Двухфотонные взаимодействия на установке DELPHI (CERN)

Содержание
1 Введение 3
2 Экспериментальная установка DELPHI 7
2.1 Трековые детекторы................................................. 12
2.2 Электромагнитные калориметры ...................................... 15
2.3 Детекторы мюонов.................................................. 18
2.4 Особенности постановки экспериментов но изучению двухфотонных
взаимодействий .................................................... 19
3 Структурная функция фотона 22
3.1 Селекция событий и оценки фона..................................... 25
3.2 Моделирование и сравнение с экспериментальными данными..............28
3.3 Процедура анфолдинга (unfolding) экспериментальных данных.......33
3.4 F27,^££> и Э(}х]>ект ненулевой массы мишени ........................36
3.0 Параметризации распределения партоиов в фотоне......................39
3.6 Анфолдинг Р%,С*СГ) и обсуждение результатов.........................42
3.7 Заключение и выводы но измерению структурной функции фотона . . 51
4 Образование tjc мезонов 55
4.1 Детектор и экспериментальные данные................................ 56
4.2 Измерение двухфотонной ширины Г77...................................61
4.3 Результаты измерения двухфотонной ширины распада г)с мезона .... 62
5 Взаимодействие высоковиртуальных фотонов 64
5.1 Изучение взаимодействий е+е“ —► е+е_ -f 66
5.1.1 Анализ экспериментальных данных.............................. 66
5.1.2 Результаты....................................................70
5.2 Изучении е+е” —»■ е+е- + hadrons взаимодействий ......... 73
5.2.1 Анализ экспериментальных данных.............................. 73
5.2.2 Результаты....................................................75
а •
1
5.3 Заключение и выводы по изучению взаимодействий
высоковиртуальных фотонов......................................... 80
6 Образование струй в жестких 77 столкновениях 84
6.1 Детектор и экспериментальные данные................................87
6.1.1 Отбор событий............................................... 88
6.1.2 Моделирование‘сигнала'и вклад фоновых событий...............90
6.2 Анализ экспериментальных данных................................... 91
6.2.1 Множественное взаимодействие партонов ...................97
6.2.2 Коррекция эффекта адронизации, акссптанс и вычитание фона 98
6.3 Результаты........................................................100
6.4 Заключение и выводы но изучению образования жестких струй во взаимодействиях квазиреальных фотонов..................................105
7 Перспективы исследования фотон-фотонных реакций 106
8 Заключение 111
9 Литература 121
2
1 Введение
Настоящая диссертационная работа представляет экспериментальные результаты изучения взаимодействия фотонов, полученные на установке DELPHI(CERN)1
Двухфотонные реакции являются продуктивным источником информации во многих областях физики высоких энергий. Объектом исследований являются процессы квантовой электродинамики (КЭД, QED), такие как рождение лептопов; процессы глубоконеупругого электрон-фотонного рассеяния; образование ‘жестких’ струй и рождение тяжелых кварков, описываемые в рамках квантовой хромодинамики (КХД, QCD). Обширную область исследований составляет адронная спектроскопия состояний двухфотонного слияния, включая поиск новых частиц. Базовые аспекты физики фотон-фотонных взаимодействий приведены в пионерской (но данной тематике) работе [1].
Первые результаты экспериментального наблюдения реакции (e'fe~ —> е1'е~е+г~) были получены в Новосибирске [2] и затем подверждены во Фраскати [3). Там же была впервые исследована реакция (е+е- —* c+e~/i+fi~) [4].
Накопительные электрон-нозитронные кольца (е+е~ storage rings) являются мощным источником виртуальных фотонов, взаимодействие которых и является объектом данного типа исследований. Таким образом, моноэнергетический с+е~ коллайдер формирует своеобразный интенсивный ‘фотонный коллайдер’ в широком спектре энергий сталкивающихся фотонов. Замечательным фактом является то, что значимая доля электронов рассеивается на относительно большие углы, что делает возможным их регистрацию и открывает новый, не доступный иным образом, класс взаимодействий - глубоконеупругое рассеяние электрона на квазиреальном фотоне.
Обобщенная диаграмма реакции (е+е_ —* е+е- + X) приведена на рисунке 1. Иалетающиеся электроны2 испускают виртуальные фотоны, которые, вследствие
1в дальнейшем в написании названий экспериментальных установок, детекторов установки, равно как и названия ускорителей, предпочтение будет отдано оригинальным (англоязычным) вариантам с целью соблюдения соответствия текста приводимым рисункам и списку цитируемой литературы.
2в рамках настоящей работы термин ‘электрон’ используется для обозначения электронов и позитронов встречных пучков ускорителя LEP. В обозначениях размерностей величин предполагается с = h «=» 1.
3
‘принципа неопределенностимогут флуктуировать в некоторое промежуточное состояние - II/пару или кварк-глюонную систему. Двухфотонное взаимодействие может быть представлено, например, как рассеяние одного из фотонов на лептоне промежуточного состояния, образованного другим фотоном. Диаграммы 77 взаимодействий, обозначенные в центре рисунка 1 ‘ядром’, будут приведены ниже, поскольку в них заключена индивидуальность каждого конкретного типа взаимодействий, будь то столкновение квазиреальных фотонов или же неунругос электрон-фотонное рассеяние.
