Поиск криптоэкзотического члена антидекуплета пентакварков (Предложение ИТЭФ-ПИЯФ) И.Г. Алексеев, В.П. Канавец, Б.В. Морозов, В.В. Рыльцов, Д.Н. Свирида. - презентация

1 Поиск криптоэкзотического члена антидекуплета пентакварков (Предложение ИТЭФ-ПИЯФ) И.Г. Алексеев, В.П. Канавец, Б.В. Морозов, В.В. Рыльцов, Д.Н. Свирида ПЕРВАЯ ЧАСТЬ (В.П. Канавец) Обоснование информации о Определение квантовых чисел эксперименты formation типа чувствительность к ВТОРАЯ ЧАСТЬ (Д.Н. Свирида) Постановка экспериментов (Предложение ИТЭФ-ПИЯФ) И.Г. Алексеев, В.П. Канавец, Б.В. Морозов, В.В. Рыльцов, Д.Н. Свирида ПЕРВАЯ ЧАСТЬ (В.П. Канавец) Обоснование информации о Определение квантовых чисел эксперименты formation типа чувствительность к ВТОРАЯ ЧАСТЬ (Д.Н. Свирида) Постановка экспериментов

2 В.П. Канавец, Д. Свирида 2 Открытие + Знаменательное событие последних лет в физике элементарных частиц - наблюдение экзотического бариона с положительной странностью + В кварковых моделях этот барион должен состоять минимум из 5 кварков - пентакварк. Особенность: масса 1540 МэВ и узкая ширина

3 В.П. Канавец, Д. Свирида 3 Свойства + Что такое +, каковы квантовые числа? Наиболее популярная модель: принадлежность к экзотическому пентакварковому антидекуплету со спин/четностью 1/2 + Подтверждена наблюдением - (1860) и 0 (1860) Таблица данных о + и (1860) Нужно найти недостающие члены этого декуплета. Поиск (1650) это и есть цель нашего предложения. Что такое +, каковы квантовые числа? Наиболее популярная модель: принадлежность к экзотическому пентакварковому антидекуплету со спин/четностью 1/2 + Подтверждена наблюдением - (1860) и 0 (1860) Таблица данных о + и (1860) Нужно найти недостающие члены этого декуплета. Поиск (1650) это и есть цель нашего предложения.

4 В.П. Канавец, Д. Свирида 4 Сведения о Парциально-волновой анализ упругого - p - p рассеяния. Группа GWU - Arndt et al. В P 11 -волну вносился резонанс с варьируемыми m, Г, Г el. Сравнивалось 2 описания данных с учетом и без учета резонанса. В двух областях вблизи 1690 и вблизи 1730 МэВ обнаружено уменьшение 2 при включении резонанса Г el

5 В.П. Канавец, Д. Свирида 5 Наше предложение Очевидный недостаток этих экспериментальных данных – отсутствие информации о квантовых числах резонанса (например, странность равна 0 или -2) Мы предлагаем искать в экспериментах «FORMATION» типа, т.е. В прямом канале реакций: - p - p и - p K S 0. Тогда странность равна 0, а квантовые числа обнаруженной нерегулярности могут быть найдены стандартными средствами ПВА анализа. Масса резонанса и разрешение по массе определяются величиной начального импульса и его разбросом. Область поисков необходимо ограничить с самого начала Квантовые числа 1/2 + или 3/2 + Диапазон масс МэВ Ширина Г

6 В.П. Канавец, Д. Свирида 6 Немного формализма Разложение амплитуды упругого рассеяния по парциальным волнам: l - фаза l-волны, l - упругость l-волны. Парциальная амплитуда: вблизи резонанса можно записать f l (E)=f l B +f l r (E), где f l B слабо зависит от энергии. Парциальное сечение l =4 (2l+1)|f l B +f l r | 2 BW-резонанс: Разложение амплитуды упругого рассеяния по парциальным волнам: l - фаза l-волны, l - упругость l-волны. Парциальная амплитуда: вблизи резонанса можно записать f l (E)=f l B +f l r (E), где f l B слабо зависит от энергии. Парциальное сечение l =4 (2l+1)|f l B +f l r | 2 BW-резонанс: Упругое - упругость Упругое - упругость Реакция p K - бренчинг Реакция p K - бренчинг

7 В.П. Канавец, Д. Свирида 7 Дж. Тейлор. Теория рассеяния Что будет наблюдаться в упругом сечении и сечении реакции? Не обязательно пик - могут быть нерегулярности другого типа.

