Содержание
1 Введение
2 г-лептон
2.1 Предыстория открытия т-лептона.......................................
2.2 Открытие т-лептона...................................................
2.3 Измерение массы т-лептона............................................
2.4 Спин т-лептона.......................................................
2.5 Измерение среднего времени жизни т-лептонов..........................
2.6 Аномальный магнитный и электрический дипольные моменты т-леп гона
2.7 Слабые дипольные моменты т:лептона...................................
2.8 Лептонные распады т-лептонов.........................................
2.9 Адронные распады т-лептонов..........................................
210 Поляризация т-лептонов ..............................................
3 еге" аннигиляция в рамках Стандартной модели
3.1 Дифференциальное сечение рождения пары фермионов Г?..................
3.2 Асимметрии в процессе е+с............................................
3.3 Поперечные сиин-спиновые корреляции в процессе е+е" -» т*т~ ....
4 Установка ЬЗ
4.1 Ускоритель ЬЕР.......................................................
4.2 Установка ЬЗ.........................................................
4.3 Центральный трековый детектор........................................
4.3.1 Вершинный детектор............................................
4.3.2 Дрейфовая камера ’’растяну того времени" ТЕС..................
4.3.3 2-камера .....................................................
4.3.4 Торцевые камеры ГТС...........................................
4.4 Электромагнитный калориметр..........................................
4.5 Сцинтилляционные счетчики............................................
4.6 Адронный калориметр .................................................
4.6.1 Мюонный фильтр...............................................
4.7 Мюонный спектрометр..................................................
о
о
7
I
8
10
11
12
13
15
18
2и
22
24
24
29
31
34
84
35
36
37
38
40
40
41
11
13
46
47
СОДЕРЖАНИЕ 2
5 Метод измерения поляризации и спин-спиновых корреляций 51
5.1 Измерение поляризации г-лентонов.................................... 51
5.1.1 Поляризация в канале т~ —> 7г“^т.......................... 5'2
5.1.2 Поляризация в каналах т~ -> е~£с1/т и т~ ц~ '1>(1иг 54
5.1.3 Поляризация в канале т~ —> р~и7............................ 55
5.1.4 Чувствительность............................................. 58
5.2 Измерение спин-спиновых корреляций ..................................58
5.3 Моделирование событий и отклика детектора............................03
6 Отбор событий 05
(5.1 Выделение дилоптонного потока.......................................05
6/2 Идентификация частиц................................................ 67
6.2.1 Идентификация электронов......................................68
6.2.2 Идентификация мюонов......................................... 70
6.2.3 Электромагнитный и адронный ливни............................ 72
6/2.4 Реконструкция 7г°-мезонов.................................... 74
6/2.5 Идентификация заряженных 7г-мезонов.......................... 77
6/2.6 Идентификация р-мезонов...................................... 78
6.3 Выделение каналов распада т-лептонов................................ 79
6.3.1 Выделение канала распада т~ е~Г/е1/т ....................... 79
6.3/2 Выделение канала распада т~ —► 80
6.3.3 Выделение канала распада т~ —> тт~иг .................81
6.3.4 Выделение канала распада г" -4 р"ит .................82
6.4 Отбор событий для измерения спин-спиновых корреляций.................84
7 Измерение продольной поляризации т-лептонов 88
7.1 Идентификация знака заряда т-лептонов............................... 93
7.2 Усреднение результатов и введение поправок ..........................94
7.3 Систематические ошибки.............................................. 96
7.4 Результаты измерений ............................................... 98
8 Измерение спин-спиновых корреляций 102
