Ю.А. Александров, А.С. Белоусов, Н.П. Буданов, Я.А. Ваздик, Б.Б. Говорков, В.В. Ким, В.А. Козлов, Л.В. Крейскоп, А.И. Лебедев, В.А. Майшеев, Е.И. Малиновский, В.В. Павловская, В.И. Сергиенко, Ю.В. Соловьев, Е.И. Тамм, А.М. Фролов, В.В. Хабло, П.А. Черенков, Л.Н. Штарков

ФОТОРОЖДЕНИЕ   ρ⁰ - МЕЗОНОВ  НА  ВОДОРОДЕ  И

БЕРИЛЛИИ  ПРИ  ЭНЕРГИЯХ  γ - КВАНТОВ  15 - 30 ГЭВ

 Работа выполнена в период 1976 -1978 г.г. на электроном пучке [1] второго канала протонного синхротрона У-70 в Протвино на установке  “Сигма-е”. Схема установки приведена на Рисунке 1. Описание отдельных узлов установки приведено в работах [2-4], полученные результаты представлено в [7,8].

Рисунок 1. Блок - схема эксперимента по исследованию фоторождения ρ- мезонов на водороде и бериллии: М1 - магнит мечения (СП-94), М2 - анализирующий магнит (СП-41Г),   S₁ , S₂ , S₃ - сцинтилляционные счетчики мониторирования пучка, АS ₁ - АS ₄ - охранные счетчики, ИК1 и ИК2 - группы искровых камер, Р_1-2 - антисовпадательные счетчики подавления электромагнитного фона,  Q_{1 - 4}  - тригерные счетчики вторичных частиц, СРМ - пропорциональная камера, _о- составной спектрометр полного поглощения, _1-9 - черенковские счетчики полного поглощения, Pb - свинцовый поглотитель первичного пучка, К_1-9 - сцинтилляционные счетчики калибровки каналов мечения,  L_1-9 - триггерные счетчики системы мечения, Н₂ - криогенная водородная мишень, Ве - бериллиевая мишень, ГП - гелийпровод

