2
Оглавление
Введение 4
Глава 1. Теоретическое введение 9
1.1 Распад К~ —♦ 9
1.2 Распад К~ —> 7.............................................11
1.2.1 Способы вычисления формфакторов Гу, Га..........................14
1.2.2 Способы измерения формфакторов Гу, Га...........................15
Глава 2. Экспериментальный обзор и описание установки ”ИСТРА+” 17
2.1 Способы изучения распадов.......................................17
2.2 Эксперименты по изучению распада К —» ////7.....................18
2.3 Эксперименты по измерению формфакторов Гу, Га в других распадах ...........................................................20
2.4 Общее описание установки ’’ИСТРА+”..............................21
Глава 3. Реконструкция событий и идентификация частиц 25
3.1 Реконструкция данных............................................25
3.1.1 Калибровка и геометрическая привязка............................25
3.1.2 Реконструкция пучковот и вторичных треков.......................31
3.1.3 Вершинный фит...................................................37
3.1.4 Реконструкция ливней в электромагнитном калориметре.............40
3.2 Идентификация продуктов распада А-мезонов........................49
3.2.1 Идентификация мюонов............................................49
3.2.2 Идентификация фотонов...........................................51
3.3 Кинематическая калибровка........................................52
3.3.1 Поправка к импульсу мюона.......................................53
3.3.2 Поправка к энергии фотона .................................... 53
з
3.4 Монте-Карло установки ’’ИСТРА+”...................................54
3.5 Набор физической статистики.......................................56
Глава 4. Отбор событий, соответствующих распаду К “ —► 7 57
4.1 Идентификация распада и первичный отбор...........................57
4.2 Триггерная эффективность..........................................58
4.3 Выбор основной переменной для наблюдения сигнала..................59
4.4 Фоновые процессы..................................................60
4.5 Возможные подходы к измерению формфакторов в распаде К —*
/и/7 61
4.6 Разделение на ж-полосы............................................62
4.7 Установление ограничения на у в гг-полос ах ......................63
4.8 Выбранный кинематический диапазон.................................67
4.9 Вклады БО и ШТ в сигнал .........................................69
4.10 Одновременный фит в ж-полосах.....................................72
4.11 Определение статистической ошибки одновременного фита ж-нодос 81
4.12 Число сигнальных событий..........................................81
Глава 5. Фитирование спектра и измерение іф — Га 83
5.1 Фит спектра но ж в рамках модели КТВ 0(р4).......................83
5.2 Проверка процедуры одновременного фита............................84
5.3 Фит спектра по ж в рамках модели КТВ 0(р6).......................85
5.4 Фит спектра по ж в рамках модели ЬКРМ ...........................86
5.5 Изучение систематических ошибок...................................86
5.6 Окончательный результат...........................................90
Заключение 91
Литература
93
4
Введение
Актуальность исследования
С момента открытия первой элементарной частицы - электрона - иронию уже более ста лет. За это время физика частиц достигла впечатляющих результатов как в теории, так и в эксперименте. Большинство этих достижений легли в основу Стандартной Модели, сформировавшейся в 70-х—80-х годах XX века. Стандартная Модель (СМ) представляет собой объединение квантовой хромодинамики (КХД) и электрослабой теории на основе калибровочной группы .577(7(3) х 5Г/^(2) х /7(1) и описывает большинство наблюдаемых явлений в диапазоне энергий до нескольких сотен ГэВ. В то же время СМ содержит в себе ряд недостатков, которые не позволяют считать се окончательной теорией. Кроме того, КХД имеет сложности с описанием явлений, происходящих при энергиях меньше 1 ГэВ. Это связано с тем, что глюоны, являющиеся носителями цветового заряда, взаимодействую']' не только с кварками, но и сами с собой, что приводит к появлению конфайнмента -«невылетания» кварков. В результате кварки оказываются «запертыми» в барионах или мезонах и для их описания уже не применимы методы КХД.
Для преодоления этих сложностей было разработано множество эффективных полевых теорий, одной из которых является киральная 'теория возмущений (КТВ). КТВ является низкоэнергетической реализацией СМ, т.к. се лагранжиан включает в себя все слагаемые, которые допускаются лежащими в основе теории симметриями. Поэтому КТВ призвана описывать сильные и электрослабые процессы при низких энергиях.
В настоящее время в физике частиц проводятся и проектируются многочисленные эксперименты как но проверке предсказаний СМ, так и по поиску Новой Физики (НФ) за пределами СМ. Эксперименты можно условно разделить на три группы. Во-первых, это опыты при максимально высоких энергиях, предназначенные для прямого наблюдения эффектов НФ и изу-
5
чения природы спонтанного нарушения симметрии в электрослабом секторе. Во-вторых, эксперименты с космическими лучами и различными типами нейтрино (ускорительные, реакторные, солнечные...). К третьей группе относятся высокоточные эксперименты но поиску отклонений от СМ в редких или запрещенных процессах. В эти процессы могут давать вклад новые частицы столь больших масс, что они не будут напрямую рождаться на коллайдерах.
