Содержание
Введение 3
1 Ускорительный комплекс ОА<З^Е 6
2 Основные задачи эксперимента КЬОЕ 10
3 Экспериментальная установка КЬОЕ 13
3.1 Дрейфовая камера............................................... 14
3.2 Электромагнитный калориметр.................................... 20
3.3 Квадрупольные калориметры ..................................... 27
3.4 Система запуска детектора...................................... 29
3.5 Система сбора данных и ” медленного” контроля.................. 33
4 Реконструкция треков в дрейфовой камере 37
4.1 Эффект многократного рассеяния................................. 39
4.2 Вычисление матрицы ошибок .................................... 42
4.3 Алгоритм объединения треков.................................... 52
5 Измерение распада Кз —► тгеї/ 56
5.1 Мотивация...................................................... 56
5.2 Методика измерения вероятности распада Кв —> пей............... 58
5.3 Поиск К$ по взаимодействию Кь в калориметре.................... 60
5.4 Отбор распадов К з —► тг+7Г—................................... 62
5.5 Отбор распадов Кз —»ттеи....................................... 63
5.6 Эффективность регистрации распада Кз —> п+п~................... 68
5.7 Эффективность регистрации для Кз —► тгеи....................... 73
5.8 Результат и его обсуждение .................................... 77
1
6 Измерение ВЩК* —► тг±7г0)/ВЯ(Я'± —► ^и) 79
6.1 Мотивация........................................................... 79
6.2 Отбор событий ф —♦ К* К“............................................ 82
6.3 Методика регистрации распадов заряженных каонов..................... 83
6.4 Выбор триггера ..................................................... 85
6.5 Отбор событий К*1 —* тг^тг0 и К± —* 88
6.6 Анализ импульсного спектра вторичных частиц......................... 89
6.7 Относительная эффективность отборов................................. 98
6.8 Поправка на распад К* —► 104
6.9 Результат и его сравнение с предыдущими данными.....................105
Заключение 106
Список литературы 109
*
2
Введение
Несмотря на многолетнюю историю, физика каонов остается одним из наиболее привлекательных и бурно развивающихся направлений в современной физике элементарных частиц. Среди наиболее значимых задач необходимо указать проверку СРТ - теоремы, исследование нарушения СР - инвариантности, поиск эффектов, выходящих за рамки ’’Стандартной Модели”, и тестирование киральных методов [1]. Кроме того, важное место в современных экспериментах занимают прецизионные измерения вероятностей распадов нейтральных и заряженных каонов.
Для решения этих проблем были созданы и продолжают создаваться интенсивные пучки каонов на крупнейших ускорителях в FNAL, CERN, КЕК и ИФВЭ. Уникальные возможности предоставляют также электрон-позитронные коллайдеры, работающие в области ф- мезона. К таким ускорительным комплексам следует отнести ВЭПП-2М в Институте Ядерной Физики имени Г.И.Будкера (Новосибирск) [2] и недавно созданный коллайдер нового поколения DA<I>NE в LNF (Laboratori Nazionali di Frascati, Италия) [3|.
При распаде ф образует коллпнеарную пару двух каонов (А$/££), которую удобно использовать для проверки дискретных симметрий. Другой важной особенностью ф - мезона является возможность получения чистого пучка Ks - мезонов, где долгоживущая компонента используется для идентификации события. DA$NE обладает также рекордной светимостью, характерной дзя данного типа устройств. Проектная светимость коллайдера сможет дать примерно Ю10 нейтральных каонных пар в год, что позволит исследовать CP, Т и СРТ -инвариантности и достигнуть высокой точности при измерении вероятностей каонных распадов. Отсутствие адронного фона дает значительное преимущество перед экспериментами с фиксированной мишенью.
В Главе 1 настоящей работы кратко описаны задачи и конструкционные особенности комплекса DA4>NE. DA<£NE имеет два пересечения пучков. В первом размещен детектор KLOE [4], на котором проведены исследования, описанные
3
в диссертации. Основная задача KLOE состоит в изучении СР - нарушающих распадов нейтральных и заряженных каонов. Основные задачи эксперимента KLOE описаны в Главе 2.
