Исследование спиновой зависимости сильного взаимодействия на крупнейшем в России ускорителе У-70

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00164

НазваниеИсследование спиновой зависимости сильного взаимодействия на крупнейшем в России ускорителе У-70

Руководитель Васильев Александр Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , Московская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слова Поляризация, спин, детекторы, калориметры, СР-нарушение, эксперимент, КХД, Стандартная Модель, физический анализ данных, трековые детекторы, триггер, система сбора данных, дрейфовые трубки

Код ГРНТИ29.05.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В рамках проекта предлагается провести систематическое исследование поляризационных явлений в эксклюзивных и инклюзивных адронных реакциях в области энергий ускорителя У-70 в Протвино в эксперименте с фиксированной мишенью с целью определения спиновой зависимости сильного взаимодействия. Созданная универсальная установка СПАСЧАРМ позволит провести такой анализ в десятках реакций. В рамках первого этапа измерения будут проводиться на пучке отрицательных частиц (π:-, K:-, p-bar). Параллельно с односпиновыми асимметриями A_N будут измеряться поляризация гиперонов и элементы спиновой матрицы плотности векторных мезонов. Данный проект нацелен на изучение такой фундаментальной проблемы современной физики частиц, как механизм образования спиновых асимметрий в рождении частиц в очень трудной для теории области конфайнмента кварков. Спин играет центральную роль в теории сильного взаимодействия. Хорошо известна информативность поляризационных опытов, приводящих нередко к принципиально важным для физики элементарных частиц выводам. Проблема спина тесно связана с кварк-глюонной структурой адронов и их взаимодействий. Развивается теоретическое осмысление спиновых эффектов. Однако сегодня нет теории, претендующей на полное описание поляризационных эффектов. В 1988 году эксперимент EMC (European Muon Collaboration) в ЦЕРН по глубоко-неупругому рассеянию поляризованных лептонов на поляризованных нуклонах представил результаты, в которых вклад спинов кварков в спин продольно-поляризованного протона мал, что противоречило расчетам КХД. Последние результаты показывают, что только 30% спина протона переносятся валентными и морскими кварками и антикварками. До сих пор эта проблема не решена, и на многих ускорителях мира идет ее интенсивное изучение. Научная проблема, которая является целью данного проекта – исследование динамики спинового взаимодействия при рождении широкого класса частиц, в том числе, содержащих s--кварки. В теории возмущений КХД (то есть, в теории сильного взаимодействия в рамках СМ) односпиновые эффекты, такие, как поляризация гиперонов и односпиновая асимметрия адронов малы (<1%) в силу векторного характера взаимодействий в теории и малости масс токовых кварков. Спиральность кварков при высоких энергиях должна сохраняться. Эксперименты, напротив, показали наличие больших односпиновых эффектов (5-60%) для практически всех исследованных реакций при энергиях, доступных на существующих ускорителях. Экспериментально обнаруженные поляризация \Lambda-гиперонов и односпиновая поперечная асимметрия в инклюзивном образовании пионов в области фрагментации поляризованного протонного пучка имеют большие величины в широком диапазоне энергии в лабораторной системе от 20 до 20 000 ГэВ (эквивалент энергии RHIC в системе центра масс). Наблюдаемая зависимость поляризационных эффектов от кинематических переменных требует дальнейшего исследования и объяснения. На первое место в поляризационных исследованиях уже выходит не энергия, а систематическое исследование и анализ данных большого числа различных реакций. Критически важна статистическая обеспеченность результатов. Разнообразие начальных и конечных адронных состояний позволяют провести систематическое исследование многих десятков различных процессов. Анализ этих данных дает возможность выявить закономерности поведения односпиновых наблюдаемых от аромата участвующих в реакции кварков, спиновой структуры адронов, содержащих эти кварки, и кинематических переменных. В отличие от большинства поляризационных экспериментов с фиксированной мишенью, в широко-апертурном прецизионном спектрометре СПАСЧАРМ будет реализована полная геометрия по азимутальному углу, что позволит исследовать не один десяток новых процессов с предельно низкими погрешностями. Сочетание широкого набора пучков и мишеней с возможностью одновременной регистрации заряженных и нейтральных частиц – продуктов реакций, выгодно отличает данный проект от других поляризационных проектов, созданных под ограниченное число изучаемых реакций. Измерение спиновых эффектов в большом кинематическом диапазоне и сравнение спиновых эффектов в различных реакциях принципиально важно для раскрытия механизма взаимодействия частиц. В этом заключается научная новизна проекта. Первой конкретной задачей проекта является измерение асимметрии инклюзивного рождения заряженных пионов на установке СПАСЧАРМ по набранным данным физического сеанса. Измерение асимметрии предполагается провести в нескольких кинематических диапазонах, что необходимо для дискриминации моделей. В данной кинематической области проведение измерений ранее не проводилось. Большинство существующих на настоящее время результатов не позволяют провести исследование зависимости односпиновой асимметрии от кинематических переменных x_F и p_T, так как измерения осуществлялись в узком диапазоне углов, где эти переменные коррелированы. Другой важной задачей является экспериментальное изучение возможности измерить односпиновую асимметрию инклюзивного рождения K_s^0- и ϖ(782)-мезонов на действующей установке и оценить точности измерений. Одновременно планируется исследовать A-зависимость сечения инклюзивного рождения этих мезонов и возможность измерения выстроенности векторных мезонов и поляризации Λ-гиперонов. Будет проведено детальное моделирование с целью оптимизации установки при изучении спиновых эффектов на втором этапе эксперимента с использованием уникальных пучков поляризованных протонов и антипротонов. В рамках проекта будут выполняться важные методические задачи, направленные на разработку и создание детекторов нового типа. Группа представляет собой сплав опыта, полученного в том числе в десятке совместных зарубежных экспериментов в течение последних 40 лет, и молодости – шесть исполнителей недавно закончили аспирантуру или еще продолжают обучение. Результаты проекта планируется использовать для подготовки четырех кандидатских диссертаций. Результаты исследований будут доложены на международных конференциях, в том числе на главной конференции по спиновым явлениям в физике высоких энергий. Планируется опубликовать как минимум одиннадцать статей, четыре из которых в журналах, относящихся к первому квартилю.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рязанцев А.В., Букреева С.И., Васильев А.Н., Горин А.М., Гончаренко Ю.М., Моисеев В.В., Мочалов В.В., Семенов П.А. «СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ГОДОСКОП ЭКСПЕРИМЕНТА СПАСЧАРМ НА УСКОРИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ У-70 Приборы и Техника эксперимента [INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES], ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2023, № 4, с. 48–54 (год публикации - 2023)
10.31857/S0032816223030096

