Заголовок работы: Измерение односпиновой асимметрии в инклюзивном рождении коллайдере RHIC.

Заголовок работы: Измерение односпиновой асимметрии в инклюзивном рождении
нейтральных пионов при взаимодействии поляризованных протонов при √s = 200 ГэВ на
коллайдере RHIC.
Цель работы: измерение односпиновой асимметрии в инклюзивном рождении нейтральных
мезонов в областях фрагментации поляризованного и неполяризованного протона, а также
изучение зависимости односпиновой асимметрии от переданного поперечного импульса pT
при фиксированном значении фейнмановской переменной xF при энергии в системе центра
масс √s = 200 ГэВ в реакции p↑p→π0X, сравнение полученных результатов с имеющимися
экспериментальными данными и теоретическими моделями. В работу вошли измерения,
проведенные в сеансах 2002, 2003, 2005 и 2006 годов на коллайдере поляризованных
протонов RHIC (БНЛ, США) на установке STAR, а также на 14 канале У70 на установке
ПРОЗА в ИФВЭ в 2005 году. Обработка данных и моделирование проводились в период 2002
- 2008 г.
Краткое описание эксперимента: Коллайдер RHIC в Брукхэвенской Национальной
Лаборатории - это первый коллайдер поляризованных протонов в мире, рассчитанный на
энергию протонов до 500 ГэВ в системе центра масс (в рассматриваемых сеансах он работал
при энергии 200 ГэВ). Эксперимент проводился с использованием поперечно (вертикально)
поляризованных пучков. Асимметрии формировались по потокам частиц, измеренных
симметричными относительно вертикали детекторами. Частицы метились по направлению
поляризации одного пучка и суммировались по поляризации второго пучка - таким образом
формировались односпиновые наблюдаемые. Положительная величина xF соответствует
учету поляризации пучка, направленного в сторону детекторов, а отрицательная
соответствует учету пучка, направленного от детекторов. Средняя поляризация протонов в
пучках RHIC составила по сеансам: 2002 - 15%, 2003 - 30%, 2005 - 50% и 2006 - 55%.
Соответственно накопленная интегральная светимость составила: 2002 - 0.15 пбарн-1, 2003 0.9 пбарн-1, 2005 - 0.1 пбарн-1, 2006 - 6.8 пбарн-1. Нейтральные пионы регистрировались так
называемым Передним Пионным Детектором (ППД). ППД представлял из себя набор
калориметров из свинцового стекла (кроме сеанса 2002 года, где основным детектором был
калориметр семплингово типа, а матрицы из свинцового стекла использовались для оценки
систематики). ППД делился на две части - по направлениям обоих пучков. В каждой части
матрицы из свинцовых стекол ставились на расстоянии ~7.5 метров от точки взаимодействия
симметрично слева и справа от пучка. Также имелись модули, расположенные сверху и снизу
от пучка для оценки систематических ошибок. Пионы восстанавливались по реакции распада
на пару гамма-квантов, с учетом известной формы электромагнитных ливней в стекле
калориметра.
Результаты:
1. Впервые наблюдены спиновые эффекты на коллайдере поляризованных протонов при
энергии в системе центра масс √s = 200 ГэВ, которая, как минимум, на порядок
превосходит энергии всех предшествующих измерений в экспериментах с
фиксированной мишенью.
2. Впервые измерена односпиновая асимметрия π0-мезонов (AN) в реакции p↑p→π0X в
области фрагментации поляризованного пучка при √s = 200 ГэВ, xF = 0.2-0.8, pT = 1.02.4 ГэВ/c. AN сравнима с нулем при xF < 0.3, она становится положительной и растет с
xF , достигая значения ~ 20% при xF > 0.3
3. Измеренная асимметрия совместима в пределах ошибок с измерениями
экспериментов E704 (√s = 20 ГэВ) и ПРОЗА-М (√s = 10 ГэВ) в той же
кинематической области. Тем самым в эксперименте на коллайдере установлено, что в
пределах ошибок измерения асимметрия не зависит от энергии взаимодействующих
протонов
4. Инклюзивное рождение π0-мезона в области фрагментации поляризованного протона
может служить новой реакцией для поляриметрии с установленной экспериментально
анализирующей способностью ~ 15%. Калориметры ППД можно использовать в
качестве локального поляриметра эксперимента STAR. Также потенциальной
возможностью является использование ППД в качестве поляриметра с
анализирующей способностью инклюзивного образования γ-квантов.
5. Впервые измерена односпиновая асимметрия π0-мезонов в реакции p↑p→π0X в области
фрагментации неполяризованного пучка (-0.8 < xF < -0.2, pT = 0.9 - 2.2 ГэВ/c).
Эксперимент проведен при рекордной энергии в системе центра масс √s = 200 ГэВ. AN
сравнима с нулем во всем диапазоне по xF .
6. Измерения в области фрагментации поляризованного протона в сеансах 2003, 2005 и
2006 годов подтвердили существование ненулевой асимметрии, обнаруженной в
эксперименте STAR в сеансе 2002 года на калориметре ППД другой конструкции. При
xF < 0.3 асимметрия совместима с нулем, при xF > 0.3 AN растет и достигает значений
10%.
7. Модели на основе теоремы факторизации КХД хорошо описывают полученные
экспериментальные данные в области фрагментации поляризованного протона.
