Вы здесь

Наблюдение рождения J/ ψ во взаимодействиях мюонных нейтрино с нуклонами, обусловленных нейтральным током

Автор: 
Цукерман Илья Ильич
Тип работы: 
Кандидатская
Год: 
2001
Артикул:
1000335076
129 грн
(417 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

Содержание
Введение 3
1 Рождение о-кварков в ^-взаимодействиях 5
1.1 Рождение с-кварков в і//лСС-взаимодействиях......................... 5
1.2 Рождение J/ф в ^NC-взаимодействиях.................................. 9
1.2.1 Прямое рождение J/ф...................................... 11
1.2.2 Непрямое рождение J/ф.................................... 13
2 Установка CHORUS 15
2.1 Эксперимент CHORUS и поиск J/ф..................................... 15
2.2 Нейтринный пучок................................................... 18
2.3 Калориметр......................................................... 18
2.3.1 Электромагнитная часть калоримегра....................... 19
2.3.2 Адронная часть калориметра ................................. 21
2.3.3 Калибровка и физические характеристики калориметра.......21
2.4 Мюонный спектрометр............................................... 22
2.4.1 Магниты.................................................. 22
2.4.2 Дрейфовые камеры......................................... 22
2.4.3 Камеры со стриммерными трубками ............................ 24
2.4.4 Сцинтилляторы . .................'.......................... 24
2.4.5 Калибровка и физические характеристики спектрометра .... 25
2.5 Триггеры для отбора событий в калориметре...........................27
3 Общая методика обработки и моделирования
^-событий в CHORUS 28
3.1 Методика МС-моделирования ^-взаимодействий......................... 28
3.2 Методика обработки зарегистрированных событий...................... 29
3.2.1 Методика реконструкции треков в мюонном спектрометре .... 29
3.2.2 Методика восстановления вершины событий..................31
3.2.3 Методика восстановления кинематики событий...............31
4 Предварительный отбор димюонных событий 33
4.1 Мотивация создания массива DST..................................... 33
4.2 Формирование DST для димюонных событий............................. 33
4.2.1 Визуальный просмотр массива димюонов NIKHEF..............33
4.2.2 Создание промежуточного массива, обогащенного димюонами . 34
4.2.3 Создание окончательного массива DST...................... 35
4.2.4 Формирование DST для МС-событий.......................... 35
1
5 Физический анализ димюонных событий 37
5.1 Отбор димюонных событий и их характеристики.........................37
5.1.1 Критерии отбора димюонов, связанных с чармом.................37
5.1.2 Димюоны одного знака и тримюоны............................. 38
5.1.3 Характеристики траекторий мюонов в спектрометре..............39
5.1.4 Кинематика вершины 2р-событий................................42
5.2 Кинематический анализ отобранных /і+/і"-собьттий.................. 42
5.3 Отбор собьгтий-кандидатов распада J/ij) -» 53
6 Определение сечения ^NC-рождения J/ip 60
6.1 Нейтринный поток и чисто ^СС-событий...............................60
6.2 Эффективность регистрации и выделения J/чр-событий.................61
6.2.1 Эффективность детектора CHORUS.............................. 61
6.2.2 Эффективность реконструкции событий J/ір —» 62
6.2.3 Триггерная эффективность.....................................62
6.2.4 Эффективность кинематических отборов событий J/ip -». 63
6.3 Сечение N С- рождения J/ip........................................ 64
Заключение 69
Благодарности 70
Список литературы 72
2
Введение
Процессы рождения открытого чарма во взаимодействиях мюонных нейтрино, обусловленных заряженным током (i^CC), были детально изучены за последние три десятилетия многими экспериментальными группами (см., например, обзор [1]). В частности, на каждой из установок CDHS [2], CHARM-П [3], CCFR [4] и NuTeV [5) были накоплены тысячи событий, связанных с этой реакцией. Ее сечение составляет несколько процентов от полного сечения г^СС-взаимодействия. В экспериментах наблюдались т.наз. димюонные события, большая часть которых связана с распадами родившихся очарованных частиц на положительные мюоны. С их помощью удалось извлечь информацию о распредатении s-кварков в нуклоне, оценить массу с-кварка и элемент \VCd\ матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава (СКМ).
В отличие от ь'дСС, в ^-взаимодействиях, вызванных нейтральным током (i/^NC), с-кварки могут рождаться только парами, и, соответственно, с гораздо меньшими сечениями. Среди этих реакций наиболее удобной с точки зрения регистрации является образование J/ф-резонанса (скрытый чарм), распадающегося на пару мюонов. Этот редкий процесс наблюдался только в одном эксперименте группой CDHS [6] почти 20 лет назад.