2. Мещанин А.П., Васильев А.Н., Гончаренко Ю.М., Кормилицын В.А., Минаев Н.Г., Мочалов В.В., Рыков В.Л., Рябов А.Д., Рябова Т.Д., Рязанцев А.В., Семенов П.А., Сёмин С.А., Симонова З.Г. Магниты эксперимента СПАСЧАРМ на ускорительном комплексе У-70 Ядерная физика и инжиниринг [Physics of Atomic Nuclei], Том 13, № 6 (год публикации - 2022)
10.1134/S1063778822100386

3. В.В. Абрамов, ... С.И. Букреева, А.Н. Васильев, ... В.В. Мочалов, К.Д. Новиков и др. Концептуальный проект эксперимента СПАСЧАРМ "Физика элементарных частиц и атомного ядра" (ЭЧАЯ), ЭЧАЯ, 2023, том 54, выпуск 1, стр. 6 [Physics of Particles and Nuclei, 2023, V. 54, N 1, p.69 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063779623010021

Публикации

1. Семенов П.А. Detectors of the SPASCHARM Experiment at U-70 Accelerator Physics of Atomic Nuclei, том 86, выпуск 5, стр. 817-821 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778823050368

2. Рязанцев А.В., Букреева С.И., Васильев А.Н. A Scintillating Fiber Hodoscope for the SPASCHARM Experiment at the U-70 Accelerator Complex Instruments and Experimental Techniques, Vol. 66, No. 4, pp. 563–569 (год публикации - 2023)
10.1134/S0020441223030090

3. Абрамов В.В. Polarization of Hyperons Produced by Meson Beams Physics of Atomic Nuclei, Physics of Atomic Nuclei, 2024, Vol. 87, No. 1, pp. 38–43 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824020029

4. Терехин А.А, Абрамов В.В, Ладыгин В.П. и др. The pp-scattering simulation for the Beam-Beam Counter at SPD, NICA Physics of Atomic Nuclei, Phys.Atom.Nucl. 87 (2024) 1, 44-48 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824020170

