Анализ экспериментов по ??-взаимодействию и проблема существования бариониума

Цслыо работы является интерпретация неожиданных результатов экспериментов по изучению упругого рр рассеяния вперед и определению модуля электромагнитного формфактора протона вблизи рр порога на основе гипотезы о существовании бариониума с малой энергией связи.

Экспериментальные исследования рр — взаимодействия стали возможны после того, как в 1955 г. было зарегистрировано рождение антипротона [1]. Однако долгое время они затруднялись тем, что пучки медленных антипротонов не обладали необходимыми характеристиками. Действительно, антипротоны составляют небольшую часть вторичных частиц, возникающих при столкновении энергичных протонов с мишенью. Кроме того, они рождаются в широком интервале углов и энергий.

Существенный прогресс был достигнут к 1981 г., когда в CERN (Европейский Центр Ядерных Исследований) был создан антипротонпый накопитель. В нем антипротоны накапливались, очищались от примесей короткоживущих пионов. Кроме того, с помощью специальной процедуры уменьшался разброс по энергиям и направлениям. Подавление продольных колебаний пучка называется «стохастическим охлаждением» и было предложено Будкером А. М. «Охлажденные» и замедленные пучки антипротонов направлялись па установку LEAR (Низко энергетическое аитинротонное кольцо). IIa ней была выполнена обширная программа исследований по ррвзаимодействиям при низких энергиях. Ниже, однако, ограничимся анализом только последних экспериментов, но поиску связанного состояния протона и антипротона — бариониума.

Остановимся сначала па теоретических основаниях существования бариониума. Впервые вопрос о нем был поднят в работе Ферми и Ян га [2] в связи с открытием л-мезона еще до экспериментального обнаружения антипротона. В ней пион рассматривался как связанное состояние протона и антипротона на том основании, что некоторые компоненты нуклон-нуклонных сил при рассмотрении взаимодействий нуклонов и антинуклонов из отталкивающих превращались в притягивающие. Впоследствии вопрос о переходе от NNпотенциала к NNпотенциалу обсуждался И. С. Шаииро с сотрудниками [3] и другими авторами [4]. Кваркопыс модели также дают указание на существование бариониума [5]. Связанные состояния NN системы искались путем наблюдения рождения моноэнсргетичсских частиц при pN взаимодействиях в покое и на лету. Два различных экспериментальных подхода были использованы для поиска рп и ррсвязанных состояний при pd взаимодействии путем измерения энергетических спектров нуклонов отдачи (р и п — соответственно). В альтернативном подходе измерялось энергетическое распределение продуктов аннигиляции при захвате р в аитииротониом атоме (в частности в протониуме (рр). Изучалось образование глубоко связанного состояния (энергия связи порядка 100 МэВ) с помощью моноэиергетического я или у перехода с орбит иротониума (энергия связи порядка 10 КэВ).

Опишем подробнее первый подход [6]. При взаимодействии /Г с жидким дейтерием pd —> (рр -> Х) п- (рп —Х)р нуклон отдачи при образовании состояния X уносит часть энергии. Главный вклад в амплитуду процесса определяется квазисвободным рассеянием (Рис. 1а), а мезонное (Рис.16) или нуклонное перерассеяние (Рис. 1с) могут р-о===С?—- Р d d -.- - —&— а) © Р d

Ь)

Рис. 1 затушевать эффект связанного состояния. При аннигиляции на лету может образоваться не только связанное состояние, но и резонанс. В нерелятивистском пределе для состояния близких к порогу^ величина недостающей массы О определяется приближенным выражением

Т-ЗТ,

Q = Мх -2М = — + (Т Т&bdquo-Y1 cos© где Мs— масса искомого состояния, М — масса нуклона, Т — кинетическая энергия падающего антипротона, TN — кинетическая энергия нуклона отдачи и

0 — угол его вылета в лабораторной системе (Приложение 1). В экспериментах на дейгерисвой пузырьковой камере в BNL (Брукхэвинская национальная лаборатория) были получены указания на существование узких рп состояний с энергией и шириной (1794- 8) МэВ, (1897- 25) МэВ и S (1932) МэВ резонанса [7]. Однако, как в опытах в CERN на пузырьковых камерах [8], так и в более поздних опытах в BNL [9] эти результаты не подтвердились. Наиболее обширный эксперимент Амслера был выполнен в BNL на жидкой детейриевой мишени с целыо поиска связанных состояний рр и рп. Состояния рп ранее не изучались в связи с трудностью регистрациинейтронов. Схема эксперимента изображена на (Рис.2). Антипротонный пучок очищался двумя электростатическими сепараторами El,

