ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 4, с. 324-330
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ВЫХОДОВ Σ0/Λ0
В pA-ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРИ 70 ГэВ
© 2021 г. А. П. Воробьёв1), А. А. Киряков1),
В. М. Роньжин1), В. Н. Рядовиков1)*, Ю. П. Петухов2)
Поступила в редакцию 30.07.2020 г.; после доработки 30.07.2020 г.; принята к публикации 30.08.2020 г.
Активная мишень из пластинок углерода, кремния и свинца облучалась протонами с энергией 70 ГэВ от
ускорителя У-70. На статистике 10695 событий с одновременным рождением Λ0-гиперона и γ-кванта
выделен сигнал (270 соб.) от распада Σ0 → Λ0 + γ с использованием данных детектора γ-квантов
установки СВД-2. Измерено отношение выходов Σ0/Λ0, величина которого составила 0.34 ± 0.08
(C), 0.32 ± 0.06 (Si) и 0.10 ± 0.09 (Pb). Результаты сравниваются с данными других экспериментов.
DOI: 10.31857/S0044002721030168
ВВЕДЕНИЕ
нов, должно быть близко к 1/3. Но эксперимен-
тальные измерения отношения Σ0/Λ0 в реакциях
К настоящему времени экспериментальной ин-
на ядрах показывают, что эта величина может
формации об образовании Σ0-гиперонов в протон-
отличаться от значения 0.3. Измеренное значение
ядерных столкновениях существует немного. В то
Σ0/Λ0 = 0.16 в d + Au-столкновениях при 200 ГэВ
же время, имея одинаковый кварковый состав с
[5], а в pNe-взаимодействиях при 300 ГэВ [6] оно
Λ0-гиперонами (uds), но разный изотопический
равно 0.75. Предполагается, что это может быть
спин, исследования реакций их рождения могут
связано с разным влиянием на процессы обра-
дать информацию о влиянии спина на протекание
зования странных гиперонов составляющих ядра
ядерных реакций. Такая информация необходима
нуклонов, рождающихся резонансов и обменных
не только для разработки теоретических моделей
взаимодействий между частицами.
сильных взаимодействий [1-3] и генераторов со-
Предсказания моделей для отношения Σ0/Λ0
бытий [4]. При экспериментальных исследованиях
также различаются. Например, генератор
поляризации Λ0-гиперонов, как правило, не учи-
HIJING/BBbar [4] дает Σ0/Λ0 = 0.37 для d +
тывается факт образования части Λ0 от распада
+ Au-столкновений при (sNN )1/2 = 200 ГэВ;
Σ0, других частиц и резонансов, что размывает
статистическая термальная модель THERMUS
картину поляризационных явлений, наблюдаемую
[1] — Σ0/Λ0 = 0.36 при T = 160 МэВ и γS = 1.0;
при сильных взаимодействиях. Рождение стран-
модель слипания кварков ALCOR [3] — Σ0/Λ0 =
ных адронов в нуклон-нуклонных взаимодействиях
= 0.20. Моделирование С + С-столкновений в
изучалось во многих экспериментах для разных
программе UrQMD показывает, что Σ0/Λ0 может
энергий. Накоплено много данных по рождению
быть от 0.3 до 0.6 [7].
Λ0-гиперона, в сечении которого имеется суще-
Цель настоящей работы — выделить события с
ственный вклад от распада Σ0-гиперона. С выделе-
распадом Σ0 → Λ0 + γ, используя выборку собы-
нием распада Σ0 ситуация хуже, данных значитель-
тий в эксперименте на установке СВД-2 [8] с заре-
но меньше. Реконструкция распадов Σ0-гиперонов
гистрированными распадами Λ0-гиперонов в pA-
выполняется по каналу Σ0 → Λ0 + γ, с γ-квантом,
взаимодействиях на ядрах углерода (С), кремния
имеющим в экспериментах низкую эффективность
(Si) и свинца (Pb) при импульсе протона 70 ГэВ/c, и
регистрации. Предполагается, что отношение вы-
данные с детектора γ-квантов (ДЕГА) [9]. Оценить
ходов Σ0/Λ0, согласно числу проекций их изоспи-
отношение выходов Σ0/Λ0-гиперонов.
1)НИЦ “Курчатовский институт”- ИФВЭ, Протвино,Рос-
РЕГИСТРАЦИЯ РАСПАДОВ Σ0 → Λ0 + γ
сия.