8.1 Анализ экспериментальных данных....................................102
8/2 Систематические ошибки..............................................108
8.3 Результаты измерений ..............................................110
9 Заключение 117
Список литературы 119
Глава 1
Введение
Теория электрослабого взаимодействия, предложенная в середине 60-х годов Вайн-бергом, Глэшоу и Саламом [1-3], не только объединила электромагнитное и слабое взаимодействия, но и сделала ряд далеко идущих предсказаний, которые за последующие десятилетия получили блестящее экспериментальное подтверждение. Прежде всего здесь следует отметить открытие нейтральных токов в середине 70-х годов коллаборацией Са1^ате11е [4]. Это открытие вскоре было подтверждено [5] и стимулировало экспериментальные и теоретические исследования структуры нейтральных токов. Анализ результатов нейтринных экспериментов в рамках теории электрослабого взаимодействия позволил оценить массы и \\г±-бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Подлинным триумфом теории электрослабого взаимодействия следует считать экспериментальное открытие Z0- и М'^-бозонов в 1983 г. коллабо-рациями иА1 и 11А2 на протон-антипротонном коллайдере в ЦЕРНс [6-9]. Колла-борации 11А1 и иЛ2 зарегистрировали несколько сотен событий, соответствующих распаду №'* —> е±1/с\ число зарегистрированных распадов 7° —> о+е~ было примерно в 10 раз меньше. Впервые были измерены массы Х°- и М—бозонов: в среднем по данным обеих коллабораций т\у = 81.8 ± 1.5 ГзВ, - 92.6 ± 1.7 ГэВ.
Стандартная модель, которая наряду с теорией электрослабого взаимодействия включает в себя и квантовую хромодинамикс. находится в прекрасном согласии го всей громадной совокупностью экспериментальных данных. Недостатком Стандартной модели является большое число свободных параметров, которые должны быть определены из эксперимента. Измерение этих параметров и проверка Стандартной модели являются важнейшими задачами физики высоких энергий. Любые существенные отклонения от предсказаний Стандартной модели служили бы однозначным указанием на новую физику за пределами этой модели.
С 70-х годов существенный прогресс в физике высоких энергий достигнут на электрон-позитронных коллайдерах. Здесь прежде всего следует отметить открытие с-кварка и т-лентона, а также прямое наблюдение адронных струй в е*с~-аннигиляции, наглядно подтверждающее существование кварков. Исследования, проводившиеся на электрон-позитронных коллайдерах, главным образом были направлены на проверку Стандартной модели и измерение ее параметров, а также на поиски новых частиц.
3
/лава i. Введение
•1
Крупнейший электрон-позитронный коллайдер LEP был пос троен в ЦЕРНе в 1989 году и работал до осени 2000 года. В течение первых шести лет (фаза LEP1) исследования проводились при энергиях в области Х°-резонанса. В отличие от протон-антнпротонного коллайдера, где впервые; был открыт Z°-6o30n, электрон-позитронный коллайдер LEP имел ряд существенных преимуществ. Это, прежде всего, большое сечение рождения Z°-6o3ohob и благоприятные фоновые условия; кроме того, энергия взаимодействующих частиц была известна с очень высокой точностью. Каждая из четырех коллабораний (ALEPH, DELPHI, L3 и OPAL) зарегистрировала более 4 миллионов распадов Z°-6o30hob. Все это позволило с высокой точностью измерить массу Z°-6o3ona, его полную и парциальные ширины распада, константы связи нейтрального тока и другие характеристики.
Среди лептонных каналов распада 7°-бозонов канал распада Z° —> т+т~ представляет наибольший интерес с точки зрения измерения констант связи нейтрального тока, т-лептон обладает тем уникальным свойством, что информацию об ориентации его спина можно извлечь из анализа кинематических характеристик продуктов распада. Это позволяет измерить угловую зависимость продольной поляризации т-лептонов, рождающихся при распадах Z0 —> т+т~. и, тем самым, с высокой точностью определить один из основных параметров Стандартной модели - угол Вайнберга.
