Эксперимент ЭПЕКУР
ИТЭФ (Москва), ПИЯФ (Гатчина) и ACU (Абилена, США)
Современная квантовая хромодинамика успешно описывает процессы взаимодействия между кварками и глюонами, происходящие на малых расстояниях при высоких и сверхвысоких энергиях, но практически бессильна при описании процессов на расстояниях прядка размера нуклона. Прецизионным измерениям в этой области, которые стали возможны с появлением новых поколений детекторов и электроники, посвящен эксперимент ЭПЕКУР.
Эксперимент направлен на изучение спектра легких барионных резонансов, в первую очередь на поиск экзотических резонансов. Квантовая хромодинамика не запрещает существования, помимо обычных барионов, состоящих из трех кварков, и мезонов (пара кварк-антикварк), других, более сложных состояний, например, барионов, состоящих из четырех кварков и одного антикварка (так называемый пентакварк). Несмотря на активные поиски, такие экзотические состояния до сих пор твердо не установлены, а усилия теории установить запрет на их существование тоже не увенчались успехом. Кроме того теоретические модели и расчеты на решетках дают спектр резонансов серьезно отличающийся от наблюдаемого экспериментально, а современный экспериментальный спектр легких барионных резонансов основан на анализе данных полученных 30 и более лет назад. Именно такие измерения лежат в основе парциально- волновых анализов как упругого пион-протонного рассеяния так и неупругих реакций. Повторение этих измерений на современном технологическом уровне сейчас крайне востребовано. В настоящее время большая программа таких исследований реализуется в фото- и электророждении на ускорителях ELSA (Бонн, Германия), MAMI (Майнц, Германия), CEBAF (Ньюпорт Ньюс, США) и Spring-8 (Осака, Япония), однако комплиментарная к этим исследованиям программа на мезонных пучках практически представлена только настоящим экспериментом.
Идея эксперимента ЭПЕКУР возникла в 2004 году после обнаружения в экспериментах ДИАНА и LEPS указаний на существование узкого экзотического пятикваркового барионного состояния, включающего анти s-кварк (так называемый Θ+ пентакварк). В дальнейшем, с одной стороны, авторы оригинальных работ увеличили статистику и надежность сигнала, с другой стороны было выполнено довольно много работ, в которых это состояние не наблюдалось. В 2012 году была опубликована новая обработка данных эксперимента CLAS, основанная на той же статистике, в которой Θ+ не наблюдался, где сигнал от резонанса присутствует. Цель настоящего эксперимента состоит в поиске нейтрального нестранного резонанса, входящего в тот же антидекуплет. Определенные указания на существование подобного резонанса с массой в районе 1680 МэВ были получены в модифицированном парциально-волновом анализе πN- рассеяния группы GWU и в экспериментах по фоторождению η-мезона на нейтроне (GRAAL, CB-ELSA, CB-MAMI, Tohoku-LNS), причем наблюдаемая ширина пика 30- 60 МэВ определяется аппаратным разрешением соответствующих экспериментов. В эксперименте ЭПЕКУР предполагается поиск этого состояния в s-канале в реакциях π-p→π-p и π-p→K0sΛ→π-π+π-p путем сканирования по инвариантной массе системы с прецизионным измерением импульса π-мезонного пучка, обеспечивающим разрешение 0.7 МэВ в инвариантной массе системы. Предполагается выполнение измерений с высокой (лучше 0.5% для упругой реакции и 1% для рождения K0sΛ) статистической точностью, что обеспечивает как высокую чувствительность эксперимента к резонансам, так и возможность определения их квантовых чисел. В программу эксперимента входят измерения во всем доступном импульсном диапазоне от 800 МэВ/с до 2000 МэВ/с. Планируется кроме реакции π-p→π-p, содержащей линейную комбинацию изотопических каналов ½ и 3/2 выполнить измерение дифференциальных сечений реакции π+p→π+p, представляющей чистый изотопический канал 3/2. Беспрецендентное по точности измерение дифференциальных сечений в реакции упругого рассеяния в широком диапазоне создает условия для существенного обновления парциально-волнового анализа пион-нуклонного рассеяния, лежащего в основе знаний о легких нестранных резонансах. Кроме того в реакции π-p→K0sΛ будет выполнено измерение нормальной поляризации Λ- гиперона с точностью многократно превышающей точность ранее выполненных работ. Среди экспериментов по поиску экзотических состояний ЭПЕКУР не имеет аналогов по подходу к решению этой задачи и чувствительности поиска, а предполагаемая точность измерения дифференциальных сечений позволяет говорить о новом качестве экспериментальных данных и выводит его далеко вперед по сравнению с аналогичными экспериментами, сделанными в прошлом.