Для выделения распадов Σ0 использовалась
2)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна,
Россия.
часть статистики эксперимента с рождением Λ0-
*E-mail: riadovikov@ihep.ru
гиперона (24717 событий) в интервале масс 1.1 <
324
ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ВЫХОДОВ
325
Таблица 1. Результаты аппроксимации гистограмм (рис. 3) функциями Гаусса
Сигнал (соб.) ±
Ширина (сигма)
Мишень χ2/ndf M(Λ0γ), ГэВ/c2
Фон, соб. Значимость (σ)
± cтат. ошибка
пика, МэВ
C
2.9/4
1.189 ± 0.003
84 ± 21
8.8
373 ± 19
3.9
Si
6.3/4
1.195 ± 0.005
166 ± 30
7.1
740 ± 27
5.5
Pb
6.4/4
1.198 ± 0.008
20 ± 18
6.4
306 ± 17
1.1
< M(pπ-) < 1.13 ГэВ (рис. 1a), в которых было
Для используемой в работе выборки событий
найдено 10695 событий с одновременно зареги-
среднее число восстановленных в ДЕГА γ-квантов
стрированным рождением Λ0 и γ, что составляет
равно 2.2, средняя энергия Eγ = 3.5 ГэВ, мини-
50% от первоначальной выборки (см. рис. 1б).
мальная энергия регистрации равна 100 МэВ.
Гамма-детектор установки СВД-2 подробно
Анализ массовых спектров системы (Λ0γ) для
описан в работах [9, 10]. Детектирующий элемент
событий в каждой мишени показал, что сигнал от
ДЕГА состоит из блока свинцового стекла (38 ×
распада Σ0 виден, но на очень большой фоновой
× 38 × 505 мм3) и фотоумножителя (ФЭУ-84).
подложке. Для уменьшения фона использовались
Почти вся
(>90%) энергия электромагнитного
результаты моделирования методом Монте-Карло
ливня от γ-кванта выделяется в ячейке из (3 ×
(МК) событий с распадом Σ0 → Λ0 + γ (100000 шт.
× 3) блоков свинцового стекла. При этом энер-
для каждой мишени), полученные с помощью про-
гия, выделяемая в центральном элементе ячейки,
граммы FRITIOF7.02 для pA-взаимодействий при
составляет в среднем
77% от энергии всего
импульсе пучка 70 ГэВ/c. Кинематика распада та-
ливня. Количество элементов в ДЕГА равно 32
кова, что распределение по поперечным импульсам
(вертикаль) × 42 (горизонталь) = 1344. Калиб-
Λ0 и γ-кванта от распада Σ0 в аксептансе СВД-2
ровка ДЕГА проводилась с помощью облучения
имеет характерную форму (рис. 2) и может быть
центра каждого элемента узким (∅3 мм) пучком
использовано для выделения нужных событий.
электронов с энергией 15 ГэВ. Обработка данных
с ДЕГА заключается в поиске кластеров сигналов
Из данных моделирования были оптимизирова-
в (3 × 3) ячейке и применения к ним критериев
ны критерии отбора Σ0 в эксперименте по пара-
отбора ливней от γ-квантов. Основные критерии
метрам регистрируемых частиц Λ0 и γ. Область
следующие:
поперечных импульсов Pt(γ) и Pt(Λ0) задается
двумя прямыми линиями Pt(γ) = 0.08 + 0.1Pt(Λ0)
и Pt(γ) = 0.06 - 0.05Pt(Λ0) (рис. 2). Полученные
• Кластер (3 × 3) должен содержать не менее
после такого отбора событий спектры эффектив-
2 каналов с сигналом выше порога, равного
ных масс системы (Λ0γ) для мишеней C, Si и Pb
10 отсчетам АЦП. При отсутствии сигналов
приведены на рис. 3.
в соседних от центрального канала из-за на-
личия “нерабочих” каналов или сигнала ни-
Видно, что сигнал от распада Σ0 в интервале
же порога суммарная энергия ливня коррек-
масс 1.17 < M(Λ0γ) < 1.21 ГэВ выделяется над
тируется. Используется экспериментальный
фоном для мишеней из углерода и кремния. Для
факт, что в среднем сигнал в центральном
мишени из свинца сигнал от распада Σ0 сравним с
элементе ячейки кластера составляет ∼80%
фоном. При этом количество отобранных событий,
от общего, поэтому энергия в каждом сосед-
нем элементе должна быть ∼2.5% от полной
в которых число комбинаций (Λ0γ), удовлетворя-
[11].