Вероятнее всего наличие асимметрии объясняется совокупностью эффектов,
вытекающих из данных моделей. При этом, вклад механизма Коллинза значительно
подавлен по сравнению с вкладами других механизмов. Модель хромо-магнитных
струн удовлетворительно описывает данные. Предсказания киральной кварковой
модели для U-матрицы не противоречат полученным результатам.
8. В области фрагментации неполяризованного протона существующие теоретические
модели хорошо описывают полученные данные.
9. Впервые измерена зависимость односпиновой асимметрии от поперечного импульса
pT при фиксированном xF при √s = 200 ГэВ в области xF = 0.3 - 0.6, pT = 1.2 - 4.0
ГэВ/c. Видна явная тенденция к росту AN с pT и не наблюдается сколько нибудь
значительного падения AN с ростом pT, что противоречит расчетам в рамках
существующих теоретических моделей.
10. На электронных пучках ИФВЭ проведены измерения формы электромагнитного ливня
в калориметре из свинцового стекла при наличии существенного вещества (~ 4
радиационные длины) перед детектором.
11. Разработана программа моделирования развития ливня в калориметре из свинцового
стекла. Для корректной трассировки черенковского света учтены оптические свойства
элементов детектора (стекло, катод фотоумножителя, обертка из майлара). В
программу внесены полные геометрии установок ППД и ПРОЗА-М. Формы ливня,
полученные моделированием, совпали с таковыми, измеренными экспериментально.
Анализ результатов, полученных с помощью данной программы, позволил: свести к
минимуму зависимость энергетической шкалы калориметров ППД от регистрируемой
энергии; откалибровать ППД с точностью лучше 2%; иметь форму электромагнитного
ливня с веществом перед калориметром в широком диапазоне энергий фотона или
электрона, попавшего в калориметр из свинцового стекла, не прибегая к
дополнительным методическим исследованиям; разделять близко расположенные
электромагнитные ливни и подавлять адронный фон более эффективно; оценить
поперечные утечки энергии за пределы детектора.
Моя роль в выполнении работы: Я активно участвовал в описанной работе на всех ее этапах,
включая полное моделирование эксперимента, механическую сборку счетчиков и модулей
калориметра в целом, подбор напряжений ФЭУ, калибровку счетчиков, сбор данных (участие
в сменах на RHIC), обработку и анализ экспериментальных данных, доклады полученных
результатов на международных конференциях от имени коллаборации STAR. Более того,
мною предложен методический эксперимент на электронных пучках ИФВЭ по измерению
формы электромагнитного ливня в свинцовом стекле при наличие существенного вещества
перед детектором, что позволило свести к минимуму зависимость энергетической шкалы
детекторов от регистрируемой энергии и откалибровать их с большой точностью. Данные
методического эксперимента были обработаны мною и опубликованы. По данным сеансов
2002 и 2003 годов, мною была защищена кандидатская диссертация в конце 2006 года.
Список публикаций, легших в основу работы (с указанием прикрепленных файлов в архиве):
1. Phys_rev_lett_2004.pdf - J. Adams et al.: Cross Sections and Transverse Single-Spin
Asymmetries in Forward Neutral-Pion Production from Proton Collisions at √s = 200
GeV. Phys. Rev. Lett. 92, 171801 (2004).
2. E704.pdf - Yu.V. Kharlov, D.A. Morozov, S.B. Nurushev and A.N. Vasiliev: Single-spin
asymmetry of inclusive γ-production in p↑p interactions at 200 GeV/c. ЯФ 67, 1344
(2004).
3. Eur_phys_c_2005.pdf - F. Bieser et al.: Future of low-x forward physics at RHIC. Eur.
Phys. J. C 43, 427 (2005).
4. Moriond_2005.pdf - D.A. Morozov (for the STAR Collaboration): Spin Effects in Forward
π0-Production in Polarized Proton-Proton Collisions at STAR. Proceedings of the
XXXXth Rencontres de Moriond - "QCD and Hadronic Interactions", La Thiule, Italy,
March 12-19, 2005, The Gioi Publishers (2005), page 251.
5. Spin_2005.pdf - D.A. Morozov (for the STAR Collaboration): Spin effects in large
rapidity π0 production at STAR. Proceedings of the XI Workshop on High Energy Spin
Physics, Dubna, Russia, September 27 - October 1, (2005).
6. Autoreferat.pdf - Д.А. Морозов: Измерение Односпиновой Асимметрии
Инклюзивного Образования π0 -Мезонов в p↑p Взаимодействиях при √s = 200
ГэВ. Автореферат ИФВЭ 2006-8 (2006).
7. PTE_2008.pdf - L.C. Bland, Y.A. Matulenko, V.V. Mochalov, D.A. Morozov, L.V. Nogach,
A. Ogawa, G. Rakness, K.E. Shestermanov, A.N. Vasiliev: An Electromagnetic Shower
Profile in the Lead-Glass Calorimeter in the Energy Range of 3 -23 GeV. Instrum. Exp.
Tech. 51, 342-350 (2008).
8. Phys_rev_lett_2008.pdf - B.I. Abelev et al.: Forward Neutral Pion Transverse Single
Spin Asymmetries in p+p Collisions at √s = 200 GeV. Phys. Rev. Lett. 101, 222001
(2008).