Материал: Добрецов Сборник лабораторных работ по ядерной физике Ч.3 2013

Фотографирование следов частиц в камере производилось двумя объективами 1 (рис. 17.1) через смотровое окно из оргстекла 2. При фотографировании часть рабочего объема 3 камеры загораживается трубкой 4.

Поэтому для того чтобы иметь возможность фотографировать следы, расположенные под трубкой, на дне камеры было помещено зеркало 5, что позволило существенно уменьшить объем невидимой зоны. На рис. 17.1 показано сечение рабочего объема камеры плоскостью, перпендикулярной на-

Рис. 17.1 правлению пучка. На нем видно расположение вакуумной трубки и зеркала в камере.

Постановка эксперимента. Эксперимент проводился на нейтральном пучке протонного синхротрона ИТЭФ. Расположение оборудования на пучке показано на рис. 17.2.

Рис. 17.2

50

Пучок формировался в трубе длиной около 30 м. Передний конец трубы помещался непосредственно вблизи камеры протонного синхротрона, напротив внутренней мишени. Направление трубы составляло угол 42° с направлением циркулирующего пучка протонов. Главные элементы канала – коллиматоры 1, 3, 5, 8 и магниты 2, 4, 7. Роль магнитов заключалась в очистке пучка от заряженных частиц. Для получения оптимальной геометрии тракта коллиматоры были собраны так, что они являлись частями одного конуса, вершина которого совпадала с внутренней мишенью ускорителя.

Для снижения интенсивности γ-квантов в пучке перед коллиматором 3 устанавливался конвертор из свинца толщиной в две радиационные длины. Здесь γ-кванты конвертировали в e+e–-пары, которые удалялись из пучка отклоняющими магнитами.

Труба, составляющая тракт нейтрального пучка, соединялась посредством фланцев с трубкой, проходящей через рабочий объем

камеры 9. Чтобы предотвратить регенерацию K L0 ↔K S0 на пути

KL0 -мезонов от мишени до камеры, весь тракт вакуумировался до

2 10–2 мм рт. ст. Вакуумирование избавляло также от фона вторичных частиц, возникающих при взаимодействии пучка с ядрами воздуха. Для снижения радиационного фона установка окружена бетонной защитой 6.

МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ РАСПАДОВ

Наряду с распадами K L0 -мезонов в ксеноновой пузырьковой ка-

мере регистрируются также взаимодействия, обусловленные фоновым излучением ускорителя и космическим излучением. Поэтому

для того чтобы иметь возможность изучать распады K L0 -мезонов,

необходимо прежде всего выделить их. В данном эксперименте выделение облегчается тем, что распады имеют характерный признак, которым является положение в пространстве точки распада. Как указывалось выше, особенности формирования пучка таковы,

что K L0 -распадами следует считать такие события, которые обра-

зованы следами, начинающимися внутри вакуумной трубки. После того как установлено, что наблюдаемая на снимках кар-

тина может быть результатом K L0 -распада, необходимо провести

51

дальнейшую интерпретацию этого события или, как говорят, идентифицировать распад. Обычно под идентификацией распада понимают установление природы как первичной частицы, так и всех частиц, которые образовались в результате распада.

Методика идентификации распадов в данном эксперименте предполагает необходимость выполнения следующих операций:

определения положения точки распада; нахождения всех частиц, образовавшихся при распаде; идентификации частиц – продуктов распада; идентификации типа распада.

Последовательность первых трех операций может быть произвольной и часто определяется соображениями удобства. Последний шаг возможен лишь при выполнении трех предыдущих. Рассмотрим каждую из перечисленных операций подробнее.

Определение точки распада. Точку распада можно определить, лишь восстановив пространственную картину, например с помощью стереопроекторов. В данной работе точка распада устанавливается более простым, но менее точным способом – по проекциям. Как можно видеть из табл. 17.1, все распады, с точки зрения определения положения точки распада, условно можно разделить на две группы: распады, в которых образуются заряженные частицы, и распады на нейтральные частицы. В первом случае положение точки распада на снимках определяется как пересечение двух прямых, которые являются продолжением начальных участков треков, со-

ответствующих этим заряженным частицам. Если при K L0 -распаде

образовались также и нейтральные пионы, то на снимке должны наблюдаться электрон-позитронные пары (иногда комптоновские электроны), образованные γ-квантами – продуктами распада π0- мезонов. При этом «направление вылета γ-кванта» должно проходить через найденную точку пересечения следов заряженных частиц. Направление вылета γ-кванта для комптоновского электрона определяется как направление касательной к наблюдаемому треку в начальной точке, а для электрон-позитронной пары – как направление прямой, проведенной между электронным и позитронным треками. При этом прямая должна проводиться ближе к тому треку, который обладает наибольшей энергией.