Для создания экспериментальной установки и проведения эксперимента была создана коллаборация, в которую вошли ИТЭФ, ПИЯФ (г. Гатчина) и Абеленский Христианский Университет (США), а проект эксперимента был рассмотрен и одобрен НТС обоих российских институтов. После начала финансирования проекта в 2005 году при поддержке коллектива ускорителя ИТЭФ был полностью восстановлен после 30-летнего перерыва 322-й универсальный пучковый канал протонного синхротрона У-10 ИТЭФ, расчищена экспериментальная площадка и начато конструирование элементов установки. К концу 2008 года усилиями участников коллаборации совершенно новая установка была полностью смонтирована на пучке и зарегистрировала первые события. Вкладом ПИЯФ стали изготовленные специально для этого эксперимента пропорциональные и дрейфовые камеры, а ИТЭФ разработал и изготовил электронику считывания информации с этих детекторов.
Установка ЭПЕКУР представляет собой безмагнитный спектрометр на базе проволочных дрейфовых камер с гексагональной структурой. Такие камеры выбраны с целью максимального уменьшения количества вещества на пути вторичных частиц, что особенно важно для анализа мягких продуктов в реакции рождения K0sΛ. В качестве мишени используется жидкий водород, помещенный в цилиндрический майларовый контейнер. Длина мишени по пучку 250 мм, диаметр 40 мм. Наружная вакуумпрочная оболочка мишени сделана из бериллия, что также дает большой выигрыш в уменьшении многократного рассеяния. Частица пучка регистрируется системой пропорциональных камер с шагом сигнальных проволочек 1 мм. Камеры расположены в первом фокусе магнитооптического канала и во втором перед мишенью. Используемый магнитооптический канал обладает большим углом поворота и предназначен для прецизионных экспериментов. Поле поворотного магнита между первым и вторым фокусами канала контролируется с помощью ЯМР. Все это позволяет измерить импульс каждой частицы пучка с точностью 0.1%. Установка оснащена современной электроникой на основе быстродействующих кристаллов программируемой логики и микропроцессоров. Вся обработка сигналов от усиления до формирования блока цифровой информации, соответствующей событию, производится платами, расположенными прямо на рамках камер, что позволило радикально уменьшить количество проводов. Передача цифровых данных от детекторов в центральный компьютер осуществляется с использованием интерфейсов USB2.0 и Ethernet. Система работает практически без мертвого времени и позволяет записывать до 100 тысяч событий за цикл ускорителя.
На первом этапе эксперимента установка (рис. 1) была собрана в симметричной двухплечевой конфигурации для измерения дифференциального сечения упругого рассеяния и включает 8 пропорциональных камер, размером чувствительной зоны 200х200 мм2, 2 дрейфовых камеры с размером чувствительной зоны 600х400 мм2 и 6 дрейфовых камер с размером чувствительной зоны 1200х800 мм2, а также сцинтилляционные счетчики для выработки триггера. Система сбора и накопления информации содержит более 4000 каналов. До остановки ускорителя ИТЭФ было записано 3.15 млрд. триггеров с положительным и отрицательным π-мезонными пучками в диапазоне 820-1330 МэВ/с (рис. 2). Непосредственно на 2012 год планировался набор статистики в диапазоне 1300-2000 МэВ/с, а также дополнительный набор статистики в узком импульсном интервале в районе 1030 МэВ/с в реакции π-p→π-p, где предварительный анализ уже набранных данных показывает наличие нерегулярности в дифференциальном сечении (рис. 3), природу которой необходимо исследовать. В настоящее время вся набранная статистика обработана. Получено новое поколение данных (рис. 4), точность и подробность которых многократно превышает аналогичные характеристики данных, существовавших до наших измерений. Результаты эксперимента — более 9000 экспериментальных точек — опубликованы (Phys.Rev. C91 (2015) no.2, 025205 и Phys.Rev. C93 (2016) no.6, 062201) и размещены в ведущих мировых базах данных (http://hepdata.cedar.ac.uk/view/ins1323450, http://gwdac.phys.gwu.edu/, https://www-nds.iaea.org/exfor/exfor.htm).
Рис. 1: Установка для измерения упругого пион-протонного рассеяния
Рис. 2: Набранная статистика в млн. триггеров как функция центрального импульса канала
Рис. 3: Предварительные результаты по измерению дифференциальных сечений упругого π-p-рассеяния. Голубая кривая — фазовый анализ, проведенный без учета наших данных. Синяя — в этот анализ искусственно введен P11-резонанс шириной 6 МэВ.
Рис. 4: Дифференциальное сечение упругого рассеяния положительных пионов на протонах при угле 58о в С.Ц.М. как функция импульса налетающего пиона. Наши данные ITEP(13) даны в сравнении с данными других работ, попадающими в тот же угловой интервал 57-59о и предсказаниями ведущих парциально-волновых анализов.
