COMPASS и COMPASS-II. Двадцать лет успешных измерений

Публикации, 22 июля 2020

На данный момент COMPASS-II ― один из ведущих экспериментов по спиновой физике высоких энергий и адронной спектроскопии, который работает на Суперпротонном синхротроне (SPS) в ЦЕРН (Женева). Эксперимент и коллаборация имеют довольно длинную историю. В феврале 1997 г. эксперимент был одобрен в ЦЕРН, а в сентябре 1998 г. был подписан окончательный меморандум о взаимопонимании, в том числе и с ОИЯИ [1, 2].

Спектрометр (рис. 1) был смонтирован в 1999-2000 гг. и введен в эксплуатацию в ходе технического запуска в 2001 г. Летом 2002 г. начался первый набор экспериментальных данных с мюонным пучком и поляризованными мишенями [3].

Рис. 1. Экспериментальная установка COMPASS в 2002 г.

Физическая программа измерений, которая была выполнена в 2002‒2018 гг., отражена в таблице 1.

Таблица 1. Программа измерений экспериментов COMPASS и COMPASS-II


Год

Пучок

Мишень

Физические измерения

2002

µ-, 160 ГэВ/c

6LiD

Полуинклюзивные реакции

2003

µ-, 160 ГэВ/c

6LiD

Полуинклюзивные реакции

2004

µ-, 160 ГэВ/c

6LiD

Полуинклюзивные реакции

2006

µ-, 160 ГэВ/c

6LiD

Полуинклюзивные реакции

2007

µ-, 160 ГэВ/c ГэВ/c

NH3

Полуинклюзивные реакции

2008

π-, 190 ГэВ/c

LH2

Адронная спектроскопия

2009

π-, 190 ГэВ/c

LH2, Ni,W,Pb

Адронная спектроскопия, реакции Примакова

2010

µ-, 160 ГэВ/c

NH3

Полуинклюзивные реакции

2011

µ-, 160 ГэВ/c /c

NH3

Полуинклюзивные реакции

2012

µ-, 160 ГэВ/c (пробный)
π-, 190 ГэВ/c

LH2
Ni, C, W,Pb

Глубоконеупругое виртуальное рассеяние
Адронная спектроскопия, реакции Примакова

2014

π-, 190 ГэВ/c (пробный)

NH3

Реакции Дрелла‒Яна

2015

π-, 190 ГэВ/c

NH3

Реакции Дрелла‒Яна

2016

µ-, 160 ГэВ/c

LH2

Глубоконеупругое виртуальное рассеяние

2017

µ-, 160 ГэВ/c

LH2

Глубоконеупругое виртуальное рассеяние

2018

π-, 190 ГэВ/c

NH3

Реакции Дрелла‒Яна

Экспериментальная программа COMPASS-II, утвержденная в 2010 г., в основном посвящена изучению поперечной и трехмерной структуры нуклонов и реакций Дрелля‒Яна (DY) [4]. Эта программа измерений стартовала в 2012 г. с набора данных по реакциям Примакова и предварительного (пробного) набора данных для исследований глубоконеупругого виртуального рассеяния на мюонном пучке энергией 160 ГэВ и длинной жидкой водородной мишенью. Для этих исследований были созданы два новых детектора: детектор отдачи и электромагнитный калориметр, который был построен в основном группой ОИЯИ [5] (рис. 2).

Рис. 2. Передняя по пучку часть установки COMPASS-II для измерений глубоконеупругого виртуального рассеяния лептонов на ядрах

Физическая программа и результаты экспериментов COMPASS и COMPASS-II являются уникальным примером объединения очень сильно отличающихся исследований: от реакций Примакова до поляризации глюонов. Такой широкий спектр задач требовал новых методов подготовки детекторов установки и мишеней.

Особо стоит отметить пионерские измерения, никогда ранее не выполнявшиеся в других экспериментах: изучение поперечных спиновых распределений в процессах Дрелла‒Яна на пучке отрицательных пионов и c поляризованной протонной мишенью. Эти измерения были успешно выполнены в 2015 г. и продолжены в 2018 г.

