EXPÉRIENCES FUTURES DE DÉSINTÉGRATION LEPTONIQUE D'HYPÉRONS

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EXPÉRIENCES FUTURES DE DÉSINTÉGRATION LEPTONIQUE D’HYPÉRONS

G. Sauvage

To cite this version:

G. Sauvage. EXPÉRIENCES FUTURES DE DÉSINTÉGRATION LEPTONIQUE D’HYPÉRONS.

Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C3), pp.C3-27-C3-32. �10.1051/jphyscol:1971304�. �jpa-

00214585�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C3, supplément au no 10, Tome 32, Octobre 1971: page C3-27

EXPERIENCE s FUTURES

DE DÉSINTÉGRATION LEPTONIQUE D'HYPÉRONS

G. SAUVAGE

CERN, 1211 Genève 23, SUISSE

Résumé. -

Nous décrivons ici les expériences de désintégration leptonique d'hypérons qui seront faites au

^CERN

et au Brookhaven National Laboratozy dans un avenir proche.

Abstract. -

Here are described future experiments on leptonic decays of hyperons. Special interest is devoted to the new hyperon beams of Cern and Brookhaven National Laboratory.

Dans ce qui suit, nous passerons en revue les expé- riences de désintégration leptonique d'hypérons en préparation ou en cours. Dans le tableau de la page suivante sont rassemblées les différentes désintégra- tions possibles avec les valeurs théoriques des para- mètres f,(O), f,(O), gl(0) avec les notations de Bender et al. [l]

à

mesurer. Les réactions marquées d'un asté- risque sont celles qui vont faire l'objet de nouvelles expériences

:

-

Désintégration d'hypéron neutre [2], [3]

:

A0 et 8 ' .

-

Désintégration d'hypéron chargé [4], f5] : Z- et E-

L'obtention d'un lot convenable d'événements de IO3

à

IO4 événements par réaction exige, vu la faiblesse des rapports de branchement, ou moins de un grand nombre d'hypérons primaires. C'est pour cela

que lorsque nous décrirons une expérience, nous exa- minerons successivement les 3 aspects

:

-

Obtention du nombre d'hypérons primaires

;

- Appareillage expérimental de détection

; -

Nombre d'événements attendus et précision espérée sur la détermination des paramètres fl(0), fi(0) et gi(0).

1. Désintégration leptonique du A0 et du 5 ' .

-

L'expérience de la collaboration Cern Heidelberg [2] a pour but principal de mesurer avec une grande préci- sion différents paramètres concernant le K0

:

phase

p+ -

du K: en n+ n-, asymétrie de charge en Ke,, etc ... 121. Leur faisceau de K0 contient un nombre non négligeable de A0 et de

EO

et nous intéresse ici

à

ce titre.

CZ

(cm) Branching (hypéron) Ratio

Réaction (7) f i(0)

-

- ⁽⁸⁾

-

(1)

-

1 1

n

-+

pev

COS

O, 2 Ocp - PN) OY (F + ^{D) cos O,}

Z+ -+

Aev 2,41 2,0

x

IO-^

Z- -t

Aev* 4,47 5,3 1 0 - ~ O D cos O,

A

+

pev* 7,54 8,5 x IO-^ ,/: ^{sin O, 1} 2 ^{A pp sin 0.} (F + :) ^{sin O ,}

Z- +

nev* 4,47 1,06 x 1 0 - ~ sin O, 1

-

₂ (pp + ^{2 pN) sin}

^I

^{(F - D) sin O ,}

3- -+

Aev* 4,98 0,52 x IO-' sin

8, ^-

₂ ¹ (P, + pN> sin O, $ ^{(F - :) sin 6, .}

1

' '

-, Z+

ev" 9,10

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971304

G. SAUVAGE

Multiwire Proportional Chambers

magner

S h i e l d i n g

Collimator and Hamet

JL

y

Helim

1

^Helim

1

Hydronen Cerenkov

1 t v / / /

~ouniërs Counters

FIG. 1.

-

Layout of the spectrometer.

-

NOMBRE

^DE

A0

^{ET DE}

9'.