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основной целью эксперимента СПАСЧАРМ является измерение спиновых эффектов на ускорительном комплексе У-70 (НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ). На недавно введенной в строй экспериментальной установке получены первые физические результаты. Впервые в мире наблюдена поперечная поляризация Λ-гиперонов, образованных при взаимодействии K^--мезонов с ядрами. Средняя поляризация в области поперечного импульса p_T>0.2 ГэВ/с значительна (23.5±3.6)% и на 6.5 \sigma отличается от нуля. Получено указание на рост поляризации с ростом поперечного импульса p_T. В области p_T>1 ГэВ/с величина поляризации достигает (66±18)%. Поляризация на пучке π--мезонов в несколько раз меньше, чем на пучке K^--мезонов. Различие поляризации Λ-гиперонов на двух пучках (K^- и π^-) указывает на важную роль валентных странных кварков в K^--мезонах в механизме происхождения большой поляризации Λ-гиперонов. Также дополнительно получены предварительные результаты по поляризации анти-лямбда гиперонов. Получены первые результаты по измерению односпиновой асимметрии заряженных π-мезонов. Асимметрия в обеих реакциях π^- p^↑→π^- X и π^- p^↑→π^+ X превышает 10% в области p_T>0.2 ГэВ/c. В рамках проекта измерена A-зависимость сечения инклюзивного рождения K_s^0 -мезонов. Значение показателя степени α= 0.77±0.02 для заявленной реакции π^- A→K_S^0+X. Кроме того, дополнительно получены предварительные результаты по измерению A-зависимости для еще двух реакций: α= 0.67±0.03 в реакции K^- A→K_S^0+X и α= 0.59±0.04 в реакции K^- A→K_^(*-) (892)+X. Получены первые результаты по измерению выстроенности (элемента ρ_00 спиновой матрицы плотности) ρ^0-мезонов. Результат не исключает возможности существования (и достаточно большой) выстроенности ρ^0-мезонов. Полученные при анализе данных значения спиновой матрицы могут существенно отличаться от 1/3, поэтому для опубликования окончательного результата необходима дополнительная проверка, а также дополнительная оценка систематических погрешностей измерения. Для подготовки физических исследований проводились расчеты в рамках модели Хромомагнитной поляризации кварков. При расчете поперечных односпиновых асимметрий псевдоскалярных мезонов, образующихся при взаимодействии мезонных пучков с поляризованной протонной мишенью показано, что односпиновая асимметрия в реакции π^-p↑→π^-X при p_T=0.5 ГэВ/с должна быть положительной и может достигать 15-20% в области измерений эксперимента. При изучении упругих реакций измерение двухспиновой асимметрии A_NN с относительной точностью 10% может быть выполнено за три дня для pp-рассеяния, и за десять дней в p(bar)p –рассеянии. Основным методическим результатом является то, что экспериментальная установка полностью настроена и подготовлена к работе, что позволяет проводить набор статистики для выполнения поставленных физических задач, проведена модернизация действующих и внедрены новые прецизионные пучковые детекторы. Для дальнейших исследований спиновых эффектов на установке СПАСЧАРМ с помощью внедренного в установку профилометра проведена настройка вывода протонного пучка на мишень установки.

Публикации

1. Рязанцев А.В., Васильев А.Н., Гончаренко Ю.М., Мещанин А.П., Моисеев В.В., Мочалов В.В., Семенов П.А. «ДВУХКООРДИНАТНЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ГОДОСКОП НА БАЗЕ ФЭУ-85 ЭКСПЕРИМЕНТА СПАСЧАРМ НА УСКОРИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ У-70 Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2025)

2. Калугин Н.К., Моисеев В.В., Мочалов В.В., Абрамов В.В., Алексеев И.Г, Васильев А.Н., Гончаренко Ю.М., Гриднев А.Б., Деревщиков А.А,, Козленко Н.К., Маслова Е.А., Мельник Ю.М., Мещанин А.П., Минаев Н.Г., Морозов Д.А., Нестеров В.М., Новиков К.Д., Новинский Д.В., Ногач Л.В,, Нурушева М.Б., Рыжиков С.В., Рыков В.Л., Рыльцов В.В., Рязанцев А.В,, Самигуллин Э.И., Свирида Д.Н., Семёнов П.А., Темирбулатов В.С., Узунян А.В., Якутин А.Е. K^S_0 Meson Production in π−A Interactions at Accelerator Complex U-70 Pleiades Publishing, Ltd (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700145