ющих критериям отбора, превышает 1, составляет
менее 5%, то есть комбинаторика в отобранных со-
• Значение параметра а5, которое равно от-
бытиях практически отсутствует. Для оценки фона
ношению энергии электромагнитного ливня
под сигнальным пиком использовался следующий
в центральном канале к суммарной энергии
способ. Из моделирования с помощью программы
всех 9 каналов, для γ-кванта должно быть
GEANT (см. ниже) известны параметры сигналь-
больше 0.6. Оно тем больше, чем ближе
ного пика, и после нормировки его на число экс-
к центру стекла попадает γ-квант. Для ад-
периментальных событий вычитается пик из мас-
ронного ливня от заряженных частиц эта
сового спектра. Оставшийся экспериментальный
величина меньше 0.5 [11].
фон фитируется полиномом 3-й степени. Значения
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№4
2021
326
ВОРОБЬЁВ и др.
NВХ/0.003 ГэВ
8000
a
7000
1.1 < M(Λ0) < 1.3
6000
Nсоб. = 24 717 (49%)
5000
4000
3000
2000
1000
0
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
M(pπ-), ГэВ
Nсоб.
2000
Pb
1750
б
1500
C
1250
Si
1000
Si
750
Si
Si
500
Si
250
0
-0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
ZV, см
Рис. 1. a — Эффективная масса системы (pπ-), заштрихована область выделения распадов Λ0, б — распределение
событий с Λ0 + γ по пластинам мишени (Z — координата первичной вершины). Заштрихованные гистограммы для
выделенных распадов Λ0-гиперонов.
полученной гладкой кривой используются для по-
ОТНОШЕНИЕ ВЫХОДОВ Σ0/Λ0
строения разностной гистограммы (см. рис. 3) и
Для вычисления отношения выходов использу-
вычисления параметров сигнала от распада Σ0.
ем формулу
Σ0/Λ0 = [Ns(Σ0)/ε(γ)]/[Ns(Λ0)],
Результаты анализа полученных распределений
и фита сигнала от распада Σ0 функцией Гаусса
где Ns(Σ0) — число событий с распадом Σ0-
приведены в табл. 1. Значимость сигнала вычисля-
гиперонов в массовом спектре системы (Λ0γ)
(табл. 1); ε(γ) — эффективность регистрации γ-
ется по формуле σ = S/(S + B)1/2, где S — сигнал,
квантов от распада Σ0 → Λ0 + γ; Ns(Λ0) — число
B —фон. Статистическая ошибка величины сиг-
Λ0 в выборке событий для поиска распадов Σ0 →
нала ΔS = (S + B)1/2.
→Λ0
+ γ.
Полная эффективность регистрации Σ0-гиперо-
Из табл. 1 видно, что значимый результат полу-
чен только для ядер кремния и углерода, статистика
нов равна произведению эффективностей ε(Λ0) ×
эксперимента для ядер свинца недостаточна.
× ε(γ). Так как эффективность регистрации Λ0-
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№4
2021
ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ВЫХОДОВ
327
Pt( ), ГэВ/с
0.200
0.175
0.150
0.125
0.100
0.075
0.050
0.025
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Pt( 0), ГэВ/с
Рис. 2. Плот МК-событий для определения критериев отбора— зависимость поперечных импульсов Λ0 и γ (• —
эксперимент, ◦ — моделирование). Линии ограничивают используемые в эксперименте области для выделения распа-
дов Σ0.
гиперонов ε(Λ0) входит в числитель и в знамена-
амплитуд). В качестве входных данных в GEANT
тель формулы, то эта эффективность сокращается.
использовались МК-события из FRITIOF с об-
Моделирование показывает равенство эффектив-
разованием Σ0-гиперонов. Спектры эффективных
ности регистрации всех Λ0 и Λ0 от распада Σ0 →
масс системы (Λ0γ) для восстановленных в ДЕГА
→ Λ0 + γ. Вероятность распада Br(Λ → pπ) =
γ-квантов приведены на рис. 4 (гистограмма без
штриховки). Так как энергия восстановленных γ-
= 0.64 в вычислениях отношения Σ0/Λ0 также не
квантов отличается от истинной по разным причи-
учитывается, так как при регистрации распадов Σ0
нам (шумы, обрезания амплитуд, алгоритм восста-
используется та же мода распада Λ0-гиперонов.
