Ви є тут

Изучение рождения J/ φ- и χ с-мезонов в протон-ядерных столкновениях при энергии 920 ГэВ

Автор: 
Игонькина Ольга Борисовна
Тип роботи: 
Кандидатская
Рік: 
2002
Артикул:
325624
179 грн
Додати в кошик

Вміст

Оглавление
Введение.................................................................. 3
1 Механизмы рождения чармония в адронных столкновениях. 9
1.1 Квантовая Хромодинамика............................................. 9
1.2 Открытие с-кварка................................................... 11
1.3 Возбужденные состояния чармония. Потенциал взаимодействия............11
1.4 Рождение чармония во взаимодействиях адронов с ядрами.............. 14
1.4.1 Хромосинглетная Модель (CSM)................................. 16
1.4.2 Нерелятивистская КХЛ (NRQCD)................................. 16
1.4.3 Дуальная модель (СЕМ)........................................ 19
1.4.4 Двойной обмен померонами (ДОП)................................19
1.4.5 Ядерные эффекты...............................................20
1.4.6 Сравнение теоретических предсказаний с экспериментальными
данными........................................................23
2 HERA-B детектор 32
2.1 Ускорительное кольцо Гера(ЯЕ11А).....................................32
2/2 Экспериментальная установка..........................................32
2.2.1 Мишень........................................................34
2.2.2 Трековая система(УБ8, ITR, OTR)...............................35
2.2.3 Магнит........................................................40
2.2.4 Детектор частиц с большим поперечным и у. пул ьсом (Н і Р t.). ... 40
2/2.5 Детектор Черепковского излучения (RICH).......................41
2.2.6 Детектор переходного излучения (TRD)..........................42
2.2.7 Электромагнитный калориметр (ECAL)............................42
2.2.8 Мюониая система(МиСЖ).........................................46
2.3 Система Триггеров....................................................47
3 Изучение рождения Jjip в паре с фотоном. Восстановление Хс• 51
3.1 Введение в анализ. Определение R.....................................51
1
3.1.1 Выбор переменных для анализа.....................................52
3.1.2 Оптимизация пороговых значений ограничений.......................53
3.2 Отбор и анализ 7/0 событии...............................................54
3.2.1 Используемая статистика..........................................54
3.2.2 Реконструкция 7/0. Критерии отбора событий.......................59
3.2.3 Кинематические распределения 7/0: и Хр Проверка моделей 74
3.2.4 Множественность частиц в событии.................................81
3.2.5 Поиск событий с двойным обменом померонами.......................82
3.3 Восстановление фотона....................................................87
3.3.1 Влияние 7/0 триггера на кинематику фотона........................87
3.3.2 Прохождение фотона через вещество детектора......................88
3.3.3 Реконструкция фотона через восстановление кластера в ЕСАЬ. . 91
3.3.4 Эффективность восстановления фотона..............................99
3.4 Изучение структуры 7/0 -1- 7 и восстановление Хс мезонов.................102
3.4.1 ДМ для пары 7/0 + 7...............................................102
3.4.2 Систематические неточности анализа..............................107
3.4.3 Измерение фракции 7/0. рожденных через радиационные распады Хсі и Хс2...........................................................120
3.4.4 Поиск Хсо и г)с(25) мезонов.....................................122
Заключение ..................................................................124
Литература.................................................................127
Список иллюстраций .........................................................131
Список таблиц...............................................................137
2
Введение
В последние годы обнаружились недостатки описания механизма рождения чармония. Так, в течении долгого времени рождение мезонов сс группы описывали в рамках Хромосинглетной модели [1], основанной на формализме Квантовой Хромодинамики (КХД), до тех пор, пока эксперимент CDF не измерил сечения рождения J/ф- и ф{2S)- мезонов [2], которые оказались в несколько раз больше, чем предсказания теории. Основная проблема этой модели заключалась в одновременном рождении пары сс и формировании физического мезона. Однако время, требуемое для рождения пары кварков, существенно меньше, чем время формирования конечного состояния, в результате чего дополнительные процессы, например, обмен мягким глюоном, могут повлиять на сечение рождения чармония. Данное предположение легло в основу модели Нерелятивистской Квантовой Хромодинамики. В этой модели процесс рождения пары кварков дополнен непертубативными переходами сс в одно из состояний чармония либо в пару D-мезонов. При этом переходы определены квантовыми числами пары сс и конечного состояния. В конкурирующей Дуальной модели предполагается, что процесс формирования занимает настолько долгое время, что вся информация о начальных партонах реакции утеряна, а сечение рождения чармония пропорционально сечению рождения сс вне зависимости от типа или энергии взаимодействия. Понимание механизма рождении чармония существенно для развития КХД.