Аннотация

      Эксперимент выполнялся на электронном пучке второго канала Серпуховского ускорителях [1].   Магнитный спектрометр "Сигма" был дополнен системой мечения с подавлением μ -мезонного фона [2]. Электронный пучок, определяемый счетчиками S₁, S₂ и АS_1, попадал на свинцовый радиатор R толщиной 0.05 Х_о. В радиаторе электроны излучали тормозные  γ -кванты и, попадая в С-образный магнит мечения М1 с полюсами размером 130х30 см, отклонялись в соответствии с величиной импульса в сцинтилляционные счетчики и L_1-9, размером 18х10 см.  Расположенные за ними черенковские спектрометры полного поглощения[3] измеряли энергию попадающих электронов. Спектрометры имели шестигранные радиаторы из свинцового стекла ТФ-1 с диаметром вписанной окружности 18 см. Для оперативной калибровки спектрометров использовались сцинтилляционные счетчики К_1-9 размером 6ч10 см, установленные перед линейкой L - счетчиков.
       Непровзаимодействовавшие в радиаторе электроны отклонялись магнитом мечения и попадали в свинцовый поглотитель. На пути пучка был установлен счетчик S₃, включенный на антисовпвдение в систему логической электроники, формировавшей триггерный сигнал. Для уменьшения поглощения γ -квантов в воздухе использовался гелийпровод, по которому формозные фотоны транспортировались от радиатора до мишени. Черенковский спектрометер С_о [4] с радиаторами из монокристалла KRS и ТФ-1 определял энергию попадающих фотонов. Как правило, это были фотоны с энергией меньше 2 ГэВ, образовавшиеся в результате кратных процессов тормозного излучения электронов в радиаторе (и до радиатора). Энергия рассеянного электрона определялась по отклонению в магнитном поле спектрометра СП-94 (срабатывание L - счетчика на соответствующем направлении) и анализу амплитуды черенковского спектрометра в данном канале мечения. Энергия меченного гамма-кванта принималась равной разности энергий пучкового электрона, электрона отдачи и "мягкого" γ -кванта (если он был), зарегистрированного в составном черенковском спектромнтре. За последним антисовпадателным счетчиком AS₄ располагалась первая мишень Н₂ - жидководородная мишень с длиной эффективной зоны 46 см и диаметром 6 см. По азимуту мишень была окружена 28 сцитилляционными счетчиками (не указанными на схеме) размерами 80х4х2 см³, предназначенными для регистрации протонов отдачи, вылетающих из мишени.
       Сцинтилляционный счетчик S₄ , толщиной 3 мм предназначался для регистрации заряженных частиц, образующихся в мишени Н₂ результате взаимодействия γ -квантов. Угловые характеристики заряженных частиц определялись магнитным искровым спектрометром, основу которого составляли электромагнит  СП-41Г  (с апертурой 1.6 х 0.8 м²) и  два  блока магнитострикционных искровых камер ИК1 и ИК2, размером 1.6х1.6м . В середине магнита М1 располагалась вторая мишень Ве - бериллиевый цилиндр длиной 20 мм, за которой была установлена пропорциональная камера СРМ, предназначенная для регистрации заряженных частиц, образованных в результате взаимодействия γ -квантов в мишени. Антисовпадательные счетчики Р_1-2 размером по 100х10 см каждый_, установленные горизонтально в плоскости пучка перед группой камер ИК2, служили для подавления случаев фонового процесса образования электронно-позитронных пар в мишенях. Заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии фотонов в мишенях и попавшие в искровые камеры, регистрировались сцинтилляционными счетчиками Q_1-4 общей площадью 2х1 м^2.
         Расположенные в пучке детекторы в процессе эксперимента были связаны с работающей "в линию" вычислительной машиной НР2100Ф. При срабатывании триггера в вычислительную машину (сначала на диск, а затем на магнитную ленту) записывалась информация о событии со всех активных элементов: 24 плоскостей искровых камер, 10 черенковских спектрометров, 52 сцинтилляционных счетчиков. Условием формирования триггерного сигнала было: наличие электрона до магнита мечения - совпадение счетчиков S₁ и S₂, фиксация потери части энергии электроном в радиаторе R - срабатывание счетчиков в одном из каналов мечения L_i и С_i при отсутствии сигнала от счетчика S₃ , факт взаимодействия в мишени - сигнал от S₄ или камеры СРМ, прохождение вторичных заряженных частиц через искровые камеры - сигнал от счетчиков Q_1-4   и отсутствие сигналов в охранных счетчиках АS₁, АS₂, АS₃ , АS₄ и Р_1-2.
        Геометрическая эффективность установки к регистрации π⁺π^--пар от распадов рожденных в мишенях ρ⁰-мезонов была рассчитана методом Монте-Карло. На Рисунке 2 представлены спектры эффективных масс π⁺π^-- пар, полученные при работе с водородной и бериллиевой мишенями. Для проверки утверждения [5], что асимметрия в массовом распределении ρ⁰-мезона, обусловленная интерференцией мезонов с фоном "дрелловского" типа, уменьшается с увеличением квадрата переданного импульса экспериментальные данные были сгруппированы в интервалы по t. В каждом интервале массовые спектры фитировались распределением Брейта-Вигнера с модифицированным показателем Росса-Стодольского [6], учитывающим асимметрию спектров. На Рисунке 3 представлены результаты фитов коэффициента Росса-Стодольского n(t) для различных значений переданного импульса. Показатель n(t) уменьшается линейно с увеличением квадрата переданного импульса.
              В Таблице 1 представлены величины масс и ширин ρ⁰-мезонных распределений для каждой мишени в трех интервалах энергий γ-квантов: 15-20, 20-25 и 25-30 ГэВ.

Таблица 1.

 

Параметры (ГэВ)	Еγ=15-20 ГэВ	Еγ=20-25 ГэВ	Еγ=25-30 ГэВ
Водородная мишень
Масса ρ0 - мезона	0.739± 0.012	0.762± 0.009	0.760± 0.011
Ширина ρ0 - мезона	0.131± 0.013	0.145± 0.011	0.123± 0.015
Бериллиевая мишень
Масса ρ0 - мезона	0.775± 0.007	0.771± 0.010	0.773± 0.010
Ширина ρ0 - мезона	0.154± 0.010	0.159± 0.011	0.165± 0.016

      Масса и ширина ρ⁰- мезонов, полученные из экспериментальных данных на водородной мишени, имеют сдвиг в сторону меньших значений относительно табличных: m_ρ= 0.770 ГэВ, Γ_ρ=0.155 ГэВ.
     Для получения сечений процесса упругого фоторождения ρ⁰ - мезонов на протоне отбирались события, в каждом из которых помимо π⁺π^-- пары, образованной в водородной мишени и зарегистрированной магнитным искровым спектрометром, в счетчиках, окружающих мишень был зарегистрирован протон отдачи.
       При вычислении поперечных сечений вводились следующие поправки:

1) Поправка на эффективностьискровых камер и эффективность процедуры восстановления треков и отбора событий - 0.72

2) Поправка на эффективность системы мечения- 0.98.