52

Во втором случае положение точки распада на снимках можно найти пересечением «направлений вылета γ-квантов».

Если на обоих снимках найденная точка пересечения находится в области вакуумпровода, то она принимается за точку распада

K L0 -мезона. Для тех точек, которые были найдены пересечением

всего лишь двух прямых (как, например, будет в случае Kπeν-, Kπμν-распадов), необходимо убедиться в том, что они не являются случайным пересечением. С этой целью необходимо проверить выполнение ещё одного условия, обязательного для всех точек распада, а именно: равенство измеренных на обеих проекциях про-

летных расстояний K L0 -мезона в камере. Это условие вытекает из

особенностей расположения объективов фотоаппарата относительно камеры: оптические оси объективов параллельны, а плоскость, проходящая через них, перпендикулярна к направлению пучка. Для оценки равенства пролетных расстояний удобно пользоваться метками, нанесенными на стенке трубки. Точность совпадений этих расстояний должна быть 5 мм.

Нахождение частиц, образовавшихся при распаде. С целью упрощения процедуры обработки снимков точку распада обычно определяют по каким-либо следам двух наблюдаемых частиц. Для идентификации распада важно знать все образовавшиеся при распаде частицы. Сложность «узнавания» всех частиц обычно связана

с тем, что γ-кванты от распада K L0 -мезона могут конвертировать в

любой точке объема камеры. Поэтому после того как точка распада определена, необходимо еще раз рассмотреть оба снимка с целью поиска всех γ-квантов, которые образовались при распаде.

Идентификация частиц. Идентификация частиц производится в соответствии с характерными особенностями следов от π±, μ±, ~ e± в камере. Эти особенности следующие. Электроны (позитроны) образуют следы, которые могут иметь несколько резких изломов, обусловленных тормозным излучением. Тормозные кванты в свою очередь могут конвертировать в камере. Они должны «смотреть» в точку излома электронного (позитронного) трека. Точка образования следа e± расположена на вакуумопроводе, γ-кванты большой энергии (Е ≥ 1 МэВ), как известно, могут рассеяться на электронах среды, образуя комптон-электроны, либо конвертиро-

53

вать в поле ядра, образуя электрон-позитронную пару. Трек от комптон-электрона будет таким же, как и у e±, а след от пары имеет два (e+ e–) трека с общей начальной точкой. Точка образования γ-кванта может быть расположена в любом месте камеры.

Положительный пион образует след, который может иметь изломы и сопровождаться вторичными звёздами. Если π+-мезон оста-

навливается в камере, то он идентифицируется по характерному π+ → μ+ → e+-распаду.

Отрицательный пион образует след, аналогичный следу π+-мезона. Остановившийся π–-мезон образует звезду с несколькими короткими треками или без них (0-лучевая звезда).

Быстрые мюоны имеют следы, аналогичные следам от быстрых π-мезонов. Отличие состоит лишь в том, что быстрые мюоны не дают вторичных звезд. Остановившийся мюон даёт характерный μ → e-распад.

Идентификация KL0 -распадов. Полная идентификация распа-

дов подразумевает установление природы всех частиц: как первичных, так и вторичных. Очевидно, что одних «визуальных» данных, т.е. получаемых только при просмотре, для полной идентификации распадов недостаточно. Необходима проверка как кинематических соотношений, вытекающих из законов сохранения энергииимпульса, так и соотношений, вытекающих из законов сохранения дискретных величин (электрических зарядов, лептонных (электронного и мюонного) зарядов и др.). В данной работе идентификация основывается только на данных просмотра.

Примеры изучаемых в данной работе случаев распада KL0 -мезонов показаны на рис. 17.3–17.6, на которых представлены фрагменты снимков с пузырьковой камеры.

Распад K3π0 (рис. 17.3). К этим распадам необходимо отнести

события, которые сопровождаются γ-квантами с числом γ-квантов

≥ 4.

Распад Kπ+π−π0 (рис. 17.4). Этому распаду соответствуют со-

бытия, образованные двумя заряженными частицами (которые могут иметь характерные звёзды или π → μ → e-распад) и одним либо двумя γ-квантами, «смотрящими» в точку распада.

54