8 В.П. Канавец, Д. Свирида 8 Чувствительность Вклад резонанса в P 11 -волне в сечение в его максимуме при m r =1.7 ГэВ/c Упругое X=0.05 el r =0.12 mb, el 10 mb el r / el =1.2% чувствительность очень мала Реакция (k=0.56 ГэВ/c, k K =0.2 ГэВ/c) X=0.01, BR=0.1 K r =0.13 mb, K =0.9 mb K r / K =15% превосходная чувствительность Измерение полного сечения реакции хороший способ. Измерение полного упругого сечения плохой способ. Следовательно, в упругом рассеянии надо измерять дифференциальное сечение. В этом случае резонансный эффект будет определяться интерференцией P 11 - амплитуды со всеми другими участвующими волнами, т.е. зависеть от X, а не от X 2. Можно выбрать такие угловые интервалы, где чувствительность к P 11 -волне велика. Существующие ПВА позволяют получить оценку чувствительности. В избранном нами угловом интервале резонанс будет проявляться как

9 В.П. Канавец, Д. Свирида 9 Ожидаемые результаты Надежно перекрываемый интервал параметров резонанса: Перекрываем ожидаемые экспериментально и теоретически параметры. Надежно перекрываемый интервал параметров резонанса: Перекрываем ожидаемые экспериментально и теоретически параметры. Важное замечание Отбор событий в планируемой установке основан на использовании угловых корреляций и геометрии событий. Поэтому предельно важно иметь минимальное многократное рассеяние на пути всех участвующих частиц легкие камеры из материалов с большой радиационной длиной – залог успеха эксперимента. Важное замечание Отбор событий в планируемой установке основан на использовании угловых корреляций и геометрии событий. Поэтому предельно важно иметь минимальное многократное рассеяние на пути всех участвующих частиц легкие камеры из материалов с большой радиационной длиной – залог успеха эксперимента.

10 В.П. Канавец, Д. Свирида 10 Проект ЭПЕКУР (и Р) Эксперимент по поиску ПЕнтаКварка в Упругом Рассеянии (и Реакции – p K S 0 ) Если бы исчезающее погибало, [переходя] в несуществующее, то все вещи были бы уже погибшими… Эпикур ( до н.э.), из «Письма к Геродоту» Ложь и ошибка всегда лежат в прибавлениях, делаемых мыслью [к чувственному восприятию] относительно того, [что ожидает] подтверждения или неопровержения, но что потом не подтверждается [или опровергается]. Там же, (Прим. ред.) Куй железо не отходя от кассы М. Слободской, Я. Костюковский, Л. Гайдай, «Бриллиантовая рука» Эксперимент по поиску ПЕнтаКварка в Упругом Рассеянии (и Реакции – p K S 0 ) Если бы исчезающее погибало, [переходя] в несуществующее, то все вещи были бы уже погибшими… Эпикур ( до н.э.), из «Письма к Геродоту» Ложь и ошибка всегда лежат в прибавлениях, делаемых мыслью [к чувственному восприятию] относительно того, [что ожидает] подтверждения или неопровержения, но что потом не подтверждается [или опровергается]. Там же, (Прим. ред.) Куй железо не отходя от кассы М. Слободской, Я. Костюковский, Л. Гайдай, «Бриллиантовая рука»

11 В.П. Канавец, Д. Свирида 11 Чувствительность в упругом канале Парциальная амплитуда : В предположении Изменение упругости в резонансе : Изменение фазы в резонансе : Парциальная амплитуда : В предположении Изменение упругости в резонансе : Изменение фазы в резонансе : 2 2 Re f l Im f l Диаграмма Аргана для амплитуды f l

12 В.П. Канавец, Д. Свирида 12 Чувствительность в упругом канале Чувствительность дифференциального сечения к (P 11 ) 1.5, т.е. при Г EL /Г 5% изменение сечения составит 7--15% Чувствительность к (P 11 ) 0.2, т.е. каким бы ни было изменение фазы в резонансе, его влияние на сечение мало

13 В.П. Канавец, Д. Свирида 13 Экспериментальные условия Дифференциальное сечение – p – p 0.2 мБ/ср Величина сечения, на которую производился расчет статистики мБ/ср Зависимость сечения от импульса плавная по сравнению с размером ожидаемой структуры в несколько МэВ/с

14 В.П. Канавец, Д. Свирида 14 Ожидаемый эффект Дифференциальное сечение – p – p Существующие экспериментальные данные не позволяют выделить узкую структуру Предлагается измерить со статистической точностью 0.5% и шагом по массе 0.5 МэВ в диапазоне углов о с.ц.м. и в диапазоне импульсов МэВ/с (M R = МэВ) При фиксированной настройке импульса пучка можно охватить интервал шириной 20 МэВ по массе, затем смещать импульс шагами по 10 МэВ 0.2 мБ/ср 6