Другой интересный вопрос, касающийся КХД и механизма рождения чармония, заключается в возможности рождения чармония в процессе с двойным обменом поме-ронами. Наблюдение такого процесса помогло бы в понимании природы померона.
Анализ данных протон-ядерных столкновений (р — А) - необходимый вклад в проверку КХД. При этом, однако, надо принимать во внимание, что партонные плотности ядра могут отличатся от протонных, а за время формирования мезона ядро может оказать дополнительное воздействие на пару сс и изменить сечение рождения мезона. Существует довольно много моделей, описывающих различие р - А и р-р столкновений [3]. Измерение рождения чармония в р- А взаимодействиях также важно для понимания сильного подавления рождения .J/ф в столкновениях тяжелых ионов при больших энергиях, измеренного экспериментом NA50 [4], и для возможности интерпретации этого подавления как свидетельство наблюдения кварк-глюонной плазмы [5].
Понять механизм рождения чармония и разделить ядерные модели можно на основе экспериментальных данных по адронному рождению J/ф-, ф(2S)- и Хс-мезонов. Но если в настоящее время J/ф- и -0(2£>)-мезоны довольно xojkhiio изучены, то экспериментальные данные по рождению Хс очень ограничены. Набранная мировая статистика Xci и Хс2 в р - А столкновениях не превышает 2000 событий. Дополнительные
3
данные существенно прояснили бы картину рождения чармония. Так же данные по рождению медленных J/ф (переменная Фейнмана xf < 0, где xf - это доля продольного импульса в СЦМ) помогли бы распутать клубок ядерных эффектов.
Необходимые измерения могут быть сделаны в эксперименте HERA-Z? [6], расположенном на протонном накопительном кольце HERA (DESY, Гамбург. Германия). Этот детектор регистрирует столкновения 920 ГэВ протонов с зафиксированной ми-шеиыо, расположенной в гало пучка. Миптснь состоит из проволочек различных материалов. Триггерная система эксперимента сконцентрирована на выделении J/ф-мезонов в каналах распада J/ф —> и J/ф —У е+е-. Использование новейших
технологий позволяет детальный анализ события при огромных плотностях частиц на единицу времени и площади. Угол захвата детектора HERA-Z? значительно больше, чем в предыдущих экспериментах с фиксированной мишенью, то есть в детекторе регистрируются как быстрые, так и медленные J/ф (-0.4 < хр < 0.3). Реконструкция нейтральных частиц основана на использовании электромагнитного калориметра, что позволяет регистрировать Хс-мезоны в канале J/ф'у.
Восстановление J/ф- и ^-мезонов и изучение механизмов рождения чармония па основе данных HERA-Z? эксперимента являются целью представленной работы.
Актуальность темы диссертации.
Понимание механизма рождения чармония необходимое звено в развитии Квантовой Хромодинамики. Проверка современных моделей требует дополнительных экспериментальных данных по рождению J/ф- и Хс-мезонов в адронных столкновениях. Такие параметры, как кинематические спектры мезонов или доля J/ф, рожденных через радиационные распады Хс, прояснили бы картину формирования чармония. Важным представляется измерение данных параметров для различных типов столкновений при одной и той же энергии, например, для взаимодействий протона с различными ядрами. Данное измерение позволило бы разделить ядерные эффекты и основной процесс рождения. Возможность интерпретации подавления рождения J/ф в ионных столкновениях как свидетельство возникновения кварк-глюопной плазмы в большой степени зависит от знания ’обычных” ядерных эффектов.
