2
Оглавление
Введение 4
1. Ускорительный комплекс ВЭПП-2М и детектор КМД-2 8
1.1. Комплекс ВЭПП-2М.......................................... 8
1.2. Детектор КМД-2............................................... до
1.3. Проведение эксперимента...................................... 21
2. Общие характеристики и условия отбора событий процесса
е+е" —> 7Г+7Г~7Г° 23
2.1. Общие характеристики процесса............................. 23
2.2. Условия отбора событий.................................... 26
2.3. Фоновые процессы.......................................... 36
2.4. Эффективность регистрации я-*............................. 39
2.5. Эффективность регистрации 7г° .......................... 43
2.6. Определение полной поправки к эффективности регистрации е+е" —♦ 7Г+7Г“7Г° ...................................... 46
3. Сечение реакции е+е~ —*7г+7г_7г° 48
3.1. Определение сечения изучаемого процесса................... 48
3.2. Эффективность триггера.................................... 50
3.3. Аппроксимация наблюдаемого сечения ....................... 51
3.4. Систематические погрешности............................... 55
3.5. Обсуждение результатов по измерению сечения реакции е+е~ —> 7Г+7Г~7Г° ................................... 56
3.6. Изучение динамики распада ф —> п+тг~тг0................... 60
3.7. Поиск распадов ф —► 7Г+7т-77 и ф —> 7г+7г~г\.............. 65
з
4. Электромагнитный калориметр на основе сцинтилляцион-
ных кристаллов СвІ для детектора КМД-3 76
4.1. Разработка основных компонентов калориметра и его конструкции .................................................... 78
4.2. Изготовление калориметра................................ 91
4.3. Первые результаты.......................................106
Заключение 110
Приложения 112
А. Описание функции логарифмического нормального распределения 112
Б. Учёт энергетического разброса частиц в пучке 112
Литература
114
4
Введение
В Институте ядерной физики с 1992 по 2000 год был проведен цикл экспериментов с Криогенным Магнитным Детектором (КМД-2) [1] на накопителе со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2М [2] в области энергии 0.36-1.4 ГэВ в системе центра масс. Целыо этих экспериментов было прецизионное измерение полного сечения е+е“ аннигиляции в адроны, а также изучение свойств легких векторных мезонов: р, и и ф.
В экспериментах по изучению ф мезона с детектором КМД-2 записаны данные с интегральной светимостью около 14 пб-1 (более 20 миллионов ф мезонов произведено в е+е" столкновениях), что позволяет изучать редкие моды распада на уровне 10“4 — 10“5 - на два порядка ниже, чем с предыдущим поколением детекторов. Огромное количество записанных событий с основными модами распада позволило провести прецизионные измерения параметров самого ф мезона [3, 4].
Распад ф —* 7г+7г_7г° является одной из основных мод распада ф мезотта, хотя, согласно правилу Цвейга, вероятность этого процесса должна быть подавлена. Измерение сечения е+е" —* 7г+7г' тг0 в области ^»-резонанса позволяет получить информацию о структуре ф мезона и найти параметры а;—ф интерференции.
Кроме изучения полного сечения реакции е+е~ —► 7гь7г“7г0, представляет интерес исследование динамики распада ф —* Зтг. Согласно предсказанию Гелл-Мана, Шарпа, Вагнера [5], этот распад идёт с образованием промежуточного ртт состояния. Однако, начиная с работ [6, 7], обсуждалась возможность наличия прямого контактного перехода ф —» 7г+7г“7г°, а в работе [8] было отмечено, что для того, чтобы выполнялись и условия К8ИР [9, 10], и
5
низкоэнергетическая теорема [11], амплитуда 7 —> Зтг должна выражаться через амплитуды рождения ртг И 7Г° —*• 27. Следует отметить, что спектр конкретных теоретических предсказаний на величину контактного члена достаточно широк [12, 13, 14, 15]. Кроме того, согласно [16], на динамику распада может влиять взаимодействие пионов в конечном состоянии.
Распад ф —> р°77, р° —> тг+7г_, согласно работе [17], может идти через промежуточные состояния г] и rf. Этот механизм приводит к увеличению вероятности распада ф —» р°77 по сравнению с предсказанием ки-ральной теории возмущений для векторных мезонов [18]. В работе [17] величина относительной вероятности распада ф —► р°77 предсказывается на уровне В(ф —> р°77) = 1.3 х 10"4. Распад ф —» тг+7г-77, согласно работе [19], должен идти через промежуточное состояние ргр В этом распаде нарушается G-чётность и в работе [19] вероятность этого распада предсказывается на уровне В = 0.35 х 10”6. Измерение относительной вероятности В(ф —» тг+7г“77) поможет прояснить особенности механизма этого распада.