Е2 и магнитным спектрометром М. Телескоп S0S1S2 выделял направление пучка на мишень Т. Отношение числа частиц ^ в мишени было порядка

10%. При импульсе 500 МэВ/с поток антипротонов составлял 2000 в одном импульсе. Проволочные камеры Wl, W2, W3 обеспечивали точность определения импульса антипротона 0.7%. Антипротоны останавливались в однометровой мишени Т. Место аннигиляции (вершина) измерялось с точностью до ± 2 cm вдоль пучка двумя парами плоских многопроволочных пропорциональных камер L, расположенными над и иод мишенью. Антипротоны поглощались в среднем на глубине 62 см. Треть всех

Рис. 2 взаимодействий происходила с импульсом меньше 300 МэВ/с, т. е. на меньшей глубине.

Энергия нуклона отдачи определялась по времени пролета между вершиной и пакетом пластиковЕлх ецшщиляторов A-D. Главный вклад в разрешающую способность по энергии определялся точностью измерения времени пролета в ±500 пс. Угол отдачи нуклона определялся положением вершины и точкой попадания его в сцинциляционный счетчик, которая измерялась с точностью ±5 ст по разности времен регистрации. Она была откалибрована, но моноэнергетическим нейтронам от реакций руп (9 МэВ) и п~d nn (68 МэВ) (величина энергетического разрешения). Большой кристалл (N) из Nal диаметром 30 дюймов, окруженный стальным кожухом, использовался для измерения инклюзивного спектра фотонов от pd аннигиляции.

4″ 10 г

Z А

X •п

Z 2 о а)

If] Л* f н Ы

-— f~ г-1 п :

Г—" (—1 п n «(рп! (.¡->р) i I

JL

1700 1750 1800 1850 1ЭОО MI5SING MASSIMhV)

Рис.3

Распределение недостающих масс Мх от pd аннигиляции приведено на Рис. 3 для рп и рр взаимодействий. Обрезание в спектре рп событий при 1500 МэВ объясняется поглощением протонов в мишени.

Сразу же под порогом вид распределения недостающих масс определяется внутренним движением спектатора (р) в дейтерии. Длинный «хвост» распределения возникает за счет множественного перерассеяния типа перерассеяния на Рис. lc [14J. Никаких значимых отклонений в спектре Mx (jm) не наблюдается. Для образования связанного состояния с шириной порядка энергии разрешения и меньше 4J предел для рп составляет 6*10″ 4и 2 Ю-'1 для рр. В спектре Мх (рр) обнаруживается рост при Мх > 1800 МэВ вплоть до границы наблюдения 1850 МэВ. Авторы предлагают объяснять это усиление влиянием рр взаимодействия в начальном состоянии. Оно сильно анизотропно по углу рассеяния, что и отражается в спектре Мх. Это распределение и взаимодействие на лету не подтвердили существование состояний 1794 МэВ и 1897 МэВ. Отмечено, что позднее в CERN также проводились опыты по поиску узких NN состояний в аннигиляции антипротонов с импульсами 650 МэВ и 817 МэВ. Упомянутые выше состояния не были обнаружены. Однако эти результаты не противоречат возможности существования связанного состояния в интервале 1850 < Мх < 1876 МэВ с ширинами меньше энергии разрешения 2 МэВ.