Цели и задачи исследования.
Представленная диссертация сконцентрирована на изучении отношения сечений рождения J/ф- и Хс-мезонов в протон-ядерных столкновениях при энергии 920 ГэВ, в частности, измерении доли J/ф, рожденных в радиационных распадах Хс\- и Ус2- мезонов. Важной задачей является также изучение характеристик J/^-частиц и поиск до сих пор малоизученных каналов рождения J/ф, таких как радиационные распады ХсО и t)c(2S) и процессы с двойным обменом померонами.
Изучение возможностей восстановления J/ф- и Хс-мезонов с использованием детектора HERA-2?, моделирование механизмов рождения чармония и сравнение расчетов
4
с экспериментальными данными являлись дополнительными целями работы.
Научная повизна и значимость работы.
Измерена доля J/ф, рожденных в радиационных распадах ха и Хс2 в р-С и p-Ti взаимодействиях с энергией налетающего протона 920 ГэВ. Измерения сравнимы по точности с измерениями в p-Li (эксперимент Е705) ив рр (эксперимент CDF) столкновениях. Экспериментальные результаты согласуются с NRQCD и СЕМ моделями и опровергают CSM модель. Приведенные измерения могут быть использованы для коррекции параметров NRQCD. Измерена ядерная зависимость рождения медленных J/ф, отличная от ядерной зависимости быстрых Jftf), измеренных экспериментом Е866. Проведен поиск рождения чармония в процессах с двойным обменом померона-ми. На сечение данного процесса поставлен верхний предел, позволяющий прогнозировать вероятность регистрации таких событий в других экспериментах, например, в CDF.
Приведенные результаты демонстрируют широкие возможности HERA-Б детектора для изучения процессов рождения чармония.
Автор защищает:
1. Методику отбора J/t}) событий в мюонных и электронных каналах распада и восстановления фотонов из распадов Хс J/Ф7 в эксперименте HERA-Z?;
2. Моделирование процессов рождения чармония в рамках CSM и NRQCD моделей; анализ влияния отклика детектора на реконструкцию изучаемых мезонов и оценка эффективностей реконструкции;
3. Измерение доли J/t)), рожденных в радиационных распадах \с\ 11 Хс2 при столкновении протона с ядром, и сравнение экспериментальных данных с теорией;
4. Сравнение измеренных кинематических спектров J/t}» dN/dpr и dN/dxF для двух типов ядер и заключение о соответствии расчетов измеренным зависимостям;
5. Поиск процессов с двойным обменом померонами в событиях с малой множественностью и оценку верхнего предела на сечение процессов этого типа;
6. Поиск событий, содержащих Хсо « Vc{~S), в канале J/ф^ и оценку верхних пределов доли J/t}), рожденных в радиационных распадах этих мезонов.
Все представляемые измерения сделаны на основе данных эксперимента HERA-В.
Практическая полезность.
Работа сделана в рамках международного сотрудничества HERA-Z?, создавшего детектор, расположенный па ускорителе HERA в DES Y (Гамбург, Германия).
6
Данный анализ показал возможности детектора но изучению физики чармония. Разработанные методики реконструкции J/гр- и ;^с-мезонов легли в основу программы анализа экспериментальных данных HERA-2?. Приведенные экспериментальные результаты подтверждают выполнимость поставленных перед экспериментом задач.
На основе результатов этого анализа было предложено новое направление физической программы эксперимента HERA-В, включающее изучение зависимости рождения ^-мезонов от типа ядра, сравнение кинематических спектров Хс и •//V’ и поиск малоизученных состояний чармония, таких как tjc{25) и hc.
Представленные измерения полезны также для оптимизации параметров NRQCD модели или для выбора коэффициентов СЕМ модели.
