Нурушев Введение в поляризационную 2007

энергии уже при s ≈ 20 ГэВ. Однако анализ энергетического поведения дифференциального сечения показывает, что это не так. Дифференциальное сечение при s ≈ 20 ГэВ не описывается пертурбативной КХД в измеренной области кинематических переменных. В то же время оно описывается ПКХД при энергии s ≈ 200 ГэВ. Если это справедливо, то мы

за всю историю исследования односпиновой асимметрии впервые выходим на прямую проверку ПКХД. Вывод напрашивается неутешительный: ПКХД предсказывала нулевой эффект асимметрии, а эксперимент показывает ненулевой эффект. Мы вернемся к этой проблеме после обзора также и других результатов по односпиновой асимметрии, полученных на

RHIC.

Отметим еще один факт, следующий из рис. 3. Если изучать левоправую асимметрию в области фрагментации неполяризованного пучка (xF < 0 на рис. 3), то видно, что асимметрия равна нулю. Этого надо было ожидать из тех общих соображений, что неполяризованный протон – это то же самое, что бесспиновая частица. А такая частица при распаде (фрагментации) не может привести к азимутальной асимметрии. Чтобы убедиться в этом, достаточно перейти в систему покоя этой частицы и написать угловое распределение продуктов ее распада – оно будет изотропным.

§61.2. Поляризационная установка PHENIX

Другая крупная установка на RHIC – PHENIX [Bruner (2002)], представлена на рис. 4. Подробное описание установки содержится в статье [Adcox (2003)]. Она построена на основе дипольного магнита, поле которого направлено вдоль пучка.

Всостав установки PHENIX входят следующие детекторы.

Вцентральном плече используются дрейфовые и пропорциональные камеры, RICH (Radiation Image CHerenkov, черенковские детекторы с реконструкцией изображения) –детекторы для идентификации заряженных частиц, электромагнитные калориметры на базе свинцовых стекол, сэндвичей и сцинтилляторов. Эти детекторы обеспечивают регистрацию и идентификацию заряженных и нейтральных (распадающихся на фотоны и

электроны) частиц в интервале псевдобыстрот |η| = 0,35 и азимута

∆φ = 180°. В северном и южном направлениях установлены два мюонных спектрометра с полной системой идентификации мюона. Мюонный де-

тектор покрывает область псевдобыстрот 1,2 < |η|< 2,4 и ∆φ = 360°. Имеются еще вершинный детектор и BBC.

481

Рис. 4. Поляризационная установка PHENIX на RHIC

В сеансе 2002-2003 гг. RHIC работал с 55 банчами, в каждом из которых содержались 5 1010 протонов. Длительность банча составляла 1нс, а расстояние между банчами – 213 нс. Поляризация протонов каждого банча задавалась источником и метилась таймером RHICа. В одном кольце задавалась последовательность банчей с чередующейся поляризацией (+–, +– и т.д.), а в другом кольце последовательность банчей шла парами (++,

– –, ++, – – и т.д.). Можно видеть, что при такой комбинации поляризаций сталкивающихся протонов перебираются все четыре комбинации поляризации, а именно, ++,–+,+– и – –. Это равносильно реверсу поляризации пучка каждые 213 нс – рекордная частота! Это сводит к минимому многие систематические ошибки. Выбранная комбинация поляризации банчей позволяет из одних и тех же измерений определять не только двухспиновые, но и односпиновые асимметрии, так же как и ложные асимметрии. В этом еще одно преимущество поляризованного коллайдера.

Результаты измерений поперечной односпиновой асимметрии для нейтральных и заряженных адронов в зависимости от переданного импульса представлены на рис. 5.

Статистика для анализа заряженных адронов составила 1,3 107 событий, накопленных при минимально смещенном триггере. Аналогично ста-

тистика для π0-мезонов составила 1,8 107 событий.

Наибольшую неопределенность в измеренную асимметрию дает неточное знание поляризации пучка при энергии 100 ГэВ. Поляризация пуч-

482

ка при этой энергии непосредственно не измерялась. Были выполнены измерения поляризации пучка при энергии инжекции 22 ГэВ. Измерения при этой энергии производились pC-поляриметром на КЯИ [Jinnouchi (2003a), Jinnouchi (2003b)]. Анализирующая способность этого поляриметра была определена в работе [Tojo (2002)]. Поляриметр дал результат с невысокой точностью, 27 % с относительной ошибкой ±30 %. Эта поляризация приписывалась и для энергии пучка 100 ГэВ в предположении, что при ускорении в RHIC поляризованных протонов от 22 ГэВ до 100 ГэВ деполяризация не происходит. Эта неопределенность не учтена в положении точек на рис. 5.