Альтернативным подходом к изучению NN связанных состояний является обнаружение моноэпсргстических 7Г*, 7г° и у квантов от переходов из рр атомных состояний. Так как правила отбора для излучения zr*, и у различны, то существует несколько разных случаев таких переходов. Для излучения л" -мезонов и электромагнитных М переходов сумма Lt+Lr+l должна быть нечетной (Lt, Lf угловые моменты начального и конечного состояний, а / - угловой момент уносимый мезоном или фотоном). Для Е переходов у квантов сумма четна. При излучении (или у) с-четность сохраняется и для пионов в кроме того сохраняется G-четность и изотонический спин. В потенциальных моделях вычисление вероятностей переходов с учетом этих правил отбора были выполнены Довером [11]. Переходы с AL = |L, — Lf | = 0 или 1 предпочтительнее чем с AL > 1, которые подавлены на несколько порядков. Типичные вероятности перехода из атомного состояния в ядерное для ДL = 0,1 порядка 10″ 2—10″ 3

В BNL и CERN были выполнены исследования электромагнитных у линий с помощью детектора на основе Nal. В работе [12] сообщалось о трех линиях при 183, 216 и 420 МэВ с выходом 7*10'3 Эти эксперименты были повторены Рихтером [13] также с помощью детектора на основе Nal в виде шарового сектора с вдвое большей статистикой. Линии 183 и 216 МэВ были подтверждены и наблюдались две дополнительных при 102 и 550 МэВ. Соответствующие им массы связанных состояний равны 1771, 1694, 1638 и 1210 МэВ, что указывает на большие энергии связи.

На установке Амслсра (Рис.2) также изучались монохроматические переходы между NN состояниями [15]. Для этого использовались реакции pd —> XN, X —" X' у. Угол вылета и энергия нуклонов отдачи определялись с помощью временных измерений на установке (Рис.2). Фотон регистрировался Nal кристаллом N. Энергия фотона корректировалась на Доплеровский сдвиг.

IM П

О AT REST

• in шею iso 150 гоо «о Photon enerc» imevi

Рис.4

Спектры распределения по оперши дня аннигиляции п покое и налету приведены на (Рис.4). Авторы объясняют рост распределений при малых энергиях за счет медленных нейтронов, а никаких существенных неодпородностей п спектре не обнаружено. Однако, по-нашему мнению, эти результаты не исключают наличие структуры в распределении при Еу < 50

МэВ. Измерение распределений монохроматических заряженных пионов [14] в процессе рр-+Х*тг~ при импульсах антипротонов 1,3 ГэВ/с также не дало указаний на наличие NN связанных состояний.

Хотя выше бариониум был определен как состояние с массой меньшей массы двух нуклонных масс, его понимают иногда более широко как резонансное состояние с любой массой. Из состояний такого типа наиболее известен S (1930) мезон. Он был обнаружен в 1966 г. в распределении по недостающей массе [16] в реакции п~р рХ~. Позднее Sмезон наблюдался в нескольких экспериментах, например, в пузырьковой камере [17] при массе около 1930 МэВ, а иногда его существование отвергалось [18]. Обсудим его проявление в полном сечении (Рис.5) и сечении аннигиляции, так как эта информация будет существенно использована при анализе амплитуды упругого рр рассеяния вперед.

В эксперименте Carroll [19] по измерению полных ~рр и pd сечений был обнаружен их рост при импульсе 475 МэВ/с налетающего антипротона, указывающий на состояние с массой и шириной (М, Г)=(1932; 9) МэВ и интегральным сечением 160 мбМэВ. Сравнение данных на водороде и дейтерии говорило в пользу изотопического спина объекта равного 1. Позднее структура (1936; 9) МэВ наблюдалась в эксперименте па пузырьковой камере в CHRN [20] с интегрированным сечением 95 мбМэВ. S-рсзоианс наблюдался и при более тяжелых массах (1939; <4) в сечениях аннигиляции и упругом рассеянии с интегрированным сечением в 26 ±6 и 20 ±10 мбМэВ соответственно [21]. Хотя и не ожидается, что NN состояния сильно связаны с многомезонными конечными состояниями, влияние фазового объема вблизи порога приводит к заметным сечениям аннигиляции. В измерениях полного сечения Sakomoto и др. [22] S-мезон на пределе статистической достоверности имел параметры (1935; 5) МэВ с интегральным сечением 15 ±4 мбМэВ. В исследовании, выполненном в BNL [23J, в полном сечении и сечении аннигиляции на водороде обнаружена структура с параметрами (1939; 20) МэВ и высотой 3 мб над фоном [24J. Эта структура не наблюдалась в pd взаимодействии. Поскольку резонанс с изоспином 1 должен проявляться в три раза чаще на дейтерии, чем на водороде, то последний факт свидетельствует о нулевом изоспине этого объекта.