3) Поправку на выбывание фотонов за счет процесса образования пар в мишени и веществе до мишени - 0.96.

4) Поправки на эффективность счетчиков и эффективность триггера - 0.98.

           Полученные дифференциальные сечения по t (в четырех энергетических интервалах: 0.02-0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 и 0.2-0.4 ГэВ/с²) в каждом интервале энергий фотонов фитировались зависимостью dσ/dt = A exp (Bt), где В - параметр наклона, а А в интервале энергий γ-квантов от 15 до 30 ГэВ практически равно дифференциальному сечению фоторождения ρ-мезонов под нулевым углом:

A    =    

        Полученные значения для измерений с водородной мишенью представлены в Таблице 2. Величины полных сечений были получены интегрированием дифференциальных сечений по t.

Таблица 2.

Еγ (ГэВ)	В ( ГэВ/с) -2		(мкб)
15 - 20	7.7 ± 1.2	84 ± 14	10.9 ± 1.1
20 - 25	8.2 ± 1.2	90 ± 16	11.0 ± 1.1
25 - 30	8.0 ± 1.3	81 ± 15	10.2 ± 1.1

    По аналогичному алгоритму были получены значения полных сечений для суммарного образования ρ - мезонов: в упругих и неупругих процессах (вез учета протонов отдачи). По трем исследуемым интервалам полные сечения составили 11.4 ±1.0, 11.4 ±1.0 и 11.6 ± 1.1 мкб, т.е вклад неупругих процессов составляет в среднем 7 %.  Детально процедура обработки описана в работе [7].
       В полученных дифференциальных сечениях процесса на бериллии обнаружен резкий рост в области малых переданных импульсов ( при | t | < 0.1 (ГэВ/с)² ) - Рисунок 4. Для определения дифференциальных сечений под нулевым углом значения сечений dσ/dt_i в каждом энергетическом интервале фитировались суммой двух экспонент:

= A1 exp (B1 · t) + A2 exp (B2 · t)

     Первая экспонента описывает когерентный процесс фоторождения на ядре, вторая - некогерентный при | t | > 0.1 (ГэВ/с)². Фитирование данных для некогерентного процесса дало значение параметра наклона В2 усредненное по всему диапазону энергий от 15 до 30 ГэВ значение <B2> = 8 ±2 (ГэВ/с)^-2, а для <B1> = 65 (ГэВ/с)^-2. Результаты вычисления сечений даны в Таблице 3.

Таблица 3.

 

Еγ (ГэВ)		мкб
15 - 20	3.93 ± 0.48	91 ± 7
20 - 25	4.59 ± 0.70	89 ± 7
25 - 30	3.85 ± 0.69	75 ± 8

  Подробно эксреримент и полученные результаты представлены в [8].
 
 

Литература.

1. С.С. Герштеин, А.В. Самойлов, Ю.М. Сапунов и др.

Атомная Энергия, т. 35, вып.3, стр. 181-184, Москва, 1973 2. Ю.А. Александров, А.С. Белоусов, Я.А. Ваздик, Б.Б. Говорков и др.

         ПТЭ, №4, стр. 39-41, Москва, 1981

3. А.С. Белоусов, Я.А.Ваздик, Е.И. Малиновский, В.В. Самедов и др.

         Препринт ФИАН № 88, Москва, 1981

4. А.С. Белоусов, Я.А. Ваздик, Е.И. Малиновский и др.

          ПТЭ, № 6, стр. 33-35, Москва, 1973

5. P. Soding

           Phys. Lett., vol.19, p. 702-704, 1966

6. M. Ross, L. Stodolsky

           Phys. Rev. Vol. 149, p. 1172-1181, 1966

7. Ю.А. Александров А.С. Белоусов, Н.П. Буданов, Я.А. Ваздик и др.

          Препринт ФИАН, №52, Москва, 1980

8. Ю.А. Александров А.С. Белоусов, Н.П. Буданов, Я.А. Ваздик и др.

           Труды ФИАН, том 143, стр. 68-86, Москва, 1983