-

Le faisceau neutre II. Désintégration leptonique du

Z-

et du 8-. - est obtenu avec des protons de 24 GeV/c (IOi1 protons/ Deux expériences sont actuellement prévues, une

à

burst) frappant une cible de Pt sous un angle de Brookhaven [4] et une au Cern [5]. Dans les deux cas, 75 mrad. Les particules chargées sont balayées de la on commence par produire un faisceau conventionnel région de désintégration par un aimant.

_-

- de Z- et E-.

Le nombre de A0 observé au cours des premiers runs est de 150/burst, soit 6 x 106 par jour, d'impulsion moyenne < 10 GeV/c >. Quant au nombre de EO, si on utilise le facteur de réduction donné par Grote et al. [6] lorsque l'étrangeté s'accroît d'une unité, on s'attend

à :

6 x 104 E0 par jour, soit un nombre très important.

-

APPAREILLAGE

DE DÉTECTION

(Fig. 1).

-

Il est bâti pour détecter les modes K:, K i

-+

n + n- et K:, K:

+

n e T

V.

11 comprend

:

O

une région de désintégration de 9 m de long,

0

un aimant pour mesurer le moment des particules chargées,

O

un compteur Cerenkov

à

gaz pour signer l'élec- tron,

O

3 plans de chambres

à

fils proportionnelles (6 O00 fils),

O

un hodoscope de compteurs et un compteur

à p.

Le déclenchement se fait en 3 étapes

:

une coïnci- dence double dans l'hodoscope ouvre une porte (105/burst) qui permet d'interroger les fils des chambres (200

à

700 ns). Si chaque plan de fil n'a eu que 2 fils touchés, l'événement est ensuite transcrit sur bande magnétique (environ 5OO/burst).

La désintégration du A0 en pe-

v

est donc enre- gistrée en même temps que les désintégrations du K0 ou du A' en pz-.

Pour les désintégrations du E0 (EO

+ Z +

e- v,

Z+

-+

pnO), ils pensent mettre une chambre

à

fils supplémentaire au début de la région de désintégration pour mettre en évidence le changement de direction entre le

Z f

et le proton. Ils n'ont pas calculé quelle précision ils pouvaient obtenir dans la mesure des paramètres fl(0), f2(0), g,(O) du A0 P et du EO P decay.

A) FAISCEAU

D'HYPÉRONS NÉGATIFS. -

Canal ma- gnétique.

-

La faible durée de vie des

Z-

et

8-

(cz

^N

5 cm) a été jusqu'à présent l'obstacle majeur dans la réalisation de tels faisceaux. L'existence d'un faisceau éjecté de haute énergie (24 GeV/c au Cern, 28 GeV/c

à

Brookhaven) et d'intensité suffisante (10" protons/burst) rend possible la production d'un faisceau de Z-. Les faisceaux de Brookhaven et du

Q2

.

^QG Quadrupoleo Çupraconducteues

Aimants

Palsceau Hypérons

Pôle Supérieur

Pôle Inférieur

Coupe de l a P a r t i e Centrale du Canal

FIG. 2.

-

Faisceau hypérons.

EXPÉRIENCES FUTURES DE DÉSINTÉGRATION LEPTONIQUE D'HYPÉRONS C3-29

Cern étant très semblables, nous décrirons celui du d'efficacité de chaque fil étant réduite

à

.12 mm par la Cern et signalerons les différences importantes entre présence d'un gaz électronégatif,

^o

- .12 mm). La les deux faisceaux. Les principaux paramètres du précision sur O, pour des chambres placées

à

40 cm faisceau sont rassemblés dans le tableau II. Comme on l'une de l'autre sera

g

Ji140 soit - . 3 mrad.

le voit sur la figure 2, le faisceau de protons de 24 GeV/c frappe une cible de W (7 cm de longueur). Les parti- cules négatives produites

à

un angle de 30 mrad sont analysées en impulsion par deux aimants. Les 2 qua- drupôles sont tels que le faisceau émergent est parallèle.

Les relations entre les coordonnées x,, O, dans le plan horizontal,

z,,

q, dans le plan vertical et les coordon-

Fuisceau d'hypérons négatifs.