Результаты поиска событий с двойным обменом померонами добавили информацию для обсуждения возможностей регистрации таких событий как HERA-В, так и экспериментом CDF.
Апробация и публикации.
Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на многих международных конференциях, в том числе автором на конференции:
• ’’Physics in the new milenium”, (Дубровник, Хорватия, Сентябрь 2001)
Результаты работы и выводы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах сотрудничества HERA-Д в DESY (Гамбург, Германия) и на семинаре отдела физика высоких энергий ИТЭФ. Опубликованы в следующих работах 7, 8, 9].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 139 страниц, 61 рисунок, 23 таблицы, 129 наименований цитированной литературы. Работа построена следующим образом:
- в главе 1 дано введение в спектроскопию чармония. Приведен обзор современных моделей рождения чармония в адронных столкновениях, описывающих как механизмы рождения, так и возможные ядерные эффекты. Представлены экспериментальные данные предыдущих экспериментов и сравнение их с обсуждаемыми моделями. Описано моделирование событий на основе CSM и NRQCD моделей;
- глава 2 сосредоточена на описании детектора HERA-В. Кратко изложены основные характеристики частей детектора и эффективность их работы в течении набора данных 2000 года. Особое внимание уделено рассмотрению электромагнитного калориметра, играющего ключевую роль в реконструкции Хл-мезонов;
- в главе 3 описан анализ данных: отбор J/^-мезонов в мюоппом и электронном каналах распада, реконструкция фотона, восстановление Хс-мезонов в канале распада Хс. -* Обсуждаются моделирование отклика детектора, эффективности
триггера и реконструкции. Измерены распределения dN/dpr(J/ip), dN/dxfr(J/'tp) и
7
множественности нейтральных и заряженных частиц в 3(ф событиях; доля З/ф, рожденных в радиационных распадах Хс\ и Хс2- Представлены оценки верхних пределов на долю 3/ф> рожденных в радиационных распадах ХсО 11 *?с{2.9), и оценка верхнего предела на сечение процесса с двойным обменом померонами;
- заключение суммирует и обобщает результаты, полученные в данной работе.
8
Глава 1
Механизмы рождения чармония в адронных столкновениях.
Исследование спектроскопии чармония началось более 25 лет назад, когда открыли J/ф и возбужденные состояния сс. Долгое время рождение чармония описывали в рамках хромосинглетной модели (CSM) до того, как эксперименты CDF и Е705 измерили сечение рождения J/ф и ^>(25), в десятки раз превышающие ожидания. После этого началось бурное развитие теоретических моделей рождения чармония. И несмотря на длинную историю чармония и интерес к данной проблеме, до сих пор существуют серьезные разногласия между теорией и экспериментом, для решения которых необходимы новые, более точные экспериментальные данные и более точные вычисления моделей.
1.1 Квантовая Хромодинамика.
Современной теорией сильного взаимодействия является Квантовая Хромодипамика
(КХД){10].
Все адроны состоят из кварков, имеющих спин Существует шесть типов (ароматов) кварков u, d, 5, с, 6 и t (см. табл. 1.1). Каждый из кварков может находится в одном из трех состояний (цветов), которые образуют неабелеву SU(3) симметрию.
Преобразования в пределах этой группы обуславливают сильные взаимодействия кварков (не меняющие их аромат). Так как SU(3) группа имеет 8 собственных состояний, вводят 8 цветовых полей, или глюонов, ответственных за сильные взаимодействия. По аналогии с фотоном в КЭД, глюоны - безмассовые векторные частицы, но в отличии от фотонов, неимеющих электрического заряда, глюоны хак и кварки
9
I поколение II поколение III поколение
0! = 1 и с г
771 у = - 1 МэВ/с2 - 1.3 ГэВ/с2 - 174 ГэВ/с2
а Б Ь
ту = - 6 МэВ/с2 - 130 МэВ/с2 ~ 4.2 ГэВ/с2
Табл. 1.1: Электрические Заряды (ф/) и массы (т/) киарков
имеют цветовой заряд.