новления и т.д.), то строился спектр эффективных
Число Ns(Λ0) в выборке событий, используемое
масс системы (Λ0γ) для восстановленных по про-
для поиска распадов Σ0 → Λ0 + γ в эксперименте
грамме GEANT зарегистрированных в ДЕГА γ-
для разных мишеней, равно соответственно 5273
квантов после применения к системе (Λ0γ) крите-
событий (C),
13070
событий (Si),
6356
собы-
риев отбора, таких же как для экспериментальных
тий (Pb).
событий (гистограмма со штриховкой). Эффектив-
ность ε(γ) вычисляется делением числа событий
Оценка эффективности ε(γ) получена модели-
рованием по программе GEANT3.21. В программе
этой гистограммы на число Σ0-гиперонов на входе
GEANT для установки СВД-2 имеется процедура
в программу GEANT. Параметры гистограмм для
каждой мишени после аппроксимации сигналов
восстановления γ-квантов в калориметре ДЕГА,
функцией Гаусса и нормировки использовались для
в которой используются геометрия детектора и
определения фона на рис. 3.
информация, полученная при калибровке ДЕГА
(чувствительность каналов и порог регистрации
После анализа результатов моделирования в
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№4
2021
328
ВОРОБЬЁВ и др.
NВХ/0.006 ГэВ
80
C
а
60
40
20
Сигнал = 84 соб.
0
1.14
1.16
1.18
1.20
1.22
1.24
1.26
1.28
1.30
M(0 ), ГэВ
NВХ/0.006 ГэВ
Si
б
150
100
50
Сигнал = 166 соб.
0
1.14
1.16
1.18
1.20
1.22
1.24
1.26
1.28
1.30
M(0 ), ГэВ
NВХ/0.006 ГэВ
60
Pb
в
40
20
Сигнал = 20 соб.
0
1.14
1.16
1.18
1.20
1.22
1.24
1.26
1.28
1.30
M(0 ), ГэВ
Рис. 3. Массовые спектры системы (Λ0γ) для разных мишеней (a — C, б — Si, в — Pb) после применения критериев
отбора (см. текст). Сплошной линией обозначена аппроксимация сигнала функцией Гаусса, штрихпунктирной линией —
аппроксимация фона полиномом 3-й степени. Внизу рисунка — разность двух гистограмм (сигнал-фон) и ее аппрокси-
мация функцией Гаусса (штриховая кривая).
GEANT’е (11816 событий для углерода, 10039
к значению этой величины. Появляется еще одна
событий для кремния и 13548 событий для свин-
возможность их проверки.
ца) были получены отношения выходов Σ0/Λ0
Приведем рисунок из работы [5], на котором
(табл. 2). В графе для ε(γ) приведены отношения
чисел событий в гистограмме со штриховкой
(NG(Σ0)) на рис. 4 к числу событий на вхо-
Таблица 2. Отношения выходов Σ0/Λ0, ошибки =
де в GEANT. Относительные ошибки Σ0/Λ0:
= (стат.2 + сист.2)1/2
статистическая — ΔS /S(Σ0), систематическая —
Мишень Ns(Λ0) Ns(Σ0), соб. ε(γ)
Σ0/Λ0
1/N1/2G(Σ0).
C
5273
84 ± 21
0.0474
0.34 ± 0.08
Измерение отношений выходов Σ0/Λ0 в реакци-
ях на ядерных мишенях интересно тем, что при этом
Si
13070
166 ± 30
0.0394
0.32 ± 0.06
исследуются взаимодействия нуклонов в ядрах.
Pb
6356
20 ± 18
0.0364
0.10 ± 0.09
Модели нуклон-ядерных процессов чувствительны
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№4
2021
ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ВЫХОДОВ
329
NВХ/0.01 ГэВ
40
С
а
30
20
10
0
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
M(0 ), ГэВ
NВХ/0.01 ГэВ
Si
40
б
20
0
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
M(0 ), ГэВ
NВХ/0.01 ГэВ
40
Pb
в
30
20
10
0
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
M(0 ), ГэВ
Рис. 4. Массовые МК-спектры системы (Λ0γ) для восстановленных в ДЕГА γ-квантов до и после (заштриховано)
применения критериев отбора для мишеней: a — C, б — Si, в — Pb.
отмечены
результаты, полученные на установке
СВД-2 для мишеней из углерода и кремния (рис. 5).