Параллельно с обработкой уже набранных данных и поиском в них узких особенностей была начата работа по подготовке второго этапа эксперимента. Для этого проводится работа по модернизации жидководородной мишени изготавливается аппаратура для измерений в реакции π-p→K0sΛ. Для улучшения стабильности работы мишени и повышения экономичности ее эксплуатации производится замена системы ожижения водорода на использование двухступенчатого криорефрижератора (рис. 5), который будет непосредственно охлаждать и сжижать водород без использования жидкого гелия. Это даст возможность отказаться от дорогостоящей закупки жидкого гелия и повысит эффективность использования ускорительного времени за счет исключения ежесуточных остановок на замену сосуда Дьюара. Конфигурация установки для измерения реакции π-p→K0sΛ (рис. 6), в дополнение к имеющейся аппаратуре, будет включать 4 широкоформатных дрейфовые камеры с размером чувствительной зоны 2400х1600 мм2, компактную время-проекционную камеру с системой считывания на основе газовых электронных умножителей и двухслойный время-пролетный годоскоп с размером чувствительной зоны 2700х1800 мм2 для выделения протона среди продуктов реакции, что необходимо для измерения поляризации рождающегося лямбда-гиперона по асимметрии его распада. В настоящее время в ПИЯФ уже изготовлена и испытана первая широкоформатная камера (рис. 7) с проволочками вдоль короткой стороны, ведется изготовление еще двух таких же камер и конструирование камеры с проволочками вдоль длинной стороны. В дальнейшем планируется создание спектрометрического счетчика нейтронов высокой гранулярности с измерением энергии нейтрона по времени пролета. Такой счетчик даст возможность измерять энергию нейтронов по времени пролета и, таким образом, выполнить измерения неупругих реакций с рождением Δ-резонанса.
Рис. 5: Испытание криорефрижератора вместе с криостатом теплообменник. На выноске отдельно сфотографирован теплообменник, расположенный внутри криостата.
Рис. 6: Схема установки ЭПЕКУР для измерения неупругих реакций
Рис. 7: Испытание дрейфовой камеры с размером чувствительной зоны 2400х1600 мм2 в ПИЯФ
Для оптимизации схемы установки и оценки скорости набора событий было выполнено Монте-Карло моделирование с использованием пакета Geant4. На рис. 8 приведена зависимость аксептанса по отношению к заряженной моде распада K и Λ для различных вариантов предлагаемой установки. Трек частицы считался зарегистрированным установкой, если она прошла через все дрейфовые камеры плеча или от внутреннего до наружного цилиндра время-проекционной камеры. Для регистрации события требовалось чтобы были зарегистрированы все 4 заряженных трека. Моделирование показало важность окружения мишени время-проекционной камерой, а также необходимость дополнительной идентификации протона с помощью время- пролетного годоскопа. Как видно эффективность установки с использованием время- проекционной камеры существенно выше чем в других вариантах. В этом варианте установка также полностью перекрывает все углы рассеяния от 0 до 180о (рис. 9).
Расчеты по Монте-Карло показали, что измерение только прямых треков в безмагнитном спектрометре оказывается достаточным для идентификации событий, выделение протона только по условиям кинематики оказывается недостаточным для однозначного отделения его от пиона из распада Λ. Т.е. необходима дополнительная идентификация протона, что и предлагается делать с помощью годоскопа. Было показано, что количество ошибочно идентифицированных протонов слабо уменьшается, начиная с временного разрешения годоскопа 300 пс и составляет 3%. На прототипе счетчика годоскопа было показано, что такое разрешение должно быть достигнуто в предлагаемой конструкции.
Рис. 8: Аксептанс для заряженной моды распадов К-мезона и лямбда-гиперона как функция импульса пионов пучка для различных вариантов установки
Рис. 9: Аксептанс как функция угла рассеяния в центре масс
В настоящее время основная модернизация жидководородной мишени находится в завершающей стадии и изготовлена большая часть аппаратуры часть аппаратуры для второго этапа эксперимента, включая все широкоформатные дрейфовые камеры и все пластины сцинтилляционного годоскопа.
Установка была запроектирована для работы на ускорителе ИТЭФ, который на момент создания установки являлся одним из немногих ускорителей в мире с активно действующими π-мезонными пучками с энергией 1-3 ГэВ, наиболее подходящими для проведения экспериментов как по поиску легких экзотических состояний, так и по исследованию спектров обычных легких барионов. Подобные действующие пучки есть только на недавно построенном в Японии ускорителе JPARC, но там достаточно жесткая конкуренция за пучковое время и аналогичные измерения пока только планируются. Возможно, пионные пучки будут на ускорительном комплексе FAIR в Германии, но это еще не определено. При этом нигде не планируется достигнуть импульсного разрешения 0.1%, которое имеет пучок эксперимента ЭПЕКУР. В настоящее время разработан проект низкоэнергичного вторичного пучка для настоящего эксперимента на ускорителе У70 ИФВЭ. Реализация этого проекта предполагается вместе с планируемой реконструкцией куста каналов в экспериментальном зале. Также подготовлено техническое решение для создания прецизионного пучка на ускорительном комплексе ОИЯИ.