20 о Е

2 g b-О UJ со со с о

— 10

300 400 500 600 700 800 LAB. MOMENTUM (MeV/c) Рис.5

На Рис. 5 приведены предсказания работ [19−23J, но сравнению с плавной кривой, интерполирующей результаты работы [24J по полным сечениям, а также отклонения экспериментальных точек этой работы от плавной кривой. Интерполяционная кривая из [24] принята за базовую, так как в этом эксперименте на 90% уровне достоверности было отвергнуто существование структур с площадью 24 мбМэВ. (Рис.5) демонстрирует, что узкая структура работы [21] с площадью 46 мбМэВ исключается, в то время как структура с интегрированным сечением в 12 мбМэВ [23] может присутствовать.

К работам по измерению полных сечений рр рассеяния примыкают измерения дифференциальных сечений упругого рр рассеяния и определение параметра р — отношения действительной части к мнимой части амплитуды упругого рррассеяния вперед. Измерение р было выполнено в ВЫЬ в работе

25]. Результаты приведены на (Рис.6). Сплошными кружками отмечены значения р, полученные без учета спиновых эффектов. Окружности относятся

Momentum [MeV/c] Рис. 6 к значениям р, полученным с использованием предсказаний спиновых эффектов Парижским NN потенциалом. Хотя зависимость р от спиновых эффектов и проявляется, общим свойством двух наборов значений р является малость его значений при импульсах 350< р <650 МэВ/с и вероятное присутствие нуля р.

Ограничимся обзором этих экспериментов, поскольку они будут важны для нашего исследования и получат дальнейшее развитие на установке LEAR. Если говорить о результатах, полученных на LEAR, в целом, то они являются повторением ранее выполненных экспериментов на новых установках и с новыми пучками антипротонов. Предыдущие эксперименты были в основном поставлены на пузырьковых камерах или жидководородных мишенях. Это приводило к тому, что рр системы аннигилировали из состояний с угловым моментов L=0 за счет подавления электромагнитных каскадов. В водородном газе наоборот ожидается большой выход аннигиляции с Рорбит. Модельно-зависимые оценки дали выход в 50%~90% с Рорбит при нормальном давлении и температуре водородного газа. Все эти особенности были реализованы в эксперименте ASTERIX, изучавшем рр аннигиляцию в покое. Были рассмотрены следующие процессы:

База данных, например, для первого процесса составляла 1.5−106 аннигиляций в четырех лучевых событиях рр->2л+2л~Х, где Хневидимые нейтральные объекты (в основном) [27]. В нем не было получено прямых указаний на существование NN связанных состояний. В третьем процессе энергия связи возможного связанного состояния превышает 200 МэВ. Поэтому, не смотря на аналогичные отрицательные результаты поиска бариониума в этих и в других каналах, нельзя исключить его существования с малыми энергиями связи.

На установке ГЛ^'Ш были получены повью данные по амплитуде упругого рр рассеяния вперед (эксперимент Р8−172 и Р8−173). Новизна их состоит в необычном поведении р (р) при импульсах ~200 МэВ/с. Малые значения р и особенно положительность при Р=180 МэВ/с (Рис.7) вызывают большие трудности в понимании их с точки зрения дисперсионных соотношений [28]. Объяснению этих особенностей поведения р посвящена глава 1, в которой подробно рассмотрен эксперимент по измерению дифференциальных, полных сечений и р. Разобраны различные подходы к объяснению р (р) и использована модель, основанная на дисперсионных соотношениях. С помощью этой модели дано объяснение энергетического хода

1. 2.

3. рр -" KSKX/KSL, рр —> ря рр —> Х±7Г

T01AL C M. EHCRGT (MeV) 1BO0 1900 19 50 2000

Рис. 7 a"" 11 P сделай вывод о наличии у системы рр связанного состояния с малой шириной и энергией связи.

В главе И описан PS-170 эксперимент по измерению электромагнитного формфактора протона с помощью процесса рр е*е~. Измерения привели к неожиданно резкому падению формфактора протона в окрестности рр порога, которое сильно отличается от предсказаний модели векторной доминантности. Такое поведение протонного формфактора может быть связано с наличием около порога связанного рр состояния. Используя результаты главы 1, мы показываем, что найденные н ней параметры объясняют и поведение электромагнитного формфактора прогона. Изучена модельная зависимость вывода о наличии бариониума. Сделаны предсказания относительно влияния бариониума на поляризацию в процессе рр е+е~ .