Рис. 1: Диаграмма фотон-фотонного рассеяния |5].
Для описания 77 взаимодействий используются следующие кинематические переменные (рис. 1):
• Рх - четырех-имнульс налетающих электронов, Еъеат ~ энергия и в - квадрат
4
суммарной энергии электронов в системе ‘центра масс’;
• Ро 9'i - четырех-импульс и полярный угол рассеянных электронов;
• qi - четырех-импульс виртуальных фотонов. Далее в работе одной из основных переменных будет Q2 — —Qi, являющаяся мерой виртуальности фотона;
• W - инвариантная масса взаимодействующих фотонов.
Фотои-фотонное рассеяние характеризуется следующими кинематическими и топологическими особенностями. Полное сечение двухфотонных взаимодействий растет как ln2(s) и уже в области энергий сталкивающихся электронов порядка 1 ГэВ полное сечение рождения, например, д+д~ в процессе двухфотонного обмена становится больше сечения образования мюоннон пары в е+е“ аннигилляцпи [lj. Однако, зависимость сечения 77 взаимодействий от инвариантной массы (1 /W2) затрудняет регистрацию значительной части двухфотонных реакций - энергия рожденных частиц мала для их детектирования. Кроме того, 77 система движется (преимущественно) вдоль оси сталкивающихся пучков электронов, и рожденные во взаимодействии фотонов частицы оказываются ‘прижатыми’ к этой оси. В результате в зарегистрированных событиях некоторая часть рожденных частиц оказывается потерянной вследствие ограниченности аксентанса экспериментальных установок. Отметим, что основной интерес к изучению структуры фотона связан с проявлением ‘жестких* процессов в 77 взаимодействиях, в которых влияние отмеченных особенностей реакции не является определяющим.
Двухфотониые взаимодействия классифицируют ио признаку регистрации рассеянных электронов. В случае, если оба электрона не детектируются (что соответствует малым полярным углам рассеяния), то такие 77 события называют ‘немеченными’ (untagged). Пели же один или оба электрона зарегистрированы в установке, то такие взаимодействия называют событиями, соответственно, ‘одиночного’ (обозначаемые как 7*7, single-tagged) или ‘двойного мечения’ (7*7’» double-tagged). Символ V явным образом обозначает высокую виртуальность какого-либо из фотонов. Сечение взаимодействий ведет себя как (1/Q2)2 и уменьшается
на несколько порядков величины от первого из указанных классов событии до последнего.
Анализ двухфотонных взаимодействий проводился на всех электрон-нозитронных ускорителях, достигнув ‘пика’ своей результативности на коллайдере LEP по широте спектра исследованных реакций и, следовательно, но количеству статей в научных журналах - 4 коллаборации (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL) опубликовали более 50-ти работ но данной тематике.
Диссертационная работа организована следующим образом. Во 2-ом разделе работы приведены краткое описание экспериментальной установки DELPHI с акцентом на ее наиболее значимые (с точки зрения данной работы) элементы и особенности постановки экспериментов в области исследования двухфотонных взаимодействий. Раздел номер 3 содержит подробное описание измерения структурной функции фотона в процессе глубоконеупругого электрон-фотонного рассеяния в событиях ‘одиночного* мечения. В следующей части приведены результаты измерения ширины двухфотонного распада т?с мезона на основе анализа ‘немеченных’ событий. В 5-ом разделе работы представлен анализ взаимодействий ‘двойного* мечения, т.е. реакции фотонов относительно высокой виртуальности, а 6-й содержит результаты измерения но образованию ‘жестких* струй во взаимодействии квазиреальных фотонов и проводится сравнение полученных результатов с вычислениями в рамках КХД. Принятое в коллаборации ATLAS (CERN) предложение по исследованию рождения лептонных пар в фотон-фотонных взаимодействиях на основе, так называемых, ультрансриферических взаимодействий тяжелых ядер представлено в 7-ом разделе работы. Основные результаты диссертации и список соответствующих публикаций приведены в заключительной 8-й главе данной работы.
6
2 Экспериментальная установка DELPHI
DELPHI (DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification, ДЕЛФИ) детектор был создан и результате многолетней работы большого (в создании установки принимало участие около тысячи научных и инженерно-технических сотрудников) интернационального коллектива. Основными идеями на стадии проектировании установки были высокая гранулярность всех входящих в ее состав детекторов при как можно большем покрытии телесного угла, а также включение в состав установки детекторов для идентификации частиц конечного состояния.
В данной главе вначале приведено описание базовых принципов проектирования установок для коллайдеров элементарных частиц, а затем следует описание детекторов установки DELPHI со степенью детализации каждого, соответствующей дальнейшему использованию информации с данного детектора.