Описание детектора и его основных компонентов дано в Главе 3. Детектор был оптимизирован для измерения распадов нейтральных распадов Kg и /С£. KLOE состоит из следующих основных компонентов: сверхпроводящего магнита, электромагнитного калориметра, дрейфовой камеры и двух цилиндрических калориметров, расположенных вблизи области взаимодействия и создающие герметичность детектора. Крупнейшая в мире цилиндрическая дрейфовая камера детектора обеспечивает как высокую эффективность регистрации треков заряженных частиц, так и приемлемое импульсное разрешение, не превышающее 0.4%. Электромагнитный калоримегр используется как триггер детектора и позволяет регистрировать нейтральную компоненту в широком диапазоне энергий.
Глава 4 посвящена особенностям трековой реконструкции в дрейфовой камере. Алгоритм восстановления треков основан на алгоритме, который ранее был применен в эксперименте ARGUS. Восстановление трека базируется на минимизации х2> который представляется в виде суперпозиции двух членов. Один из них связан с точностью измерения точки трека в дрейфовой камере, второй - с эффектом многократного рассеяния. На этапе распознавания треков неизвестен тип частицы, поэтому представляется невозможным оценить эффекты многократного рассеяния. Эго приводит к разрыву трека на несколько частей, что необходимо исправить на этапе восстановления трека. Кроме того, при учете многократного рассеяния обычно используются приближенные методы. В случае заряженных каонов их использование приводит к ухудшению точности восстановления импульса. В нашем случае задача учета многократпого рассеяния была решена точно и с использованием корреляциопной матрицы ошибок.
Глава 5 содержит результаты измерения вероятности распада К s —» ггеи. Данный результат используется для проверки правила AS=AQ и является первым шагом на пути к вычислению полулептонной ассиметрии в распадах Ks —» тт+1~и и Ks -+ тт~1+1/. Измерение вероятности распада базируется на использовании информации, поступившей как с дрейфовой камеры, так и с
4
калориметра. Разделение электронов и пионов по времени пролета позволило выделить четкий пик, соответствующий искомому распаду. Точность измерения значительно превышает существующее измерение, выполненное в предыдущем эксперименте, и хорошо согласуется с теоретическим предсказанием, основанным на правиле ДЗ=Дф.
В Главе б ОИИСЫВаеТСЯ Измерение ОТНОШенИЯ = ВЛ(Л’± —♦ 7Г±7Г0)/
ВПЦК* —► ^±^), которое может быть использовано для вычисления вероятности
распада —* 7г±^°, являющегося одним из важных входных параметров в
киральных моделях. В работе описана методика отбора заряженных каонов.
г
Импульсное разрешение дрейфовой камеры позволяет выделить четкие ПИКИ, соответствующие распадам К± —► и К± —» п±тт°. Статистическая ошибка отношения пренебрежимо мала, и основной вклад вносит систематика. В данном измерении удалось впервые выйти на уровень точности измерения меньшей 1%. В работе также приводится сравнение полученного результата с мировыми данными. Основные результаты работы изложены в Заключении.
5
*
1 Ускорительный комплекс DA<£NE
Электрон-позитронный комплекс БАФКЕ (Double Annular ф - factory for Nice Experiment) работает в области ф - мезона при полной энергии в 1020 МэВ [5|. Схема комплекса приведена на рис. 1.1. DA$NE состоит из линейного ускорителя, аккумулятора и двух накопительных колец. Ускоритель имеет длину в 60 м и состоит из двух частей. Электроны, ускоренные в первом сегменте до 250 МэВ, рождают позитроны. Во втором сегменте частицы достигают энергии в 550 МэВ и попадают в аккумулятор, где сбрасывают энергию до 510 МэВ. После получения тока в несколько десятков миллиампер пучки направляются в раздельные электронные и позитронные накопительные кольца комплекса.