В главе III показано, что вышеупомянутые эксперименты на LEAR и данные по изучению реакции е* еГ -" адроны, выполненные в эксперименте FENICE на установке ADONE согласуются между собой.

В заключении подведены итоги по исследованию наличия квазиядерного связанного состояния в системе рр и обсуждается возможный эксперимент по его обнаружению.

Заключение

Подиедсм итоги выполненного исследования. Во Введении была коротко изложена история поиска бариоииумов в период до создания установки LEAR. Приведена схема одной из первых установок по поиску бариоииумов в опытах с дейтонами. Запуск установки LEAR позволил получать пучки антипротонов высокой интенсивности в широком интервале импульсов до 1,5 ГэВ/е. С их помощью было изучено монохроматическое излучение /-квантов, заряженных пионов, которые не привели к открытию бариоииумов. Однако исследования па LEAR дали и неожиданные результаты. Изучение упругого рр рассеяния привело к необычному поведению амплитуды рассеяния па нулевой угол.

В первой главе приводится схема экспериментальной установки, на которой были изучены упругое рассеяние и аннигиляционные процессы. Описана процедура, с помощью которой получена амплитуда упругого рр

Re 7' рассеяния вперед, а точнее полное сечение и р = '''' im7' • Эти Ла1ШЬ, с были проанализированы с помощью предложенной нами аналитической модели, справедливой в окрестности порога упругого рр рассеяния, определяемой импульсами 1>|аь<750 МэВ/с. Ныло показано, что их можно описать в виде суммы плавно меняющейся с импульсом фона от S, Р и D вол и и быстро меняющегося вклада от барионнума с малой энергией связи и малой шириной. Даны оценки энергии связи бариоииума ДEh и ширины Г: А/Г, ~ Г — 10 МэВ.

Во второй главе объяснен результат эксперимента PS170 па установке LEAR по измерению электромагнитного формфактора протона вблизи рр порога. Формфактор протона представлен в виде суммы медленно меняющегося в зависимости от передачи импульса фона, обусловленного р, со и ср мезонами, и быстро меняющегося вклада от бариониума. Показана слабая зависимость окончательного результата от фона. На основе предложенной модели формфактора протона вычислена интегральная асимметрия процесса рр^ее при поляризованной перпендикулярно импульсу антипротона водородной м innen п. Показана сильная зависимость результатов от присутствия бариониума. Поэтому опыты с поляризованными адронамн важны для уточнения параметров бариониума. Для объяснения упругого рр рассеяния и электронпозитронной аннигиляции использовались одни и те же значения энергии связи и ширины бариониума. Механизм однофотонной аннигиляции приводит к или квантовым числам бариониума.

В третьей главе доказана непротиворечивость экспериментов по изучению рр взаимодействия вблизи порога, выполненных на установках LEAR и ADONE. IIa основе модели упругого рассеяния вперед (глава I) показано, что вклад бариониума в полное сечение и сечение аннигиляции мал, а его вклад в действительную часть амплитуды велик и объясняет наблюдаемое поведение р. Поэтому вклад бариониума в полные сечения рр аннигиляции, измеренные коллаборацией OBELIX вплоть до импульсов 37,7 МэВ/с не иаблюдастся. Ссчсиис процесса рр—> адропы аннигиляции в адроны, измеренное в эксперименте FENECE, зависит как от действительной, так и мнимой частей амплитуды и обнаруживает бариониум с массой Мх=10±-5 МэВ.

Предложена схема опыта, но обнаружению слабосвязанного «бариониума» при изучении спектроскопом протониума коллаборацией ASASUSA на установке AD по замедлению антипротонов в CERN.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю Игорю Анатольевичу Голутвину за руководство и поддержку. 'Гак же я выражаю благодарность своим соавторам за плодотворное сотрудиичество в подготовке статей, составивших основу диссертации. Доброжелательные отношение и понимание со стороны руководителя сектора Сергея Александровича Мовчана и его сотрудников очень помогло работе.