Одним из направлений этой деятельности является изучение редких распадов ^-мезонов. Несомненные достоинства данной техники - относительная простота получения (/С-мезоны являются самыми легкими и самыми долгоживущими из частиц, включающих в себя кварки 2-го поколения), сравнительно небольшое количество каналов распада (и, соответственно, их интерпретация), возможность прецизионных измерений с точностью до ~1% и выше.
Радиационные распады /<Т-мезонов (распады, содержащие фотон в конечном состоянии) относительно просты в описании. Как уже упоминалось, для таких процессов применяются вычисления в рамках эффективных теорий, таких как киральная пертурбативная теория. КТВ дает количественные предсказания для радиационных каоных распадов, поэтому эти распады позволяют проверять предсказания данной модели. Помимо этого радиационные распады могут быть чувствительны к Повой Физике.
Цель исследования
Основной целыо дайной работы является экспериментальное измерение разности векторного и аксиального формфакторов Гу и Га в радиационном распаде К~ —> /х”Рд'у.
Научная новизна исследования
В ходе выполнения работы разработаны новые методика и критерии отбора событий распада К~ —» д~ьуу. В частности, разработана процедура кинематической калибровки на основе двухчастичного распада К~ —> 7г-7г°. Использование процедуры максимизации значимости сигнала позволило опре-
6
делить область наилучшего выделения сигнала. Для надежного отделения сигнала от фона разработан метод одновременного фитирования трех гистограмм. Полученная статистика является рекордной для изучаемого распада. Впервые измерен вклад интерференционного члена в дифференциальную ширину распада. Определены знак и абсолютное значение разности формфакторов Fv—Fa, которое сравнивается с различными теоретическими предсказаниями.
Полученные в данной работе результаты и методы анализа представляют значительный интерес для текущих экспериментов по изучению редких распадов легких мезонов - ОКА (ИФВЭ, Протвино), NA62 (ЦЕРН, Швейцария), KLOE (Фраскати, Италия), а также для планируемых экспериментов на сильноточном протонном ускорителе JPARC в Японии.
Личный вклад
Автор разработал программу анализа данных, набранных в эксперименте ’’ИСТРА-1'”, для выделения распада К~ —► 7, а также распада
К~ —» 7г“7г°, используемого для дополнительной кинематической калибровки. В рамках общей методики анализа данных автор разработал процедуру кинематической калибровки; применил значимость сигнала для наложения эффективных ограничений на кинематические переменные; с помощью про-цедуры одновременного фита определил количество сигнальных событий; измерил вклад интерференционного члена INT" в дифференциальную ширину распада; определил знак и абсолютную величину разности формфакторов Fv — Fa; исследовал полученный результат на предмет систематических ошибок и получил величины этих ошибок; провел сравнение с предсказаниями теории.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 95 страницах печатного текста, содержит 84 рисунка, 2 таблицы и состоит из введения, пяти глав и заключения. Список литературы включает в себя 43 наименования.
7
Во Введении раскрывается актуальность проблемы, излагаются основная цель исследования, научная новизна работы и личный вклад автора; приводятся данные об апробации работы.
В первой Главе приводится краткое теоретическое введение, в котором описывается феноменология распада К~ —> /1-^7. Приводятся основные вклады в амплитуду и дифференциальную ширину распада и теоретические оценки для численных значений формфакторов. Далее приводится краткий обзор экспериментальной ситуации, в котором рассматриваются предыдущие эксперименты по изучению распада. Приводятся результаты этих экспериментов.
Во второй Главе описываются подходы к изучению редких распадов. Также приводится краткое описание основных частей установки ”ИСТРЛ+” -пучкового спектрометра, распадного объема и охранной системы, магнитного спектрометра, электромагнитного и адронного калориметров. Приводятся основные характеристики детекторов установки. Описывается триггер, применявшийся при наборе данных.
В третьей Главе подробно излагается процедура реконструкции событий на установке ”ИСТРА+”, включающая в себя калибровку и геометрическую привязку трековых детекторов, реконструкцию пучкового и вторичного треков, вершинный фит и реконструкцию ливней в электромагнитном калориметре. Обсуждаются набор физической статистики и генерация событий Монте-Карло. Также описываются процедура идентификации мюонов с использованием электромагнитного и адронного калориметров и кинематическая калибровка.
В четвертой Главе дается подробное описание методов и критериев отбора событий распада К~ —» \Сиз экспериментальных данных, которые включают в себя первичный отбор, учет триггерной эффективности, выбор переменных для наблюдения сигнала, определение оптимального кинематического диапазона, процедура фитирования для выделения сигнала и опре-
- Київ+380960830922