Р а б о та 22

Система измерений и обработки

Трековой информации методами

Компьютерной графики

Цель  знакомство с системой измерений и обработки трековой информации методами компьютерной графики на примере изучения кинематики двухчастичных распадов, измерение массы и времени жизни -гиперонов.

ВВЕДЕНИЕ

Объём информации с современных сложных детекторов, использующихся в физике высоких энергий, составляет 10⁶ – 10¹² байт. Обработка информации такого объёма немыслима без современных компьютерных технологий. Чтобы извлечь физическую информацию со сложных детекторов, необходимо потратить не меньше человеческих ресурсов, чем их требуется на проектирование и создание самих детекторов.

Помимо общеизвестной математической статистики, анализ экспериментальных данных включает:

отбор и запись интересующей информации,

распознавание следов и ливней,

реконструкцию событий в целом,

оценку кинематических параметров,

разделение полезных и фоновых событий,

использование графических средств для интерпретации и представления данных,

создание и эксплуатацию больших математических программ, реализующих алгоритмы анализа данных [13].

Практически со всеми элементами анализа экспериментальных данных можно наглядно познакомиться на примере обработки информации с пузырьковой камеры.

Материалом для работы служат цифровые копии снимков, полученных на ксеноновой пузырьковой камере ДИАНА [12], облучённой в пучке антипротонов протонного синхротрона ИТЭФ. Антипротоны останавливаются внутри камеры, что позволяет изучать процессы аннигиляции как при остановке, так и налету. Благодаря свойствам жидкого ксенона (плотность 2,2 г/см³, заряд ядра Z = 54, радиационная длина X₀ = 3,7 см) и большому объёму (7070140 см³) ДИАНА является уникальным 4-детектором -квантов с эффективностью  = 97-99 % для широкого круга процессов, а также позволяет регистрировать распады  ⁺ + ^– и   p + ^– с эффективностью, близкой к 100 %.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Изучается распад   p + ^–. В табл. 22.1 приведены основные характеристики всех частиц, участвующих в этом процессе¹ [8].

Таблица 22.1

Частица	Масса, МэВ	Время жизни, с	Спин	Странность
–	139,570180,00035	(2,60330,0005)10–8	0	0
p	938,272000,00004		1/2	0
	1115,6830,006	(2,6320,020)10–10	1/2	–1

В настоящей работе предлагается определить массу -гиперонов по продуктам распада и оценить их время жизни.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС СТРАННЫХ ЧАСТИЦ ПО ПРОДУКТАМ

ИХ РАСПАДА

Процесс идентификации распадов странных частиц заключается в проверке соотношений, вытекающих из законов сохранения. Суммарный электрический заряд продуктов распада должен равняться заряду распадающейся частицы. Для трековых приборов, работающих в магнитном поле, знаки зарядов частиц легко установить по кривизне следов. Если магнитное поле отсутствует, то знак заряда -мезона, например, можно установить в случае его остановки в объеме детектора по следующим признакам: положительный пион распадается по схеме ⁺  ⁺  e⁺, отрицательный пион поглощается ядром рабочего вещества.

Следствием закона сохранения импульса является условие компланарности следов частиц – продуктов распада.

На рис. 22.1 схематически показаны образование и распад нейтральной частицы на две заряженные. Пунктиром обозначено направление полета нейтральной частицы, сплошными линиями  следы заряженных частиц. Условие компланарности в этом случае заключается в том, чтобы точка образования нейтральной частицы (точка А) лежала в плоскости, образованной направлениями полета продуктов распада (линии 1 и 2). Очевидно, линия полета нейтральной частицы должна проходить между следами вторичных частиц. Проверка условия компланарности позволяет отбросить случаи, не относящиеся к двухчастичным распадам (например, двухлучевые звезды, вызванные нейтронами; случайные V-образ­ные рассеяния частиц).

Рис. 22.1

Случаи, относящиеся к двухчастичному распаду, должны удовлетворять уравнениям:

P₁ cos ₁ + P₂ cos ₂ = P; (22.1)

P₁ sin ₁ = P₂ sin ₂; (22.2)

, (22.3)

где М и Р – масса и импульс распадающейся частицы; m₁ и m₂, P₁ и P₂  массы и импульсы вторичных частиц. Для вторичных частиц, пробег которых укладывается в камере, импульсы Р₁ и Р₂ определяются с большой точностью. Решение уравнений (22.1)(22.3) позволяет определить массу и импульс распадающейся частицы.

Для определения массы распадающейся частицы в двухчастичном распаде достаточно знать углы вылета частиц и импульс только одной вторичной частицы. Импульс второй частицы находится из уравнения (22.2).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ -ГИПЕРОНОВ

Определение времени жизни нейтральных частиц с помощью трековых приборов основано на измерении длины пролета, т.е. расстояния, пройденного частицей от момента ее образования до момента распада. Именно таким способом в ядерной эмульсии впервые определили время жизни ⁰-мезона ( 10^–16 с).

Зная импульс распадающейся частицы Р и длину ее пролета L, можно вычислить время жизни каждой отдельной нейтральной частицы в системе, где она покоится:

t = t_лаб .(22.4)

Среднее время жизни данного сорта частиц можно определить, если вычислить среднее значение t:

 = =. (22.5)

Среднее значение , определенное в эксперименте, может отличаться от истинного из-за того, что регистрируемая длина пролета ограничивается размерами детектора и его пространственной разрешающей способностью. В данной работе поправки, связанные с этим обстоятельством, не учитываются.