Изучение i/pNC-рождения J/ф представляет интерес как с точки зрения сопоставления с имеющимися многочисленными данными по его электро- [7], мюо- [8 -10] и фоторождению [11-13], так и для непосредственного исследования механизма и расчетов вероятностей формирования различных состояний чармония {ф'у ха, ХсФ), распадающихся на J/ф.
Эксперимент CHORUS [14] на протонном суперсинхротроне (SPS, CERN), основной целью которого был поиск нейтринных осцилляций по каналу vT, накопил очень большую статистику данных по ^-взаимодействиям в массивном калориметре. Расположенный по пучку позади калориметра мюонный спектрометр был хорошо приспособлен для регистрации мюонов и измерения их импульса. Поэтому было естественно использовать вышеуказанные данные для выделения сигнала от распада J/ф —> Свидетельством рождения J/ф являлось бы наблюдение избытка
событий в области его массы (% 3,1 ГэВ) в распределении по инвариантной массе мюонных пар.
Целью экспериментального исследования, представленного в диссертации, являлось обнаружение сигнала и оценка сечения ^NC-рождения .//0-резонанса по зарегистрированной на детекторе CHORUS статистике нейтринных взаимодействий в калориметре.
Первым и самым трудоемким методическим этапом в решении этой задачи было осуществленное диссертантом формирование компактного массива (DST) 2/х-событий, предназначенного как для поиска J/ф, так и для обнаружения и/или изучения других процессов, связанных с димюонами. Параллельно на основе существовавшего набора смоделированных методом Монте-Карло (MC) димюонньгх событий, обусловленных vß- и /^-взаимодействиями в калориметре с образованием открытого чарма, был создан аналогичный массив MC-DST.
3
Основная физическая часть работы представляла собой анализ данных DST, который состоял из двух следующих этапов: 1) отбора и детального исследования характеристик событий, связанных, главным образом, с ^СС-рождением открытого чарма (доминирующий фон); 2) отбора событий-кандидатов для поиска сигнала .7/^ —У и изучения его характеристик.
На заключительном этапе диссертантом была определена эффективность регистрации искомого процесса, критически рассмотрены модельные подходы к теоретической интерпретации ^-рождения J/ф и оценено сечение этой реакции в NC.
Текст диссертации помимо Введения содержит шесть разделов, первые три из которых посвящены обзору теоретических и экспериментальных аспектов рождения с-кварков во взаимодействиях нейтрино с нуклонами, описанию детектора CHORUS и методике моделирования и обработки событий. Три последующих раздача составляют основу выполненного экспериментального исследования; после них следуют Заключение и список литературы.
4
1 Рождение с-кварков в ^-взаимодействиях
1.1 Рождение с-кварков в г/^СС-взаимодействиях
Как уже было отмечено во Введении, реакция образования очарованных частиц в рмСС-взаимодействиях с их последующим распадом на положительный мюон (VßN —> р~сХ, С Sfl+l/fff см. рис. 1) является основным фоном к процессу рождения J/тр.
Кинематика процесса такова: с 4-импульсом превращаясь в р~ с 4-
импульсом к2 на d- или 5-кварке нуклона с 4-импульсом р и массой A/,v, обменивается с ним виртуальным W +-бозоном с 4-импульсом q = к1 ~ к2‘, в лабораторной системе отсчета 4-векторы кл и к2 можно выразить через энергию и углы вылета \Г (£>-, 0ц-> (f>ß-) и энергию нейтрино Ev\
• ki = (Ei/, 0,0, Ei/),
• к2 = (Eß-, Eß- sinOß- cos<f>ß-, Eß- sin 0ß- sin фи~, Eß- cosOß~),
. E. = El + E$ + pß- + pß+ = К + Ef,
где E'v - энергия i/ß от распада с-кварка, Effi - “видимая” энергия адронного ливня.
Отметим, что кинематические характеристики ^СС-событий с детектированием пары являются неполными1 и сводятся к трем “видимым“ величинам (см. раз-
дел 5.2) - Qli3 < Q2, vvis < i/и W2ti; последние связаны с обычными инвариантными переменными Q2, V и W2, где:
• Q2 = -q2 - квадрат импульса, передаваемого нуклону,
• V = (pq)/MN - полная энергия, уносимая адронами,
• W2 = (р + q)2 = Мдг + ‘IMtfV - Q2 - квадрат массы адронного состояния.
Довольно большие средние значения Q2vis и vViS в CHORUS указывают на принадлежность т^СС-взаимодействий к глубоконеупругим процессам, описываемым пар-тонной моделью. При этом дифференциальное сечение этой реакции на нуклоне определяется известным выражением теории единого электрослабого взаимодействия (см., например, [15)):
j2-.CC /72
WÄ,= + Щр»р"/М* - (1)
где Wi (г = 1,2,3) - безразмерные структурные функции, jU"' - слабый лептонный
ток. При больших 5, Q2 и и, когда имеет место масштабная инвариантность (т. наз.
скейлинг Бьеркена), величины W\, (v/M\-)W2 и (i/JMn)W$ являются функциями одной безразмерной переменной х = Q2
Wi = Fi(x)f (v/MN)W2 = F2(x\ {v/Mn)W3 = Fs(x). (2)
При этом i/^CC-сечение на среднем нуклоне имеет вид:
j2_.CC п-2 .
тйг= 2?[Fi(i)xy2+ед(1 ~у) -ед(1"у/2)1; (3)
гВ нейтринных экспериментах величина неизвестна; для нейтринного пучка мы можем знать лишь вид его спектра, т.к. энергия, уносимая нейтрино при распаде с-кварка, не определяется.
5