Рис. 5. Результаты с установки PHENIX по измерению поперечной односпиновой асимметрии в центральной области для заряженных адронов и нейтрального пио-

на, s = 200 ГэВ; не включена погрешность определения поляризации (~30 %)

Основной вывод из этих измерений состоит в том, что все измеренные в центральной области инклюзивные односпиновые асимметрии равны нулю. Авторы утверждают, что этот вывод согласуется с предсказаниями ПКХД в измеренной кинематической области. Следует отметить, что такой же нулевой результат был получен за 10 лет до этих измерений в эксперименте Е704 (Фермилаб).

Следующий результат, впервые полученный на RHIC и очень интересный – это измерение двухспиновой асимметрии ALL в инклюзивном обра-

зовании π0-мезонов в столкновениях двух продольно-полризованных протонов. Измерения были также выполнены в центральной области.

Параметр ALL можно измерить только с продольно-поляризованными пучками, а в RHIC устойчивым направлением поляризации является вер-

483

тикальное направление, параллельное основному магнитному полю кольца. Следовательно, нужны устройства, преобразующие вертикальную поляризацию в продольную. Такие устройства, называемые спиновыми ротаторами, предусмотрены для каждого пучка по паре. Почему по паре на пучок? Потому, что один ротатор поворачивает поляризацию в продольное положение перед соударением, а другой ротатор возвращает поляризацию после соударения в вертикальное положение, а именно, перпендикулярное к плоскости орбиты пучка.

Разумеется, необходимо убедиться в правильной работе ротаторов. Для этого нужен локальный поляриметр. В этом смысле надо считать огромным везением то открытие, которое было сделано физиками при попытке измерить анализирующую способность нейтральных частиц, летящих в узком угловом конусе вперед [Bazilevsky (2003)]. При этом открытие было сделано с помощью детектора ZDC (Zero Degree Calorimeter, калориметр под нулевым углом) [Adler (2001)]. Этот детектор предназначен для измерения энергии и угла вылета нейтронов. Он расположен на расстоянии 18 м от точки взаимодействия встречных пучков и имеет

очень узкий угловой аксептанс 0,3 < θn < 2,5 мрад. В специальных измерениях с поперечно-поляризованными пучками была обнаружена заметная анализирующая способность у инклюзивно образованных нейтронов. В интервале xF = 0,3 – 0,8 нейтронная асимметрия составляла 10 – 15 % и слабо зависела от xF. Именно этот детектор был использован как локальный относительный поляриметр для настройки спиновых ротаторов. Этот поляриметр должен показывать нулевые поперечные асимметрии (в перпендикулярной к пучку плоскости), если спиновые ротаторы включены и поляризация стала продольной. Если выключить спин-ротатор, то должна появиться поперечная асимметрия. Количественные измерения показали, что все происходит так, как ожидается.

Первый триггер на соударения протонов вырабатывается счетчиками BBC, размещенными с обеих сторон точки взаимодействия пучков (ТВ) на расстоянии ± 1,44 м от ТВ. Эти счетчики охватывают область псевдобыстрот ± (3,0 – 3,9) при полном азимутальном покрытии. Они регистрируют приблизительно половину всех взаимодействий. Хорошее временное разрешение этих счетчиков позволяет восстановить вершину события с точностью 2 см при области взаимодействия около 30 см. Светимость банчей контролировалась счетчиками BBC и ZDC независимо, так что была достигнута точность в отношении светимостей от банча к банчу на уровне 2,5 10-4. Это привело к неточности в относительной ошибке двух-

спиновой асимметрии на уровне δALL = 1,8 10–3. Отношение светимостей для отобранных событий находилось в пределах ± 0,5 % от единицы. Для

484

реконструкции π0-мезонов применялся алгоритм, разработанный сотрудничеством.

Результаты измерений ALL представлены на рис. 6.

Главный вывод состоит в том, что величина ALL(π0) совместима с нулем во всем измеренном интервале по pT. Рис. 6 позволяет заключить, что эксперимент ближе к гипотезе о слабой поляризации глюонов, чем к гипотезе о сильной поляризации. Такой вывод был сделан задолго до этих результатов коллаборацией Е704.

