База данных экспериментов на детекторе CLAS

В. В. Чесноков¹, Б. С. Ишханов^1,2, В. И. Мокеев³

¹ Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ; ²Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова; ³ Thomas Jefferson National Accelerator Facility, VA, USA;

E-mail: chesn@depni.sinp.msu.ru

    В Hall B Лаборатории Джефферсона (Вирджиния, США) Международной коллаборацией CLAS с участием НИИЯФ МГУ выполняется обширная программа исследований спектра и структуры основного и возбуждённых состояний нуклона. Эти исследования направлены на решение актуальных задач фундаментальной физики: исследования динамики сильного взаимодействия в режиме большого параметра кварк-глюонной связи,  ответственной за формирование основного и возбуждённых состояний нуклона как связанных систем кварков и глюонов [1–4]. Полученные результаты позволили начать изучение механизмов формирования > 98 % массы адронов [2,5,6]. Впервые была продемонстрирована возможность доступа к компонентам тензора энергии-импульса для основного состояния нуклона из данных по распределению давления внутри протона [7]. Обнаружены новые состояния адронной материи, т. н. "missing" резонансы [8], поиск которых в течение последнего десятилетия являлся одной из наиболее актуальных задач физики адронов.
    За время работы детектора  CLAS в 1996–2012 гг. получен большой объем новых экспериментальных данных, многие из которых являются уникальной, единственной в мире экспериментальной информацией [1,2] На детекторе CLAS получена доминирующая часть мировых данных по большинству эксклюзивных каналов электророждения мезонов на нуклонах и ядрах [4] в области масс конечной системы адронов W < 3.0 ГэВ, значительно расширена информация о инклюзивных и полуинклюзивных процессах рассеяния электронов на нуклонах [1]. Информация по всем измеренным на детекторе CLAS наблюдаемым собрана в цифровом виде в CLAS Physics Database [12] созданной в коллаборации между Hall B at Jefferson Lab и ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ. В настоящей работе содержится краткое описание Базы [11] и её возможностей для физического анализа экспериментальных данных, а также в  планировании экспериментов на новом детекторе CLAS12, вступившем в эксплуатацию весной 2018 г. [1].
    В Базе данных [11] собрана численная информация о наблюдаемых, измеренных в экспериментах на детекторе CLAS в период 1996–2012 гг. В Базе содержатся все наблюдаемые, которые не зависят от специфических характеристик экспериментальной установки, такие как эффективность регистрации событий и аксептанс. Поэтому данные CLAS Physics Database могут сравниваться с результатами любых других экспериментов, в которых получены такие же наблюдаемые как и на детекторе CLAS. База содержит данные по дифференциальным, интегральным сечениям и различным поляризационным асимметриям для большинства эксклюзивных каналов электророждения мезонов на нуклонах, а также данные по инклюзивным и полуинклюзивным сечениям/структурным функциям рассеяния электронов на нуклонах  при W < 3.0 ГэВ и  виртуальностях фотонов  Q² < 5.0 ГэВ². Кроме того, в Базе содержатся наблюдаемые, измеренные в процессах взаимодействия электронов и фотонов с атомными ядрами в указанной выше кинематической области W  и Q² .

Рис. 1. Внешний вид формы поиска данных CLAS Physics Database [11].

    База данных снабжена web-интерфейсом, который обеспечивает доступ к данным через сеть Интернет по всему миру, предоставляет возможность поиска данных по множеству параметров. Среди них исследуемая реакция – тип пучка (электронный или фотонный), мишень и конечное состояние, состояние поляризации пучка, мишени и конечного состояния; кинематические переменные – инвариантная масса конечного состояния W, виртуальность фотона Q², переменная Бьёркена x_B, энергия реального фотона E_γ (для случая фоторождения мезонов). Возможно задать одну или несколько из около 200 наблюдаемых, данные по которым присутствуют в базе. Возможен поиск по совокупности параметров, по диапазону значений или по средним значениям переменных. Есть поиск по названию, авторам и году проведения эксперимента. Web-форма поиска данных представлена на Рис. 1.
    Выдача данных обеспечивает визуализацию в виде графиков и таблиц, существует возможность загрузить данные в текстовом виде для дальнейшей компьютерной обработки. Доступна также библиографическая информация о публикациях, связанных с экспериментальными данными, ссылки на полные тексты публикаций.
    Диапазоны кинематических переменных W, Q², и конечные состояния, для которых в базе присутствуют данные по электророждению мезонов представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