Все адроны, наблюдаемые в эксперименте, бесцветны, то есть не меняют цвета (инвариантны) при преобразованиях этой группы. Кварки и глюоны, наоборот, никогда не наблюдались на опыте в свободном виде. Это приводит к предположению, известному как гипотеза удержания (конфайнмснт): поскольку кварки несут цветовой заряд, они должны быть связаны в бесцветном состоянии. Это связано с тем, что цветовые силы, связывающие кварки в адроне, возрастают с расстоянием между кварками.
Другое важное свойство сильных взаимодействий кварков, это асимптотическая свобода кварков при малых расстояниях между ними. Как показано в экспериментах по рассеянию электронов на протоне [12], при больших энергиях (малых расстояниях) кварки в протоне ведут себя как свободные частицы, несвязанные сильными цветовыми силами.
Лагранжиан КХД вводится аналогично КЭД:
£ = X 4/(^0, - т/)д/ - (1.1)
/
где <7/ - это кварковое поле, аромат / = и, д, з, с, 6, £ с 3 цветовыми степенями свободы, ш у - масса кварка. Ковариаптная производная определена как:
ЯдЗ/ = (ди - (1-2)
где д$ - это КХД константа связи (д8 = <х$/4к), Ь£ - глюонное поле (а=1,..8), Л° -генераторы фундаментального представления БЩЗ) (матрицы Гелл-Манна). Тензор напряженности глюошюго поля определен как :
= + (1-з)
Ненаблюдаемую часть лагранжиана устраняют различными способами, например, введением добавки [10]:
Д£ = + д„ф'°-(д,^ + э(1-4)
На основе данного лагранжиана определяются правила Фейнмана, используемые для расчетов сечений рождения чармония в адронных столкновениях.
10
1.2 Открытие с-кварка.
Развитие теории КХД тесно связано с открытием с-кварка.
В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг предложили описание адронов с помошыо к парков [13], включающих еще неоткрытый четвертый кварк. Чуть позже Бьеркен и Глешоу ввели термин чарм и модель, основанную на SU(4) симметрии[14], предсказывающую D-мезоны и их распады. В 1970 году теория электрослабых взаимодействии Вайнберга-Салама, описывающая лептонный сектор, была расширена работой Глешоу, Илиопо-
улуса и Майани[15], где слабые и сильные взаимодействия включали четыре кварка
(в частности, это объяснило, почему на опыте сильно подавлены нейтральные токи с изменением страшюсти).
Первое экспериментальное подтверждение существования четвертого кварка появилось при измерении отношения сечений рождения адронов и мюонов в процессе е+е" аннигиляции :
а(е+е~ —> 7 qq hadrons)
I !I T \ •
<т(е+е_ ->7-> A* A*“)
Если пренебречь массой кварков, то для отдельного процесса
<т(е+е~ -> од) = Nc^-Qf, (1.6)
где Qi - это заряд данного кварка, s - квадрат полной энергии в системе центра масс. Фактор Nc = 3 соответствует количеству цветов. В то же время
о{е+е~ -> р+цГ) = (1.7)
или
Я = Лс£«?. (1.8)
t
Предполагая, что можно создать не больше 3-х различных кварков при данной энергии, величина R равняется 2. Как было измерено на ускорителе СЕ A Bypass [16],
при энергии 4 ГэВ R = 4.7 ( массы некоторых состояний чармония близки к 4 ГэВ и
дают дополнительный вклад в R).
Однако, полным триумфом явилось открытие нового резонанса J jip при s/s = 3.1 ГэВ сразу двумя экспериментами, работавшими на ускорителях BNL[17] и SLAC[18]. Данный резонанс был интерпретирован, как связанное состояние сс [19].
1.3 Возбужденные состояния чармония. Потенциал взаимодействия.
Итак, существует связанное состояние сс. С первого взгляда, система очень похожа на позитронии - два заряженных фермиона с одинаковой массой. Рассмотрим потен-
11