Накопительные кольца имеют два пересечения электрон-нозитронных пучков и образуют систему из элементов с жесткофокусирующей магнитной структурой, симметрично расположенных вдоль кольца, и двух прямолинейных промежутков. Поперечный размер пучка минимизируется квадрупольными магнитами, расположенными вблизи точек взаимодействия пучков. Система из дипольных и квадрупольный магнитов служит для фокусировки, секступоли - для уменьшения энергетического разброса пучков. Восемь вигглер- магнитов увеличивают светимость установки. Энергетические потери, связанные с синхротронным изучением, компенсируются двумя высокочастотными резонаторами с частотой 368 МГц. Пучки пересекаются под малым углом в 25 мрад, поэтому ф - мезон рождается с незначительной поперечной составляющей вдоль оси ОХ и Р*=12.5 МэВ/c. Основные параметры ОАФКЕ приведены в Таблице 1 [6].
DAФNE представляет собой первый е+е~ коллайдер нового поколения с раздельными накопительными кольцами для электронов и позитронов. Отсутствие влияния токов пучков друг на друга и увеличение числа банчей дает принципиальную возможность получить светимость большую на два порядка, чем это было достигнуто на коллайдере предшествующего поколения ВЭПП-2М [2], работавшем в 90-е годы в Новосибирске.
На двух прямолинейных промежутках коллайдера располагаются два детектора:
б
KLOE |4] и DEAR {7|. В 2003 году в месте встречи пучков, используемое под DEAR, был установлен детектор FINUDA [8|. Эксперимент KLOE (К LOng Experiment), главные задачи которого будут описаны в следующей главе, является основным для DA4>NE и имеет широкий круг задач, включающих изучение распадов (К, ф,р, г),г/), проверку дискретных симметрий (ОРТ, СР и Т - ипвариаптности) и измерение сечения <т(ече~ —►адроны). DEAR (DA4>NE Exotic Atoms Research) исследовал
Frascati Ф-Factory complex
LINAC
TEST
BEAM
FINUDA
DA<DNF.-L
ОАФЫЕ
ACCUMULATOR \ 510 MeV
Рис. 1.1: Схематическое изображспис ускорительного комплекса DA4>NE.
7
Энергия пучков, МэВ 510
Разброс в энергии пучков, МэВ, 0.4
Светимость, см~2с-1 5х1032
Число банчей 120
Число частиц в банче 8.9хЮ10
Периметр орбиты, м 97.7
Размеры пучков в области взаимодействия:
горизонтальный, мм 2.1
вертикальный, мкм 21
Угол пересечения пучков, мрад 20-30
Время между сгустками, не 2.7
Длина сгустка, см 3
Ток в пучке, А ~5
Таблица 1: Проектные параметры комплекса ОАФКЕ
свойства 2р - 1 s перехода каонного водорода и дейтерия. FINUDA (FIsica NUcleare at DA<£NE) предназначена для изучения уровней и времен жизни Л - гиперядер.
Энергия элсктрон-позитропных пучков DA<I>NE оптимизирована для рождения ф - мезона. Векторный ф - мезон имеет массу М = 1019.412 ± 0.008 МэВ с полной шириной Г=4.41 МэВ и квантовые числа JPC = 1 [9]. Основные
моды распада ф составляют: заряженные каоны К+К~(49.5%), нейтральные KsKl (34.3%), ртг (13%), 7г+7г_7г° (2%) и г/7 (1.3%). В системе покоя ф -мезона каоны являются монохроматическими и образуют коллинеарную пару. Полное сечение рождения ф - мезона с учетом радиационных поправок составляет ~ 4.2 мкб. Высокая светимость комплекса DA$NE позволяет также исследовать редкие распады ф - мезона с хорошей точностью. Регистрация одного из каонов свидетельствует о существовании другого, для которого однозначно можно
8
- Київ+380960830922