Сечение реакции е+е~ —> 7г+7г“7г° в области энергии ф изучалось различными группами в Орсэ [20, 21, 22, 23, 24], в Новосибирске [25, 26, 27, 28, 30, 31, 32, 33, 34, 35] а также с помощью метода радиационного возврата на В-фабрике в Стэнфордском Центре Линейного Ускорителя (SLAC) [36]. Как видно, несмотря на почти сорокалетнюю историю изучения этой реакции интерес к ней по-прежнему сохраняется. Это связано с важной задачей прецизионного измерения параметров ф — ^-интерференции, а также параметров ф мезона в трёхпионном канале распада.
В первых экспериментах [20, 21, 25, 22], выполненных на электрон-позитронных накопителях АСО и ВЭПП-2, наблюдались события реакции е+е~ —» Зтг, и с небольшой точностью (10 ~ 20 %) было измерено её сечение. В следующих измерениях, проведённых детекторами M3N [23] на накопителе АСО и ОЛЯ [26] — на ВЭПП-2М, впервые наблюдалась ш — ф-интерференция в канале 3-тг и было показано, что фаза интерференции близка к 180°. В более поздних исследованиях, проведённых с детекторами DM1 [24] на накопителе АСО, а также ОЛЯ [27] и НД [28] — на ВЭПП-2М, сечение измерялось в более широком диапазоне от 660 до 1400 МэВ с интс-
б
тральной светимостью в несколько сот обратных нанобарн. При этом была определена вероятность перехода ф —> 3-7Г и фаза ш — 0-интерференции. В недавних экспериментах с детекторами КМД-2 [30, 31, 32] и СНД [33, 34, 35] на накопителе ВЭПП-2М, а также ВАВАЯ [30] на ускорительном комплексе РЕР-Н в Стэнфорде были выполнены прецизионные измерения сечения реакции е+е" —► 7г'ь7г~7г° в диапазоне энергий от 060 до 3000 МэВ.
В данной работе измерялось сечение реакции е+е_ —> тг+7г_7г° в области 0-мезонного резонанса, в диапазоне энергии в системе центра масс е+е~ пучков 2Е — 984^- 1060 МэВ. Величина сечения в пике 0-мезоиного резонанса была измерена с лучшей в мире точностью [37].
Первое экспериментальное свидетельство доминирования ртг механизма в распаде ф —► 7г+7г"‘7г0 было опубликовано в работе [29]. Позднее в экспериментах на детекторах КМД-2 [30] и СНД [38] на большей статистике было подтверждено доминирование ртг механизма, помимо этого получены ограничения на величину контактной амплитуды. В работе [39] динамика распада ф —> тг+7г~'7ги была изучена на статистике около 2 х 106 событий, набранной детектором КЬОЕ на 0-фабрике ИАФИЕ (Национальная лаборатория ИНФН, Фраскатти, Италия). Одновременно с этой работой проводился анализ событий ф —► 7г ' 7г~7г° на диаграмме Далица с данными, набранными детектором КМД-2 [40, 37]. На статистике объёмом около 80000 событий, отобранных в области энергии в с.ц.м. у/в = 10174-1021 МэВ, были измерены абсолютная величина и фаза контактной амплитуды, которые согласуются с результатом КЬОЕ.
Поиск распадов ф —► 7г+7г_77 и ф —> 7г+1Г~г} проводился в работах [30, 41], выполненных на детекторе КМД-2. В них были получены ограничения на относительные вероятности В(ф —> 7Г7Г77) < 5 х ДО“4 (СЬ = 90%), В(ф —> птгт]) < 1.8 х 10-5 (СЬ = 90%). В данной работе [42] проводился поиск распадов ф —*■ 7г+7г"77 и ф —► я+тг~7] на большей статистике, по сравнению с предыдущими работами.
В настоящее время в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН завершено строительство е+е“-коллайдера ВЭПП-2000 [43] с энергией в с.ц.м. до 2 ГэВ. Для экспериментов на ВЭПП-2000 создан новый криогенный
7
магнитный детектор КМД-3 [44, 45] и проведена модернизация детектора СНД [46, 47]. Важной задачей в экспериментах на новом накопителе является прецизионное измерение полного и парциальных сечений процессов е+е~ аннигиляции в адроны, в частности сечения процесса е+е~ —> 7г+тг_7г0.
Детектор КМД-3 унаследовал общую структуру детектора КМ Д-2, однако основные характеристики, такие как импульсное и угловое разрешение для заряженных частиц, а также координатное и энергетическое разрешение для фотонов, будут существенно улучшены.