15 В.П. Канавец, Д. Свирида 15 Экспериментальная установка Пионный пучок ускорителя У-10 ИТЭФ с большим углом поворота (321, 313 или 211), нитевая или сепараторная мишень в кольце «Импульсный» годоскоп H1 в первом фокусе пучка, разрешение по импульсу пучка 0.1%, полная ширина 2% Жидководородная мишень толщиной 25 см (В.В.Куликов) или 16 см (ПИЯФ) Пучковые пропорциональные или дрейфовые камеры DC1, DC2 для трекинга налетающих пионов Система дрейфовых камер DC3--DC6 для регистрации рассеянных частиц Система триггерных сцинтилляционных счетчиков H2, H3 с возможностью измерения времени пролета (идентификация протона отдачи) Измерение полей поворотных магнитов с точностью лучше 0.1% (ЯМР) – p – p

16 В.П. Канавец, Д. Свирида 16 Требования к установкам Перекрытие интервала инвариантных масс МэВ с разрешением 1 МэВ Статистическая обеспеченность результата, достаточная для регистрации резонанса с упругостью 5% и относительным бранчингом 10% для K распада: Пионный пучок 200 тыс. за сброс Большой аксептанс установки (захват 1.7 ср для – p – p) Водородная мишень большой толщины Долговременная стабильность аппаратуры (с точностью 1%) Высокая приборная эффективность ( 99%) Измерение полей поворотных магнитов + TOF контроль импульса пучка Возможность внутреннего контроля результатов (crosscheck) симметричная установка, измерения в областях низкой чувствительности Надежное выделение искомой реакции и подавление фона посторонних процессов Высокая координатная точность трековых детекторов (не хуже 0.15 мм) Минимальное количество вещества на пути как первичных, так и вторичных частиц (потери энергии и многократное рассеяние) Основной элемент трековой системы -- дрейфовые камеры с проволочными потенциальными плоскостями, размер рабочей зоны 800х1200 мм 2, расстояние дрейфа 10 мм, 3 или 6 плоскостей в блоке (X-, Y- и стереоплоскость)

17 В.П. Канавец, Д. Свирида 17 Реакция – p K 0 Преимущества реакции - чрезвычайная привлекательность для поиска Чистое изотопическое состояние 1/2 Заметный порог рождения K, облегчающий изучение резонансов с небольшим спином и большой массой, высокая чувствительность сечения к резонансам Большое полное сечение ( 0.9 мБарн) в рассматриваем интервале энергий. Доля заряженной моды составляет 22% от полного сечения процесса Более низкий порог рождения K 0, чем в конкурирующем процессе c K 0 0 Высокая анализирующая способность – p, асимметрия слабого распада =0.642 можно измерять нормальную поляризацию P в том же эксперименте Специфика кинематики реакции Необходимо регистрировать 4 заряженные частицы в конечном состоянии (K 0 + –, – p). В большинстве случаев реакции протон и пион от распада вылетают в переднюю полусферу, однако углы вылета пиона могут быть большими относительно импульса падающей частицы Пионы от распада K 0 имеют длинные хвосты угловых распределений в область углов вбок и назад. Идентификация единственного протона существенно необходима для выделения реакции и подавления фона других неупругих реакций

18 В.П. Канавец, Д. Свирида 18 Установка для – p K 0 Расширение установки для поиска в упругом рассеянии. Та же пучковая часть и мишень Те же базовые трековые камеры DC1-- DC6 800x1200 мм 2 Необходимость почти «герметичной» установки для достижения «разумного» аксептанса 20-30% Внутренние камеры DC7--DC11 (500х700 мм 2 ) и широкоформатная DC12 (1400х2000 мм 2 ) Двухкоординатный триггерный и времяпролетный годоскоп H2, необходимая гранулярность 100х100 мм 2 (в центральной области 1000х1000 мм 2 ) Возможна оптимизация количества и расположения детекторов. Так, удаление DC3 и DC9 уменьшает аксептанс на 15% DC1 DC2 DC3DC4 DC7 DC8 DC9 DC12 H2 Основные типы событий: 4 частицы вперед протон и 2 пиона вперед, один пион вбок или вверх (вниз).