Cern Brookhaven

- -

Protons incidents 1011 à 24 GeV/c 1011 à 28 GeV/c Déflexion magné-

tique 90 mrad 120 mrad

Champ magnétique 25 kg à 20 GeV/c 30 kg à 24 GeV/c Longueur du canal 3,30 m 3,70 m

Angle de produc-

tion 30 mrad

Angle solide 8

x

10-5 (avec foca- 2

x

10-5 lisation)

AP/P 10 % 10 %

Nombre de a at-

tendus

-

^105/burst

-

^105/burst

Nombre de C es-

pérés

-

150/burst signés

-

^500/burst

nées x,, O,,

z,,

q , d'entrée sont

:

L'ouverture horizontale du collimateur de sortie est + 16 mm, soit un Ap/p

=

& 15 %.

La mesure de l'angle O, de sortie des particules permet de déterminer l'impulsion des particules avec une meilleure précision

:

60,

=

1 mrad

-

6P

=

1,35 %

P

La mesure de l'angle de sortie des particules est donc d'une grande importance. Ceci sera réalisé avec des chambres

à

étincelle

à

fils sous pression

à

B. N. L. [9]

(8 fils/mm, o

=

.O75 mm) et par des chambres

à

fils proportionnelles au Cern [IO] (4 plans de fils décalés de 0,25 mm avec 1 fil/mm pour chaque plan, la zone

Calcul dupux et du bruit de fond.

-

L'optimisation, a priori, des rapports nombre de C-/nombre de n-, buit de fond (y, ..., etc.)/C- et du nombre absolu de Z- n'est pas facile

à

calculer. L'évaluation des flux de n- et Z- sortant du canal peut se faire

à

l'aide des spectres théoriques de production de Grote et al. [6], le calcul du bruit de fond de y traversant le blindage est plus difficile

à

faire. Ce qu'on peut dire de façon Simple[l 1]

c'est qu'il existe un optimum pour l'énergie des Z- produits situé

à

0,6,0,8 fois l'énergie des protons inci- dents. La limitation

à

basse énergie est donnée par la rapide croissance du nombre de n et la décroissance du facteur y des Z, la limitation

à

haute énergie étant évidente.

Signature des Z-, 9-.

-

Dans l'expérience du Cern, nous utilisons un compteur Cerenkov

à

sélection de vitesse DISC 1121 pour signer les Z- et les 9-. Au contraire,

à

Brookhaven la signature est négative, en ce sens qu'un compteur Cerenkov anticoïncide les n

:

les Z ou 3 sont reconhus par leur produit de désinté- gration.

B) DISPOSITIF

EXPÉRIMENTAL. -

Cern (Fig. III. 1).

-

L'appareillage comprend essentiellement deux chambres

à

streamer. Dans la première chambre placée juste après le compteur DISC, on observe la désinté-

-

-

gration Z-

+

ne v, ou Z-(a-)

+

A0 e- Y, suivi de A0

+

pz-. On mesure ainsi la direction des parti- cules chargées Z-, A - , e-, p, n- . La deuxième chambre

à

streamer est placée dans un aimant, on mesure ainsi l'impulsion des particules chargées finales e-,p, n-.

Un compteur Cerenkov

à

gaz placé entre les deux chambres

à

streamer compte les électrons et anti- coïncide les n provenant de la désintégration normale des Z-. ou

E - .

Enfin, un compteur

à

neutron composé de chambres

à

étincelles

à

plaques épaisses, permet de reconstituer la direction du neutron

à

partir de l'apex de la gerbe nucléaire et du point de désintégration du Z-. Les rayons 6 produits par les Z- ou les n- de désintégration, qui peuvent déclencher le compteur Cerenkov

à

gaz sont, soit éliminés par un aimant balai placé entre le Disc et la première chambre

à

streamer, soit anticoïncidés par l'hodoscope H placé avant la deuxième chambre

à

streamer.

