Квантовая хромодинамика, считающаяся в настоящее время фундаментальной теорией сильного взаимодействия, справедливость которой была многократно подтверждена экспериментами при сверхвысоких энергиях, тем не менее, оказалась неспособной описать «мир» возбужденных состояний нуклона (т.е. резонансов). Наиболее распространенными в конце XX века являлись модели конституэнтных кварков (кварковая модель адронов – это представление о том, что покоящийся адрон состоит из «кирпичиков»: конституэнтных кварков; например, протон – uud), достаточно хорошо описывающие массы низколежащих барионных резонансов (максимумы в сечении пион-нуклонного рассеяния интерпретируются как появление нестабильной частицы – резонанса с вполне определенными квантовыми характеристиками – массой, зарядом, спином, изоспином и др.).

Однако в резонансных областях с бóльшими массами в целом сложилась драматичная ситуация – предсказанное теорией количество возбужденных состояний нуклона значительно превысила количество резонансов, определенных экспериментально. Исторически исследование спектра барионных резонансов и мезонов началось на установках с пучками π-мезонов, что было обусловлено приемлемыми величинами сечений взаимодействия пиона и нуклона, и до недавнего времени практически вся приводимая в Review of Particle Properties информация о характеристиках нестранных барионов извлекалась из экспериментов по упругому пион-нуклонному рассеянию (πN). Однако, если какие-то резонансы имеют очень слабую связь с каналом πN, то они не могут быть обнаружены в таких экспериментах. С другой стороны, информация о резонансах, которые слабо связаны с πN-каналом, может быть получена из экспериментов по фоторождению на основе изучения конечных состояний, отличных от πN. Развитие техники «мечения» γ-квантов открыло новый этап измерений – на электронных ускорителях с пучками фотонов, получаемых на мишенях-радиаторах. Такие эксперименты интенсивно выполнялись в течение последних 25 лет на пучках меченых фотонов в научных центрах MAMI (Майнц, Германия), GRAAL (Гренобль, Франция), SPring-8 (Япония), в Лаборатории им. Томаса Джефферсона (США) и на ускорителе ELSA (Бонн, Германия). Эти исследования направлены, в первую очередь, на решение проблемы «недостающих» резонансов.

Одной из наиболее эффективных групп, занимающихся изучением фоторождения нейтральных мезонов, является Crystal Barrel коллаборация, в состав которой входят учёные из 10 различных университетов и институтов, в том числе около десяти сотрудников НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Главной частью экспериментальной установки является фотонный спектрометр Crystal Barrel, состоящий из 1290 кристаллов CsI(Tl). Этот прибор с его прекрасными возможностями детектировать многофотонные события и с апертурой, близкой к 4π угловому захвату, представляет идеальный инструмент для изучения реакций, в которых рождаются один или несколько нейтральных мезонов, распадающихся, в свою очередь, на многие фотоны.

Сотрудничество физиков ПИЯФ с Боннским университетом началось в 1999 г. Экспериментальная группа под руководством, ранее к.ф.-м.н. И.В. Лопатина, а сейчас д.ф.-м.н. В.В. Сумачёва включает в себя сотрудников Лаборатории мезонной физики ОФВЭ (Отделения физики высоких энергий). Данная группа успешно осуществила модернизацию системы «мечения» γ-квантов с целью прецизионного детектирования их импульса, внесла существенный вклад в создание Форвардного детектора (как правило, под этим понятием подразумевают ту часть экспериментальной установки, которая предназначена для идентификации частиц в конечном состоянии, вылетающих под углами, близкими к направлению взаимодействующего с неподвижной мишенью пучка). Это оказалось возможным благодаря почти 10-летнему совместному гранту РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований) и Немецкого научного сообщества.

В то же время, успешное сотрудничество с Боннским университетом осуществляет и группа Теоретического отдела института под руководством д.ф.-м.н. А.В. Саранцева. Данная группа является одной из ведущих в мире, осуществляющих обработку данных, называемую «парциально-волновой анализ» (ПВА). Как известно, процесс извлечения характеристик барионных резонансов из полученных в экспериментах наблюдаемых величин представляет собой двухступенчатую процедуру – сначала с помощью ПВА находят парциальные амплитуды, а затем на основе этих амплитуд определяют число резонансов и их характеристики.

Для однозначного выполнения процедуры ПВА необходимы не только прецизионные данные по дифференциальным сечениям, но и результаты, включающие измеренные наблюдаемые величины, имеющие поляризационные характеристики. Получаемые с 2006 г. результаты с использованием поляризованных фотонных пучков и поляризованной мишени заметно улучшают чувствительность к исследуемым каналам реакций и значительно уменьшает неоднозначности ПВА - такие измерения дают дополнительные важные ограничения при проведении ПВА.

Параллельно на соседнем канале γ-квантов недавно начался эксперимент, ведущийся коллаборацией BGO-OD (фотонный спектрометр BGO с дипольным магнитом в форвардной части, называемым Open Dipole). Схема установки представлена на рис. Интерес физиков направлен на исследования с заряженными мезонами в конечном состоянии. Импульс таких мезонов определяется прецизионным форвардным спектрометром, главным элементом которого являются большие дрейфовые камеры, изготовленные в Отделе мюонных камер (В. С. Козлов), а считывающая электроника разработана в Отделе радиоэлектроники института (В. Л. Головцов). Были получены первые результаты, подтвердившие ранее полученные данные по асимметрии при рождении η’-мезона.

Существенный материальный и интеллектуальный вклад физиков НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в идущие в Бонне эксперименты позволяет приблизиться к познанию истинной природы возбужденного состоянии нуклона.

Экспериментальная установка BGO-OD.

Д. В. Новинский

кандидат физ.-мат. наук