19 В.П. Канавец, Д. Свирида 19 Предварительное моделирование Возможна эффективная регистрация – p K 0 S при 1< cos СМ < +1 на одной и той же установке без изменения ее геометрии в исследуемом энергетическом диапазоне. Имеется существенное различие в кинематике вторичных частиц для реакций с рождением K 0 и K 0 0 и ( 0 p ), что позволяет эффективно использовать вероятностные методы оценки гипотез и разделения событий. Ограниченное пространственное и угловое распределение вторичных протонов (в направлении вперед) и их импульсный диапазон позволит эффективно отделять их от почти релятивистских пионов, используя времяпролетную методику. Протон Пион от распада Пионы от распада K 0 Угловые распределения вторичных частиц Разделение протонов и пионов по времени пролета В.В. Рыльцов, PRELIMINARY

20 В.П. Канавец, Д. Свирида 20 Время набора статистики Упругое – p – p рассеяние 2 угловых интервала в области чувствительности (всего ), 285 импульсных интервалов по 1 МэВ/с (0.56 МэВ по массе в диапазоне (1610–1770) МэВ) статистическая точность 0.5%, 10 для эффекта 5% Необходимая статистика дифференциальное сечение 0.2 мБарн/ср, телесный угол захвата установки 1.7 ср толщина мишени г/см 3 25 см = 1.78 г/см 2 интенсивность пучка с –1 ( за цикл У-10, 15 ц/мин), эффективность (ускоритель + установка) 0.7 Скорость счета упругих событий 18.7 с –1 или 75 за цикл ускорителя. Время набора: /( )= с или 20 суток, т.е дневных сеанса. В случае обнаружения узкого резонансного эффекта потребуется еще один сеанс такой же продолжительности для получения подробной угловой зависимости сечения для определения квантовых чисел резонанса. Реакция – p K статистическая точность 1%, 10 для эффекта 10% в таком же количестве импульсных интервалов Необходимая статистика (160/0.56) полное сечение реакции 0.9 мБарн, доля заряженной моды 22% аксептанс для событий распадов в заряженной моде 20% Скорость счета 125 тыс. событий – p K в сутки Время набора: 23 дня или 2 двенадцатидневных сеанса

21 В.П. Канавец, Д. Свирида 21 Трехлетний план Пятилетку -- в три года !!!

22 В.П. Канавец, Д. Свирида 22 Заключение Мировое научное сообщество проявляет большой интерес к недавно открытым экзотическим частицам. В результате, многочисленные теоретические модели получили мощный толчок для развития, требуя экспериментального подтверждения или опровержения. Пионные пучки ИТЭФ идеально подходят для экспериментального поиска нестранного криптоэкзотического члена антидекуплета. На настоящий момент в мире отсутствуют пучки, на которых можно было бы поставить аналогичный эксперимент. Экспериментальные условия чрезвычайно благоприятны для постановки предлагаемого эксперимента: большие сечения и чувствительности к эффекту, малые затраты ускорительного времени. В случае обнаружения резонансного состояния можно определить не только его массу, но и ширину (или дать оценку на нее на порядок лучшую, чем для всех уже открытых членов антидекуплета), а также квантовые числа (не сделано ни для одного из пентакварков) и соотношение мод распада по упругому каналу и каналу K. Если резонансный эффект не будет обнаружен ни в одном из двух каналов реакции, предлагаемых для исследования, то такой отрицательный результат также чрезвычайно важен для проверок и построения теоретических моделей.

23 В.П. Канавец, Д. Свирида 23 Заключение Данные по дифференциальному сечению в обоих процессах и нормальной поляризации в – p K имеют большую самостоятельную ценность для ПВА, поскольку предполагаемая точность на порядок превосходит все имеющиеся экспериментальные данные, а шаг по импульсу налетающего пиона в 20 раз меньше, чем в уже выполненных работах. Предварительное обсуждение идеи эксперимента с некоторыми теоретиками показало большую заинтересованность в его результатах, а также обоснованность самой идеи. Среди различных экспериментальных групп ИТЭФ и ПИЯФ также был проявлен оживленный интерес к предлагаемому проекту, и выражена готовность участия в нем как существующим оборудованием, так и персоналом. Коллаборация ИТЭФ-ПИЯФ, завершающая в настоящее время цикл исследований на установке СПИН в ИТЭФ, имеет многолетний опыт постановки экспериментов подобного рода, обработки и анализа получаемых в них данных. Коллектив этой группы мог бы стать основой для формирования новой коллаборации для выполнения предлагаемого проекта. Предлагаемый эксперимент настолько прост и недорог (по мировым меркам), а интерес к проблеме настолько велик, что, в случае публикации идеи его постановки, наверняка найдется иностранная коллаборация, готовая выполнить его в такие же или более сжатые сроки. Таким образом, для успешного выполнения эксперимента необходима его постановка за минимальное время, что требует существенной концентрации финансовых затрат и людских ресурсов.