Brookhaven (Fig. III. 2). - Les directions des parti-

cules sont mesurées par des chambres

à

fil (WC, WC,

WC, WC,) placées dans la région de désintégration

des Z-, 9-. Ensuite un aimant courbe les particules

chargées

:

les électrons et les n- dont l'impulsion est

inférieure

à

6 GeV/c sont plus courbés que les pro-

tons dont l'impulsion est de l'ordre de 10 GeV/c. Les

chambres WC,, WC, servent àla mesure des impulsions

des électrons et pions tandis que les chambres WC,

WC, WC, et un deuxième aimant permettent de

C3-30 G . SAUVAGE

2ème Chambre dans

lère Chambre 5 Streamer un aimant Compteur à neutron

DISC _I

1

₁ ^Cerenkov _{Compteur à p}

Compteur à !A

?

.

-

WC8 WC9 Aimant

Protons Gaz C

I

^{~omp teur}

t

Targe t WC1 WC2 WC3 WC4 WC5 WC6 WC 7 Neutron

FIG. 3.

-

Dispositif de Yale, N. A. L.

Hodoscope A iman t

mesurer l'impulsion des protons. Un compteur Cerenkov

à

gaz permet de signer les électrons et un compteur

à

neutron composé de plaques épaisses et de chambres proportionnelles permet de mesurer la direc- tion du neutron comme précédemment.

On voit que les deux dispositifs expérimentaux pré- sentent deux grandes différences

:

Compteur à n

III

-

L'expérience Cern prend des photos tandis qu'à Brookhaven les données sont transcrites sur bande magnétique. Le dépouillement sera donc plus rapide qu'au Cern, la précision des mesures de direction et d'impulsion devant être meilleure au Cern.

-

Le compteur Cerenkov

à

électrons est placé avant l'aimant d'analyse au Cern. On espère ainsi ne pas introduire de biais dans le spectre en énergie du lepton.

C) STATISTIQUE

^{ET PRÉCISION ESPÉRÉES.} -

Statis- tique. - NOUS ferons le calcul du taux de comptage avec l'hypothèse de 100

Z-

et un

E -

par burst signés par le compteur Disc.

B. R. cos 8; longueur de trace

On ne retient que les événements où cos

8:

est posi- tif, ce qui donne un facteur 0,5, on demande

à

voir les

Ç

60 cm après le Disc ce qui donne un facteur 0'3.

Une prise de données de 6 semaines, avec un facteur d'efficacité 112, conduit

à

une statistique de :

15 x

E

12 000 Z _nev 4 0 X 4 x l o 4 x 5 x 1 0 " ~ 400ZAev

2 5 x IO-^

^LX

40

3

Aev .

On peut augmenter la statistique sur

Z

Aev et

B

Aev en se servant des chambres mesurant l'angle 6, et en ne demandant pas de voir la cassure du

Ç.

Précision sur la mesure de gl(0)/fl(O)

Z +

nev.

-

Considérons d'abord la désintégration de

Z ^--+

nev. La mesure des impulsions et des directions du

Z

et de l'électron et la mesure de la direction du neutron per- mettent de déterminer la cinématique de la réaction

Z +

nev avec un fit

à

O contrainte. En fait, il s'agit d'un fit OC avec une solution double pour l'énergie du neutron. Cela est simplement dû au fait que~avitesse~N du neutron dans le système du centre de masse du

Ç-

est plus petite que la vitesse Pz du centre de masse.

/3: varie entre O et fi: et dans ce dernier cas l'écart maximum entre les deux solutions est donné par

:

Emin lab =

~Z(~nmax

-

PX PN ^max)

Emax

^lab =

Y T ( E ~

max

+ PX PN ^max)

L'écart est au plus de 40 % (en moyenne 20 %

; à

Brookhaven ils pensent lever l'ambiguïté par une mesure avec une suffisante précision de l'énergie du neutron.

SPECTRE

DE L'ÉLECTRON.