Уже первые результаты исследований процессов Дрелла‒Яна показали, что такие измерения являются важнейшей составляющей изучения структуры нуклонов. Дело в том, что партонные распределения, которые измеряются в этих процессах, не «свернуты» с функциями фрагментации, как в полуинклюзивных реакциях. Таким образом, для получения результатов не надо использовать данные других экспериментов, что существенно улучшает систематическую неопределенность в полученных результатах. Также важной особенностью исследований структуры нуклонов на установках COMPASS и COMPASS-II является возможность выполнения измерений процессов Дрелла‒Яна и полуинклюзивных процессов на одном и том же наборе детекторов, что минимизирует систематические неопределенности результатов партонных распределений, измеренных в этих процессах.

Уже первые результаты измерений показали большие возможности установки COMPASS-II по изучению процессов Дрелла‒Яна [6]. Было установлено, что наблюдаемый знак асимметрии Сиверса согласуется с фундаментальным предсказанием КХД о том, что асимметрия Сиверса, извлеченная из данных измерений процессов Дрелла‒Яна, имеет знак, противоположный знаку, извлеченному из данных измерений полуинклюзивного неупругого рассеяния (рис. 3).

Рис. 3. Асимметрия Сиверса, измеренная в процессах Дрелла‒Яна, и теоретические предсказания с учетом смены знака (см. пояснения в тексте)

Набор экспериментальной статистики был продолжен в 2018 г. В ближайшее время будут представлены первые результаты по этим данным.

Важно отметить, что активно идет анализ неполяризованных экспериментальных данных процессов Дрелла‒Яна. Эти работы имеют 4 основные цели:

  • изучение распределений валентных кварков в пионе;
  • получение данных по партонному распределению Бура‒Мулдерса;
  • проверка соотношения Лама‒Тунга;
  • исследование зависимости отношений сечений от ядер различных типов (ЕМС эффект и эффект Кронина).

Последний пункт исследований возможен благодаря использованию сложного абсорбера для поглощения адронного фона в измерениях на COMPASS-II (рис. 4) [6].

Рис. 4. Абсорбер установки COMPASS-II для измерений процессов Дрелла‒Яна и распределение событий в элементах абсорбера

Это позволяет получать данные не только на ядре водорода, но и на ядрах алюминия и вольфрама. В обработке экспериментального материала по этим ядрам активно участвуют физики ЛЯП. Важно отметить, что первые теоретические основы измерений процессов Дрелла‒Яна были разработаны физиками ОИЯИ в работе [7]. Развитие теории по этой тематике заложило основы для успешных экспериментальных измерений этих процессов в эксперименте COMPASS-II [4‒6].

Изучение поляризованных процессов Дрелла‒Яна остается важным пунктом научных программ многих экспериментов по физике высоких энергий, в том числе и в эксперименте SPD на коллайдере NICA [8].

Литература


  1. COMPASS Collab. Proposal. CERN/SPSLC 96-14, SPSLC/P297, 1 March 1996.
  2. COMPASS. MoU, 2 September 1998. http://wwwcompass.cern.ch/compass/gl/documents/mou/MOUFIN_D.pdf
  3. COMPASS Collab. // NIM A. 2007. V. 577. P. 455–518.
  4. COMPASS Collab. COMPASS-II Proposal. SPSC-2010-014/P-340, 17 May 2010. http://wwwcompass.cern.ch/compass/proposal/compass-II_proposal/compass-II_proposal.pdf
  5. Крумштейн З. В., Нагайцев А. П., Ольшевский А. Г., Савин И. А. Новый электромагнитный калориметр для эксперимента COMPASS в ЦЕРН. http://www.jinr.ru/posts/novyj-elektromagnitnyj-kalorimetr-dlya-eksperimenta-compass-v-tserne/
  6. COMPASS Collab. // PRL. 2017. V. 119. P. 112002.
  7. Матвеев В. А., Мурадян Р. М., Тавхелидзе А. Н. Рождение мюонных пар в сильных взаимодействиях и асимптотические правила сумм. Препринт ОИЯИ R2-4543. Дубна, 1969; Препринт SLAC_TRANS_0098.
  8. Tsenov R. et al. Conceptual and Technical Design of the Spin Physics Detector (SPD) at the NICA Collider. JINR PAC, Jan 2019, https://indico.jinr.ru/event/718/.

А. П. Нагайцев, начальник сектора ЛФВЭ ОИЯИ