Одной из наиболее важных систем детектора является электромагнитный калориметр, основные задачи которого - измерение энергии и координат гамма-квантов с высоким разрешением в широком диапазоне энергии, от ЮМэВ до 1ГэВ, разделение электронов и адронов, а также формирование сигналов для нейтрального и заряженного триггера. Цилиндрический электромагнитный калориметр детектора КМД-3 состоит из двух подсистем: ближайшего к оси пучков калориметра на основе жидкого ксенона (ЬХе) [48, 49] и сцинтилляционного калориметра на основе кристаллов СзІ(Ка) и Св1(Т1) [50]. •
Первая часть данной работы состоит из двух глав. В Главе 1 приведено описание эксперимента с детектором КМД-2. В Главе 2 описан анализ экспериментальных данных с интегральной светимостью около 11 иб-1, набранной детектором КМД-2 в области ^-мезонного резонанса, в диапазоне энергий в системе центра масс е+е~ пучков 2Е — 984 4- 1060 МэВ. В работе
НреДСТаВЛеНЫ результаты ПО ИЗМереНИЮ СечеНИЯ Процесса Є+Є~ —> 7ГН'7Г—7Г°, изучению динамики распада ф —> 7г+7г”7г° и поиску распадов ф —► тг+7г“77 и ф — > К+К~Г).
Вторая часть работы посвящена разработке и созданию электромагнитного калориметра на основе сцинтилляционных кристаллов Сз!(Т1) и СвІ(Па) для детектора КМД-3.
Основные результаты работы приведены в Заключении.
8
Глава 1.
Ускорительный комплекс ВЭПП-2М и детектор
Эксперименты, описанные в данной работе, проводились на установке ВЭПП-2М со встречными е+е_ пучками. Ускорительно-накопительный комплекс, схема которого приведена на Рис. 1.1, состоит из инжектора, синхротрона, бустера и самого накопителя [2]. Инжектором комплекса является импульсный линейный ускоритель электронов с максимальной энергией частиц ЗМэВ. Синхротрон Б-ЗМ ускоряет электроны до энергии 200 МэВ. В режиме накопления электронов пучок из Б-ЗМ перепускается в бустерный накопитель БЭП [51]. Для получения позитронов электроны из Б-ЗМ направляются на конвертор. Образовавшиеся позитроны собираются фокусирующей системой и накапливаются в БЭП. После накопления тока 10-20 мА пучок ускоряется до энергии эксперимента и перепускается в накопительное кольцо ВЭПП-2М.
Накопитель ВЭПП-2М представляет собой жесткофокусирующее кольцо с четырьмя прямолинейными промежутками. В одном из промежутков
Г л
1.1. Комплекс ВЭПП-2М
9
Рис. 1.1. Схема ускорительно-?іакопительного комплекса ВЭПП-2М.
Таблица 1.1. Основные параметры накопителя ВЭПП-2М.
Энергия пучков, МэВ Количество сгустков в пучке Периметр орбиты, м Размеры пучка в месте встречи вертикальный, мкм радиальный, мкм длина сгустка, см Ток в пучке, мА
Максимальное поле в поворотных магнитах, Тл Радиус кривизны орбиты в поворотных магнитах, м Частота ВЧ резонатора, МГц Средняя светимость при 500 МэВ, см-2 • с“1
находится ускоряющий резонатор, в противоположном — сверхпроводящий Виглер-магиит (“змейка55) [51], служащий для получения большей светимости за счет увеличения фазового объема пучка. В двух других промежутках установлены детекторы КМД-2 |1] и СГІД [46]. Основные параметры накопителя приведены в Табл. 1.1.
180-700
1
17.88
10
400
2
~50 1.8 1.22 200 2 • Ю30
10
Рис. 1.2. Схема детектора КМД-2. 1 — вакуумная камера; 2 — дрейфовая камера; 3 — Ъ-камера; 4 — основной сверхпроводящий соленоид; 5 — компенсирующий соленоид; 6 — торцевой калориметр на основе ЕЮО; 7 — цилиндрический калориметр на основе СвІ; 8 — мюонная система; 9 — ярмо магнита; 10 — квадрупольные линзы.
1.2. Детектор КМД-2
Детектор КМД-2 позволяет регистрировать и измерять с высокой точностью параметры заряженных частиц и фотонов. Схема детектора представлена на Рис. 1.2. Координаты, углы вылета и импульсы заряженных частиц измеряются координатной системой детектора, состоящей из дрейфовой (2) и Z-кaмep (3), расположенных в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим соленоидом (4). Цилиндрический (7) и торцевой (6) электромагнитные калориметры, изготовленные из сцинтилляционных кристаллов Св1 и ЕЮО соответственно, обеспечивают измерение энергии и углов фотонов, а также позволяют разделять электроны и адроны. Пробежная система (8) служит для разделения мюонов и адронов.
Вакуумная камера в прямолинейном промежутке имеет диаметр 40 мм и длину 1 м. Для уменьшения многократного рассеяния ее центральная часть
- Київ+380960830922