- On divisera l'informa- tion du diagramme de Dalitz où nous appellerons la densité en un point p(T:, T:) en deux parties

:

-

Spectre de l'électron

:

p ( ~ , * ) on intègre sur l'éner- gie du neutron

;

-

à

T: donné

:

spectre de l'énergie du neutron P(T:)

EXPÉRIENCES FUTURES DE DÉSINTÉGRATION LEPTONIQUE D'HYPÉRONS

Cette division présente l'avantage que le spectre de

l'électron n'est pas affecté par l'ambiguïté sur l'énergie du neutron. De plus (Fig. 4) la forme du spectre est

30

1

Nb d'événements

Fra. 5. - Détermination de

Tn.

beaucoup plus sensible au signe de

g,,&

qu'à la valeur absolue. Les courbes avec

g, =

0,42,

g, =

0,14 sont pratiquement confondues avec la courbe

g, =

0'24 (ces valeurs de g, sont

à

un écart standard de la valeur centrale [14]). L'écart moyenné sur le spectre des courbes p ( ~ e ,

g, =

0,24) et p ( ~ e ,

g, =

0'24) est de 5 % et doit donc pouvoir être mesuré avec une pré- cision suffisante dans notre expérience pour lever l'ambiguïté sur le signe,

à

la condition que 1 g , 1

=

0'24 dans notre expérience.

DENSITÉ p(T)Z

DU NEUTRON A

T : DONNÉ.

-

La figure 5 montre l'effet de l'ambiguïté sur la détermina- tion de l'énergie du neutron. Les courbes ont été obtenues en tirant (T:, T : fixe), l'angle 80, 40é de l'électron dans le centre de masse, en calculant l'angle correspondant du neutron dans le laboratoire et en redéterminant par le chemin inverse les 2 énergies Tn, Tn, de la double solution. Ce calcul a été fait d'une part sans mettre d'erreur sur les valeurs des impulsions et des angles

-

dans ce cas une solution Tn, ou T,,, est égale

à

Tn

-

et d'autre part en y ajoutant les erreurs typiques auxquelles on s'attend. On voit que même dans le dernier cas, l'étalement de la distribution de Tn dû aux erreurs et

à

la double solution n'est pas catas-

trophique, largeur

à

mi-hauteur de 7 MeV. La figure 6

FIG. 6.

-

Spectre expérimental du neutron.

C3-32 G. SAUVAGE

donne la distribution expérimentale p ( ~ z ) pour les deux valeurs extrêmes de g, ,

Si on coupe ce diagramme en 3 parties, le rapport du nombre d'événements dans la partie centrale au nombre d'événements de basse énergie varie de 20 %

entre les deux valeurs de gl citées précédemment

:

un lot de 5 000 événements (où chaque événement sera compté 2 fois) permet de mesurer ce rapport avec une précision de 4 % environ, et g l avec une erreur Ag,

=

0,06 (Ag, exp

=

0,12). Pl est bon de remarquer que la variation de g, avec le transfert

q 2

n'est que de Ag,

=

0,017 au maximum.

Désintégration

C +

Aev.

-

L'espace de phase est beaucoup plus réduit que dans

C -+

nev puisque T,"""

⁼

3 MeV au lieu de T, ,,,

⁼

30 MeV et les spectres de l'électron ou plus généralement la densité p(T,, Te) du diagramme de Dalitz ne peut être déter- minée avec une assez grande précision pour permettre d'améliorer la précision sur la valeur de

f l

( f,(O)

=

O d'après CVC). Mais on peut mesurer la polarisation

longitudinale du A en mesurant l'asymétrie avant- arrière du n de désintégration du A par rapport à la ligne de vol du A. Le calcul montre qu'un lot de 1 000 événements conduit à une précision Afl

=

0,12 alors que l'erreur actuelle est Af,

=

0,2.

Conclusion.

-

On voit donc que les faisceaux d'hy- pérons sont sur le point de fonctionner. Leur nombre va en augmentant :

-

2 faisceaux négatifs (Cern et Brookhaven)

[4],

[5]

que nous avons déjà décrits

;

-

1 faisceau neutre de A0 et un faisceau négatif pour chambre à bulles au Cern [3] ;

-

A Batavia, il y a également des projets de faisceau d'hypérons.

La physique réalisable avec de tels faisceaux n'est évidemment pas limitée uniquement

à

la désintégration leptonique. C'est ainsi qu'au Cern [5] nous prévoyons de mesurer les sections efficaces totales

C-

p,

Z-

d.

Le faisceau neutre de AO permettra d'étudier les interac- tions AO p dans la chambre à bulles de 2 m du Cern.

Enfin, le faisceau de

C-

et de

3-

doit aussi contenir des

SZ-

ce qui n'est sûrement pas sans intérêt.

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