Рис. 6. Результат измерения на PHENIX двухспиральной асимметрии ALL(π0) в инклюзивном образовании π0-мезонов в столкновениях двух продольно-

поляризованных протонов при энергии s = 200 ГэВ; измерения выполнены в

центральной области; ошибка в нормировке поляризации пучков в 65 % не включена в показанные на графике ошибки; кривая на рисунке – результат теоретического расчета в следующем приближении к главному члену в разложении в ПКХД

§61.3. Поляризационный эксперимент pp2pp на RHIC

Известно, что преимущества в создании антипротон-протонного коллайдера перед протон-протонными коллайдерами привели к тому, что

упругое pp-рассеяние изучено вплоть до энергии 1,8 ТэВ, в то время как исследование pp-рассеяния остановилось на энергии s = 63 ГэВ, после

485

завершения программы ISR. В связи со строительством RHIC была предложена программа исследования упругого pp-рассеяния в области энер-

гии s = 50 – 500 ГэВ [Guryn (1995)]. В дальнейшем в предложение были

включены и исследования поляризационных эффектов. Схема установки представлена на рис. 7.

Идея эксперимента, впервые предложенная и реализованная на ISR, состоит в том, что используется магнитная структура ускорителя. Миниатюрные детекторы с высоким пространственным и временным разрешением монтируются в специальном устройстве, называемом “римским горшком”. В каждом из двух колец RHICа, названных по окраске колец голубым и желтым, установлено по паре таких римских горшков. На рис. 7 они обозначены как RPY1, RPY2 (в желтом кольце) и RPB1, RPB2 (в голубом кольце). Место размещения этих детекторов от ТВ (точки взаимодействия) вдоль пучка выбирается таким образом, чтобы рассеянная частица отошла от оси пучка минимум на пять размеров пучка (5 σ). При этом амплитудная функция в месте расположения детекторов должна быть по возможности минимальной. В этом случае и размер пучка окажется минимальным. Параметры пучковой транспортной матрицы выбираются таким образом, что происходит однозначное преобразование угла рассеяния в регистрируемую координату частицы. Поэтому, определяя коодинату частицы, можно однозначно определить и угол рассеяния частицы.

Рис. 7. Поляризационная установка pp2pp на RHIC

486

В каждом “римском горшке” размещаются четыре координатные плоскости кремниевых стриповых детекторов. Такое переопределение необходимо как минимум по двум причинам. Во-первых, для увеличения эффективности детектора, во-вторых, для измерения эффективности каждой плоскости. Переопределение необходимо и для идентификации упругого рассеяния по множественности.

Каждая плоскость имеет стрипы шириной 70 мкм и зазор между стрипами в 30 мкм. Как установлено методическими исследованиями, 70 % событий упругого рассеяния регистрируются стрипами и остальные события – несколькими соседними стрипами [Alekseev (2004)].

Отбор упругих событий сопровождался требованиями коллинеарности событий упругого рассеяния. Высокое пространственное и временное разрешение детекторов позволили значительно подавить фон неупругих событий.

Подробное описание установки содержится в статье [Bültmann (2004)]. Первый результат по измерению поляризации в упругом pp-рассеянии на коллайдере RHIC показан на рис. 8. Измерения были выполнены в ин-

тервале по |t| = 0,01 – 0,03 (ГэВ/с)2.

Рис. 8. Результат эксперимента pp2pp по измерению асимметрии в упругом pp-рассеянии при энергии в с.ц.м. s = 200 ГэВ в зависимости от t

487

Рис. 8 показывает, во-первых, что асимметрия уменьшается с ростом |t|, как предсказывает теория. Во-вторых, показанная на рисунке теоретическая кривая, в которой вклад в ядерную амплитуду спин-флипа считается пренебрежимо малым, идет систематически ниже экспериментальных данных. Конечно, точности эксперимента должны быть заметно улучшены, прежде чем настаивать на таком заключении.

§61.4. Поляризация в упругом pp- и pC-рассеяниях на RHIC в режиме фиксированной мишени

Еще два важных результата по поляризации были получены на поляриметрах. В обоих случаях измерялась поляризация в области кулонядерной интерференции (КЯИ). В первом случае речь идет об эсперименте с использованием новой поляризованной струйной мишени с регистрацией протонов отдачи. Во втором случае измерения велись на углеродной мишени. Обе эти установки были описаны во второй части книги, в разделе “Поляриметрия протонных пучков” (§49). Сейчас вкратце обсудим физические результаты. На рис. 9 показана измеренная с небывалой статистической точностью анализирующая способность упругого pp-

рассеяния при s = 200 ГэВ в области КЯИ [Okada (2004)].

Рис. 9. Анализирующие способности реакций упругого pp- (слева) и pC- (справа) рассеяний при рс = 100 ГэВ в области КЯИ

Левый рисунок показывает, что впервые поляризация измерена в ожидавшемся пике распределения. Точность измерения уже ограничивается систематикой. Сплошная кривая представляет теоретическое предсказание без учета спин-флипа. Заключение состоит в том, что экспериментальные данные находятся в превосходном согласии с предсказанием теории. Если теперь показать, что теория также правильно предсказывает и энергетическую зависимость поляризации, то можно считать, что мы имеем надежный абсолютный поляриметр для любой энергии протонов.

