно обширная
база экспериментальных данных, то ситуация с результатами измерений
для η-мезонов не столь оптимистическая. Существующие данные в
основном относятся к процессам на протонах и дейтонах. Проводились
измерения на легких ядрах на накопителе ЭЛЬЗА в начале 90-ых годов
(Физический институт Боннского университета). В конце 1996 года в
печати появились результаты измерения сечений фоторождения
η-мезонов на ядрах углерода, кальция и свинца в диапазоне энергий
от 540 до 790 МэВ. Это пока единственные экспериментальные данные по
измерениюданного процесса.
Сравнительное исследование фоторождения π0 и η
мезонов на ядрах в околопороговой области энергий, полученных на одной
и той же установке, позволит исключить целый ряд систематических
погрешностей и получить более достоверные данные для сравнения с
теорией. Процесс фоторождения мезонов проводится на пучке тормозного
излучения синхротрона "ПАХРА" при максимальной энергии
ускоренных электронов Е = 850 МэВ. В работе принимают участие как
сотрудники Лаборатории электромагнитных взаимодействий: А.С. Белоусов,
Я.А. Ваздик, И.Е. Малиновский, В.Н. Меженин, П.А. Смирнов, А.Р.
Теркулов, так и специалисты из других подразделений: Г.Г. Таран,
В.Г.Зверев, А.М. Фоменко.
Эксперимент выполняется на установке "Годоскоп"
(установка создана на базе установки "Гамма", на которой
исследовалось фоторождение π0-мезонов на твердых мишенях
[1]) по методике регистрации двух гамма-квантов от распада
мезонов. В качестве детекторов служат два идентичных годоскопа,
состоящихиз 25 (5х5) черенковских счетчиков полного поглощения каждый
[2]. Схема установки приведена на Рис.1. Измерение энергии фотонов и
координат их точек попадания в годоскопы позволяет вычислить
эффективную массу регистрируемого резонанса и тем самым выделять
изучаемые процессы из фона. Годоскопы Д1 и
Д2 смонтированы на подвижных платформах, которые имеют
возможность перемещения в направлении перпендикулярном оси гамма-пучка
и поворачиваться вокруг оси. Этим достигается настройка установки в
соответствии с задачей эксперимента: получение максимальной
эффективности регистрации мезонов с заданной энергией и углами вылета,
либо в принципе включается процесс регистрации только одного сорта
частиц ( π0 или η-мезонов). Абсолютная калибровка
спектрометров по энергии проводилась в рамках той же установки с
использованием второго очистительного магнита M2
(М1 и М2 предназначены для удаления заряженных частиц из
тормозного пучка во время измерений). Для проведения калибровки перед
ним помещался свинцовый радиатор толщиной в 0.5 радиационной длины
Х0, а свинцовые защитные стенки Т1 и
Т2, прикрывающие детектоы со стороны ускорителя,
удалялись из сектора попадания в апертуру годоскопов. Ионизационные
камеры ИК1 и ИК2 служат для мониторирования интенсивности тормозного
пучка.
Рисунок 1. Схема
экспериментальной установки "Годоскоп"
Монтаж установки был завершен в 1996-1997 гг. Параметры установки
описаны в работе [3], блок схема организации триггера показана на
Рисунке 2.
Рисунок 2. Блок схема электронной
аппаратуры эксперимента по
регистрации резонансов,
распадающихся на 2 фотона
В 1998-1999 годах были проведены работы по наладке установки в пучке
синхротрона и тестовые сеансы по набору событий фоторождения
π0 и η-мезонов при различных углах настройки. На
основании полученных результатов были внесены изменения в геометрию
установки: вакуумизация тракта гамма-пучка перед мишенью,
дополнительная защита детекторов от фона ускорителя и т.д. Эти
изменения были реализованы в 1999 году. В новой редакции в 2000 и 2002
годах было проведено два тестовых сеанса по набору событий
фоторождения нейтральных мезонов при максимальной энергии Е = 850 МэВ.
К сожалению, время работы в пучке по известным причинам (недостаток
пучкового времени) составило менее 20% от планируемого ранее и
позволило провести измерения лишь с углеродной и свинцовой мишенями со
статистикой, недостаточной для получения достоверных результатов. В
течение последующих двух лет велись работы по созданию программ
моделирования процессов фоторождения, реконструкции событий, обработки
экспериментальных данных, программ для съема информации, обеспечения
контроля за работой установки.
Рисунок 3. Спектр эффективных масс двухфотонных событий, зарегистрированных при различных углах настройки установки
На Рис.3 представлены распределения двух фотонных событий по массе
резонанса в различных редакциях настройки установки - для регистрации
π0 и η-мезонов. Там же пунктиром показаны
распределения, полученные при моделировании методом Монте-Карло
регистрации этих процессов в установке с учетом реального разрешения
детекторов (нормировка проводилась по величине максимума распределения
в области пиков). В приведенных спектрах кроме распределения
регистрируемых резонансов, наблюдается заметный вклад фоновых событий.
Особенно значителен фон в области малых масс
Mγγ при регистрации η-мезона,
где подавляющую долю составляют события от двойного фоторождения.
Выборка из полного набора данных лишь событий, принадлежащих области
пиков распределений (границы выбираются из результатов моделирования),
позволяет снизить уровень фона. На Рисунке 4 показаны распределения
зарегистрированных мезонов по энергии до и после
отбора этих событий по массе резонанса.
Рисунок
4. Энергетический спектр зарегистрированных установкой мезонов до и после
отбора событий по массе резонанаа.
Из массива событий, принадлежащих заштрихованным гистограммам, с
учетом реальной формы спектра тормозного излучения
N(Eγ) и эффективности регистрации
процесса установкой (полученная моделированием зависимость величины
эффективности регистрации η-мезонов от энергии мезонов дана на
Рисунке 5) можно получить зависимость выхода событий фоторождения
η-мезонов на ядрах углерода от энергии гамма- квантов.
Рисунок 5. Зависимость эффективности регистрации h- мезона в установке «Годоскоп» от энергии частицы.
Данные для выхода событий зарегистрированных в процесс фоторождения
η-мезонов на углеродной мишени представлены на Рисунке 7.
Результат получен на основании измерений, проведенных в 2003
году.
Рисунок
7. Зависимость числа событий образования h- мезонов фотонами на ядрах
углерода от энергии
первичного фотона.
На Рисунке 8 представлены величины сечений образования η-мезонов
фотонами с энергией в диапазоне 550-820 МэВ на ядрах углерода,
нормированные на число нуклонов в ядре. Результаты получены в
2004-2005 году при обработке экспериментальных данных 2000-2004 годов.
Результаты для ядер свинца получены на статистике 2005 года. На этом
же рисунке показаны данные, полученные в эксперименте на микротроне в
Майнце [4].
Рисунок 8. Зависимость сечений фоторождения h-
мезонов (нормированных на число нуклонов в ядре) от энергии фотонов на ядрах свинца и углерода. ЛИТЕРАТУРА 1. А.С. Белоусов, Я.А. Ваздик,
А.Н. Елисеев и др. Труды ФИАН СССР, т.186 (1988)
стр. 143-156 2. А.С.
Белоусов. , Я.А. Ваздик, В.Г.
Зверев, Е.И. Малиновский, И.Е. Малиновский, А.Р. Теркулов 3. А.С. Белоусов. , Я.А. Ваздик, В.Г. Зверев, Е.И.
Малиновский, И.Е. Малиновский, А.Р. Теркулов Physics Letters B373, (1996) 45-50
Препринт ФИАН,
№ 23, Москва, 1995
Препринт
ФИАН, № 24, Москва, 1995