Максимально детализированное описание всех (ALEPH, DELPHI, L3 и OPAL) экспериментальных установок, работавших на ускорителе LEP, приведено в работах [6]-[13]. Концепция компоновки установок была схожей, а различия в исполнении были обусловлены акцентом на наиболее эффективное детектирование того или иного типа частиц. Обобщенная модель экспериментальных установок является характерной для коллайдеров и включает в себя следующие компоненты (перечисленные но степени удаленности от точки е+е~ взаимодействия):
• вершинный детектор для регистрации распадов короткожнвущих частиц. Основным объектом на ускорителе LEP были В-мсзоны;
• центральный трековый детектор для восстановления импульсов заряженных частиц;
• электромагнитный калориметр для детектирования фотонов (в основном, от распадов тг° мезонов) и идентификации электронов;
• адронный калориметр для регистрации и нейтральных и заряженных адронов;
• мюонная система;
7
• относительно небольших размеров электромагнитные калориметры, расположенные близко к вакуумной трубе ионопровода (beam-pipe) с циркулирующими электронами, для измерения светимости ускорителя, в месте расположения установки. Эти, так называемые, ‘мониторы светимости' являются основными детекторами для регистрации расссяииых электронов в событиях ‘одиночного’ и ‘двойного мечения’.
Различие в исполнении установок проиллюстрируем на примере L3 и DELPHI. Коллаборация L3 стремилась к наиболее эффективной регистрации лептон-фотонной компоненты событий и выбрала BGO-кристаллы в качестве электромагнитного калориметра, а также поместила мюонную систему внутрь сверхпроводящего магнита. Установка DELPHI включала в себя Ring Imagine Oherenkov Detector (RICH detector) с целыо идентификации адронов конечного состояния. Особенности компоновки и различие в эффективности регистрации того или иного типа частиц, имеющие отношение к двухфотонным реакциям, будут отмечены далее.
Обратимся теперь к конкретному воплощению приведенных принципов на установке DELPHI. Но прежде, необходимое отступление - краткое описание ускорителя LEP и определение системы координат, используемое в DELPHI.
Ускоритель LEP (Large Electron-Positron collider, Большой Элсктрон-Позитронный коллайдер), спроектированный физиками и инженерами Европейского Центра Ядерных Исследований (CERN3, European Organization for Nuclear Research, Женева, Швейцария), был введен в эксплуатацию в июле 1989-ix) года. Коллайдер размещен в подземном (на глубине около 100 метров) тоннеле и состоит из 8-ми прямолинейных секций длиной 0.5 км, соединенных дугообразными секциями протяженностью ‘2.8 км каждая. Тем не менее, для упрощения повествования и иллюстрирования данный ускоритель принято называть ’кольцевым’. Внутренний диаметр тоннеля составляет 3.8 м за исключением четырех залов, в которых располагались экспериментальные установки ALEPH, DELPHI, L3 и OPAL. Энергия иижекции электронов и позитронов составляла 20 ГэВ с последующим
3CERN - аббревиатура фрашо’зского Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
ускорением до 44-48 ГэВ (на первом, называемом LEP1, этапе работы ускорителя в 1989-1994 годах) или до величины около 100 ГэВ (в последующие годы на, так называемом, этапе LEP2). Пучок электронов/позитронов в процессе ускорения группировался в 4 сгустка (bunch), каждый из которых содержал порядка 1011 частиц. В местах пересечения пучков (в нуле системы координат экспериментальных установок) сгустки имели в поперечнике эллипсоидную форму с горизонтальным (вертикальным) размером около 200 (10) мкм. Продольный размер сгустка составлял около одного сантиметра. Набранная интегральная светимость ускорителя будет приведена в соответствующих главах диссертации, так как эта величина является необходимой при анализе экспериментальных данных. Подробное описание физических характеристик коллайдера LEP приведено в работе [14].
Система координат, принятая в DELPHI, определена следующим образом. Ось z совпадает с линией столкновения электронов и позитронов и положительным направлением оси л является направление электронов. Ось х перпендикулярна оси z и обращепа в центр кольца ускорителя LEP, а ось у перпендикулярна обеим указанным осям и направлена вверх. Полярный угол но отпошению к осп z будет обозначаться в, а азимутальный угол вокруг оси z - ф.
Экспериментальная установка DELPHI - один из четырех детекторов, так называемого, общего или многоцелевого назначения (general purpose, multipurpose). Такое обобщеное название отражает способность экспериментальной установки набирать данные в широком спектре физических задач. DELPHI - это комплекс из 20-ти детекторов различного назначения. Самая полная информация о компоновке DELPHI приведена в работах [15] (описание ‘стартовой1 компоновки установки) и [1C] (описание модернизированной установки н детализация различных аспектов работы - эффективности восстановления 6-струй, идентификации лептопов и т.п.). П дальнейшем не будем вдаваться в подробности организации разветвленной на нескольких уровнях триггерной системы DELPHI и приведем в соответствующих разделах диссертации лишь вычисленные эффективности системы, а детали организации могут быть найдены в работе [17]. Схематическое изображение установки показано на рисунке 2, а рисунок 3 представляет чертеж установки в
9