3. Абрамов В.В., Моисеев В.В., Алексеев И.Г., Бажанов Н.А., Борисов Н.С., Васильев А.Н., Гончаренко Ю.М., Городнов И.С., Гриднев А.Б., Калугин Н.К., Козленко Н.Г., Мельник Ю.М., Мещанин А.П., Минаев Н.Г., Морозов Д.А., Мочалов В.В., Неганов А.Б., Нестеров В.М., Новиков К.Д., Новинский Д.В., Ногач Л.В., Нурушева М.Б., Прудкогляд А.Ф., Рыжиков С.Ф., Рыков В.Л., Рыльцов В.В., Рязанцев А.В., Самигуллин Э.И., Свирида Д.Н., Семенов П.А., Усов Ю.А., Узунян А.В., Якутин А.Е. Observation of the Polarization of Λ Hyperons Produced in the Interaction of K- Mesons with Nuclei JETP Letters, JETP Letters, Vol. 120, No. 6, pp. 381–387.DOI: (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024602811

4. Нурушева М.Б., Богданов А.А., Ладыгин В.П., Моисеев В.В., Мочалов В.В., Семенов П.А. Measurement of the Analyzing Power of pp and p(bar)p Elastic Scattering at the SPASCHARM Facility at U-70 PHYSICS OF ATOMIC NUCLEI, Physics of Atomic Nuclei, 2024, Vol. 87, No. 6, pp. 765–770 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700741

5. Абрамов В.В., Алексеев Г.Д., Алексеев И.Г., Андреев В.А., Бажанов Н.А., Борисов Н.С., Букреева С.И., Васильев А.Н., Гончаренко Ю.М., Деревщиков А.А., Калугин Н.К., Кожин А.С., Маслова Е.В., Мельник Ю.М., Мещанин А.П., Минаев Н.Г., Моисеев В.В., Морозов Д.А., Мочалов В.В., Новиков К.Д., Ногач Л.В., Рыжиков С.В., Рязанцев А.В., Семенов П.А. Экспериментальная установка СПАСЧАРМ для исследования спиновых эффектов в адронных взаимодействиях на Ускорительном комплексе У-70 Приборы и техника эксперимента/Instruments end Experimental Techniques (год публикации - 2024)

6. Алферов В.Н., Васильев А.Н., Васильев Д.А., Кормилицын В.А., Лутчев А.В.,Мещанин А.П., Минаев Н.Г., Мочалов В.В., Рыков В.Л., Рябов А.Д., Т.Д. Рябова Т.Д., Семенов П.А., Соловьев В.А., Федорченко В.Н., Холкин А.Н. Система измерения поля в широкоапертурных магнитах физических установок на ускорительном комплексе У-70 Приборы и Техника Эксперимента/Instruments and Experimental Techniques (год публикации - 2024)

7. Нурушева М.Б., Богданов А.А., Ладыгин В.П., Моисеев В.В., Мочалов В.В., Семенов П.А. Feasibility of Model-Independent Reconstruction of the Amplitudes of the pp Elastic Scattering Matrix at the SPASCHARM Facility at U-70 PHYSICS OF ATOMIC NUCLEI, Physics of Atomic Nuclei, 2024, Vol. 87, No. 4, pp. 464–470 (год публикации - 2024)
10.1134/S106377882470033

8. Решетников С.Ф., Афонин А.Г., Барнов Е.А., Васильев А.Н., Маишеев В.А., Мочалов В.В., Семенов П.А., Чесноков Ю.А. Вывод пучка протонов варьируемой интенсивности из ускорителя У-70 с помощью изогнутых кристаллов ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ИНЖИНИРИНГ, Ядерная физика и инжиниринг, 2025, том 16, № 1, с. 80–86 (год публикации - 2025)
10.56304/S2079562924060307

Возможность практического использования результатов
Сформирован технологический задел для создания прецизионных быстродействующих детекторов на базе волоконного годоскопа с пространственным разрешением 125 микрон. Полученные методические результаты по разработке прецизионных детекторов могут найти применение при создании новых экспериментальных установок в рамках мега-проектов в Российской Федерации, в частности, создание детекторов частиц пучка, бестриггерной электроники и их программное обеспечение. Методы регистрации частиц могут применяться, в том числе, при разработке и создании новых медицинских (протонных и углеродных) ускорителей. Физические результаты необходимы для развития фундаменталньой науки по изучению свойств материи, в частности, физических моделей, описывающих сильные взаимодействия с учетом спина. В далекой перспективе при успешном развитии моделей результаты могут найти применение в квантовых технологиях.