    Пользовательский интерфейс позволяет авторам самостоятельно загружать данные в БД, обеспечивает разделение доступа к данным.
    В CLAS Physics Database включены также инструменты анализа данных по дифференциальным сечениям эксклюзивного или полуинклюзивного электророждения мезонов на нуклонах в целях извлечения структурных функций процессов рассеяния электронов на нуклонах. В приближении однофотонного обмена для описания реакций рассеяния электронов на нуклонах, их дифференциальные сечения в зависимости от азимутального угла вылета мезона φ могут быть представлены следующим образом [9],

(1)

где параметры A, B и C зависят от всех других переменных помимо φ, описывающих кинематику начального состояния виртуальный фотон-протон-мишень и состояния конечных адронов. В случае конечного состояния мезон-барион такими переменными являются W, Q² и полярный угол θ эмиссии мезона в системе центра масс начальный виртуальный фотон-протон-мишень. Угловые зависимости (1) являются наиболее общим описанием φ-зависимостей дифференциальных сечений. Они выполняются в любом подходе для моделирования динамики реакций, проявляющейся в зависимостях параметров A, B и C от W, Q² и угла θ [9,10].

Рис. 2. Пример автоматического фиттирования дифференциального сечения электророждения π⁰ на протоне [12] при W = 1.18 ГэВ и Q² = 0.4 ГэВ² и cos θ_π = -0.9  функцией A + B cos 2φ + C cos φ.

    Параметры A, B и C следующим образом связаны со структурными функциями R_T и R_L описываемыми произведением амплитуд реакций под действием поперечно T и продольно L поляризованных фотонов, а также произведением амплитуд для фотонов различной поляризации: поперечно-поперечной со спиральностями фотонов +1 и −1 R_TT и поперечно-продольной R_TL [9,10]

(2)

 где dΦ является фазовым объемом для конечного состояния адронов, фактор 4K_LM_N есть инвариантный поток виртуальных фотонов, где K_L и M_N – модуль волнового вектора виртуального фотона и масса нуклона. Наличие в (1)  второго и третьего членов, описываемых произведениями амплитуд реакции под действием виртуальных фотонов различных поляризаций, связано с  формированием продольно поляризованного виртуального фотона в процессах рассеяния электронов со степенью поляризации ε_L однозначно определяемой кинематикой рассеяния электрона [9,10].
    В качестве примера, на Рис. 2 приведено извлечение структурных функций  из данных CLAS по дифференциальным сечениям реакции электророждения конечного состояния π⁰p на протонах [12] для W = 1.18 ГэВ, Q² = 0.4 ГэВ² и cos θ =  -0.9 с использованием интерфейса CLAS Physics Database.

Заключение

    В коллаборации между Hall B at Jefferson Lab и ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ создана и развивается CLAS Physics Database, содержащая численные данные экспериментов по изучению реакций инклюзивного, полуинклюзивного и эксклюзивного рассеяния электронов на протонах и ядрах полученных на детекторе CLAS в области  W < 3.0 ГэВ и Q² < 4.0 ГэВ². База содержит доминирующую часть мировых данных по большинству каналов электророждения мезонов на нуклонах в указанной выше кинематической области по W и Q² и на постоянной основе пополняется новыми данными. В будущем в Базу данных будут включены результаты экспериментов на новом детекторе CLAS12 в области  W < 4.0 ГэВ и Q² < 12 ГэВ². Эксперименты на детекторе CLAS12 успешно начались весной 2018 г. Утвержденная программа экспериментов на детекторе  CLAS12 охватывает десятилетний период.

 

1. V.D. Burkert, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci 68, 405 (2018).
2. V.D. Burkert, C.D. Roberts, Rev. Mod. Phys. 91, 011003 (2019).
3. V.D. Burkert, V.I. Mokeev, B.S. Ishkhanov, arXiv:1901.09709[nucl-ex]
4. V.I. Mokeev, Few Body Syst  59, 46 (2018).
5. C.D. Roberts, Few Body Syst. 59, 72 (2018).
6. V.I. Mokeev et al., Phys. Rev. C93, 025206 (2016).
7. V.D. Burkert, L. Elouadrhiri, F-X. Girod, Nature, 557, 396 (2018).
8. A.V. Anisovich, V.D. Burkert et al., Phys. Rev. Lett 119, 062004 (2017).
9. E. Amaldi, S. Fubini, G. Furlan, Pion Electroproduction, Springer Tracts in Modern Physics, 83 (1989).
10. Mokeev, et al, Phys. Rev. C80, 045212 (2009).
11. CLAS Physics Database, http://clas.sinp.msu.ru
12. K. Joo, L. C. Smith, V. D. Burkert, R. Minehart, I. G. Aznauryan, L. Elouadrhiri, S. Stepanyan, and CLAS Collaboration, Phys. Rev. Let. 88, 122001 (2002)

---