Результат для свинца не показан по причине его
1
статистической необеспеченности.
Σ0/Λ
СВД-2
0.4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
0.3
На статистике 10695 событий с одновременным
0.2
рождением Λ0-гиперона и γ-кванта выделен сиг-
нал (270 соб.) от распада Σ0 → Λ0 + γ с исполь-
e+e-
0.1
зованием данных детектора γ-квантов установки
pp
pp
СВД-2. Значимый результат получен только для
pBe
ядер кремния и углерода, статистика для ядер
pNe
pN
свинца недостаточна, результаты для этой мишени
dAu
можно рассматривать как справочные. Измерено
отношение выходов Σ0/Λ0, величина которого со-
101
102
ставила 0.34 ± 0.08 (C), 0.32 ± 0.06 (Si). Ре-
s, ГэВ
СВД-2: pС, pSi
зультаты в пределах ошибок сравнимы с данными
Рис. 5. Зависимость отношения выходов Σ0/Λ0 от
других экспериментов и указывают на согласие с
энергии в с.ц.м. из работы [5] с добавлением резуль-
предположением, что отношение выходов Σ0/Λ0
татов, полученных на установке СВД-2, и результата
для pN из [6]. Штриховая линия показывает величину
близко к 1/3 в соответствии с числом проекций их
изоспинов.
отношения Σ0/Λ0 = 1/3.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№4
2021
330
ВОРОБЬЁВ и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. N. Zhigareva and A. Stavinskiy (Baldin ISHEPP
XXIV), EPJ Web Conf.
204,
03016
(2019);
1. S. Wheaton and J. Cleymans, J. Phys. G 31, 1069
(2005); hep-ph/0407174.
2. T. S. Bir ´o and J. Zim ´anyi, Nucl. Phys. A 395, 525
8. А. А. Киряков, В. М. Роньжин, Препринт № 2020-
(1983).
04, ИФВЭ (Протвино, 2020).
3. T. S. Bir ´o, P. L ´evai, and J. Zim ´anyi, Phys. Lett. B 347,
9. S. Golovnya, J. Instrum. 9, С09016 (2014).
6 (1995).
4. S. E. Vance, M. Gyulassy, and X.-N. Wang, Phys.
10. В. В. Авдейчиков, А. Н. Алеев, Е. Н. Ардашев,
Lett. B 443, 45 (1998).
С. Г. Басиладзе, Г. А. Богданова, А. М. Вишневская,
5. G. Van Buren (for the STAR Collab.), J. Phys. G
В. Ю. Волков, А. П. Воробьев, А. Г. Воронин,
31, 1127 (2005); Rom. Rep. Phys. 58, 069 (2006);
С. Н. Головня, В. Ф. Головкин, С. А. Горохов,
Я. В. Гришкевич, П. Ф. Ермолов, Е. Г. Зверев,
6. B. S. Yuldashev, S. M. Aliev, M. A. Alimov,
С. А. Зоткин и др., ПТЭ, № 1, 14 (2013) [Instrum.
K. K. Artykov, S. O. Edgorov, S. V. Inogamov,
Exp. Tech. 56, 9 (2013)].
A. V. Khaneles, E. A. Kosonowski, S. L. Lutpullaev,
11. В. Н. Рядовиков (от имени Сотрудничества
N. Rasulov, T. P. Rodionova, K. T. Turdaliev,
СВД-2), ЯФ 75, 1050 (2012) [Phys. At. Nucl. 75,
E. Turumov, A. A. Yuldashev, R. J. Loveless, and
D. D. Reeder, Phys. Rev. D 43, 2792 (1991).
989 (2012)].
MEASUREMENT OF THE Σ0/Λ0 RATIO
IN pA INTERACTIONS AT 70 GeV
A. P. Vorobiev1), A. A. Kiryakov1), V. M. Ronjin1), V. N. Ryadovikov1), Yu. P. Petukhov2)
1)NRC “Kurchatov Institute — IHEP, Protvino, Russia
2)Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
The active target with C, Si and Pb plates was irradiated in 70-GeV proton beam at U-70 accelerator.
The signal (270 events) from Σ0 → Λ0 + γ decays was selected in 10695 events with Λ0 and γ using
gamma-detector data. The following values of the Σ0/Λ0 ratio were obtained: 0.34 ± 0.08 (C), 0.32 ± 0.06
(Si) and 0.10 ± 0.09 (Pb). The comparison of the results with other experiments is presented.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№4
2021