488

Правый рисунок относится к рассеянию протонов на углероде [Jinnouchi (2004)]. Здесь в силу кинематики в принципе невозможно достичь в измерениях области пика поляризации. Тем не менее видно, что и здесь поляризация убывает с ростом –t. Заштрихованная полоса представляет вклад систематических ошибок.

Неожиданным является тот факт, что в отличие от pp-рассеяния теоретическая кривая без учета спин-флипа идет гораздо выше экспериментальных данных. Этот факт не нашел пока адекватного объяснения и потому заслуживает дальнейшего изучения.

Список литературы

Ackermann K.H. et al. Nucl. Instr. Meth. A499 (2003) 624. Adams D.L. et al. Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 171801. Adcox K. et al. Nucl. Instr. Meth. A499 (2003) 469.

Adler C. et al. Nucl. Instr. Meth. A470 (2001) 488.

Alekseev I.G. In: Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 511.

Bazilevsky A. et al., 15th Int. Spin Physics Symp., AIP Conf. Proc. 675 (2003) 584.

Bültmann S.L. et al. Nucl. Instr. Meth. A535 (2004) 415. “Desugn Manual: Polarized proton collider at RHIC”, (1998).

Guryn W. еt al. Proposal Experiment to measure the total and elastic pp- cross-section at RHIC. Updated version (1995).

Jinnouchi O. et al. 15th Int. Spin Physics Symp., AIP Conf. Proc. 675, (2003a) 817.

Jinnouchi O. et al. 10th Workshop on High Energy Spin Physics, Dubna, Russia, (2003b) 311.

Jinnouchi O. et al. In Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 515.

Ogawa A. In: Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 337. Okada H. et al. In: Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004)

507.

Tojo J. et al. Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 052302.

Bruner N. For the PHENIX Collaboration, Proc. 15th Int. Spin Physics Symp., Upton, New York, USA (2002) 375.

489

Глава 5. Результаты экспериментов на фиксированных мишенях

§62. Поляризация в упругом рассеянии адронов

Одним из важных, но пока очень слабо развитых, является направление сравнительного изучения поляризационных явлений во взаимодействии частиц и античастиц. Известно, что в случае взаимодействия неполяризованных адронов существует гипотеза Померанчука, утверждающая, что полные сечения взаимодействия частиц и античастиц должны быть равны в асимптотике [Померанчук (1958)]. Экспериментальная проверка этой гипотезы выполнена до энергии 63 ГэВ в с.ц.м. на ISR. Пока асимптотика в смысле применимости гипотезы не достигнута. Вообще отсутствует экспериментальная проверка этой гипотезы в случае взаимодействия поляризованных частиц и античастиц. В §25 мы отмечали гипотезу

[Логунов (1962)], а также Намбу [Nambu (1961)] о γ5-инвариантности сильного взаимодействия в асимптотике. Есть также ряд теоретических работ (см. §26), предсказывающих определенные асимптотические соотношения между поляризационными параметрами в перекрестных каналах реакций. К сожалению, они не подвергались до сих пор детальному экспериментальному тесту. В какой-то мере исключение составляет одна экспериментальная работа по изучению поляризации частиц и античастиц в упругом рассеянии. О ней мы вкратце расскажем ниже [Nurushev (1990)].

В течение 1972 – 76 гг. физики ИФВЭ, ОИЯИ, ИТЭФ совместно с физиками из Сакле подготовили и провели эксперименты по измерению угловой зависимости поляризации Р и параметра поворота спина R в упру-

гом рассеянии π± -, К± -мезонов, протонов и антипротонов на поляризованной протонной мишени при импульсе вблизи 40 ГэВ/с на ускорителе У-70 ИФВЭ. Схема экспериментальной установки, названной HERA (High Energy Reaction Analysis), показана на рис. 1.

Некоторые особенности этой установки перечисляются ниже: пучковая аппаратура регистрирует и идентифицирует все три сорта

адронов в пучке; совместное измерение поляризации в вертикальной плоскости (годо-

скопы Г5-Г8; Г7 и Г8 не видны на рисунке, так как находятся под мишенью) и параметра поворота спина в горизонтальной плоскости (годоскопы Г9-Г13);

использование поляризованной мишени с более высоким содержанием водорода (пропандиол, длина мишени 8,5 см, диаметр 2 см, поляризация 80 %), чем в предыдущих ЛМН-мишенях;

490