Данная диссертация посвящена измерению угловой зависимости продольной поляризации 7-лептонов и поперечных спин-спиновых корреляций на основе анализа статистики, накопленной детектором L3 за 1994-1995 гг. Основная цель работы
- определение параметров Стандартной модели, проверка лептонной универсальности в нейтральных токах и проверка предсказаний Стандартной модели оиют-тслыю существования поперечных снин-спиновых корреляций т-лептонов в процессе е+е~ —> Z0 —> г+т~.
Актуальность работы связана с тем, что данные по угловой зависимости поляризации т-лептонов, дополняя данные по полному сечению и зарядовой асимметрии, существенно увеличивают точность определения параметров Стандартной модели. В число задач по проверке Стандартной модели входит и проверка лептонной универсальности. Измерение спин-спиновых корреляций, выполненное в данной работе, дает еще одну, независимую проверку Стандартной модели.
Во второй главе дан краткий обзор по физике r-лептонов. Изложена история «то открытия и рассмотрены вопросы, касающиеся измерения массы, определения спина и измерения среднего времени жизни. Приведены экспериментальные данные по измерению аномального магнитного и электрического дииольных моментов г-лептой», а также по измерению его слабых липольных моментов. Кратко рассмотрены лоптон-пые и адронные распады r-лептонов. Отмечена уникальная особенность г-лептонов
- возможность измерения их поляризации при распаде Z°-6o30hob.
Третья глава посвящена е+о“-аннигиляции в рамках Стандартной модели. Приведены формулы, касающиеся дифференциального сечения рождения нары фермн-онов. Дано определение зарядовой асимметрии, средней продольной поляризации и асимметрии поляризации. Рассмотрена их связь с величинами Ае и Лт~ которые выражаются через константы связи нейтрального тока. Показано, что измерение угли-
Глава 1. Введение
9»
5
вой зависимости продольной поляризации r-лептонов позволяет одновременно найти величины Ае и А7, проверить лептонную универсальность и с высокой точностью определить угол Вайнберга 0W. Дано определение поперечно-поперечной спиновой корреляции Стт и поперечно-нормальной корреляции Ctn• Изложена принципиальная возможность измерения разности фаз между векторной и аксиально-векторной константами связи нейтрального тока.
Четвертая глава, кроме краткого описания коллайдера LEI’, посвящена рассмотрению установки L3. Изложены принцип действия и устройство таких основных субдетекторов, как центральный трековый детектор, электромагнитный калориметр, адронный калориметр и мюонный спектрометр. Приведены основные характеристики этих детекторов - энергетическое разрешение электромагнитного и адронного калориметров, а также разрешение но поперечному импульсу центрального трекового детектора и мюонного спектрометра. Дано краткое рассмотрение сшштилляиионных счетчиков и мюонного фильтра.
В пятой главе изложен метод измерения продольной поляризации r-лептонов. Рассмотрено применение энергетических распределений для измерения поляризации в каналах распада т~ ж~>г» т~ е~г/Р^Т1 r“ —> ц~Р^иг и угловых распределений в канале т~ —> p~vT. Дано сравнение каналов распада по чувствительности при измерении поляризации. Изложен метод измерения спин-спиновых корреляций с использованием специально выбранной системы координат. Определены асимметрии, используемые при измерении спии-спиновых корреляций и указаны методы их вычисления. Кратко рассмотрено моделирование событий и отклика детектора по методу Монте-Карло.
В шестой главе рассматривается отбор событий и идентификация частиц. Приведены наиболее характерные критерии отбора, использованные при выделении ди-лептонного потока и идентификации электронов, мюонов, :г-мезонов И (hмезонов. Рассмотрены характерные особенности электромагнитного и адронного ливней в электромагнитном калориметре и изложен алгоритм реконструкции 7г°-мезонов. Рассмотрено выделение каналов распада r-лептонов, приведены соответствующие эффективности. Изложены критерии отбора событий для измерения спин-спиновых корреляций.
Седьмая глава посвящена описанию измерения продольной поляризации г-лептонов. Изложена методика фитирования энергетических и угловых распределений продуктов распада т-лептонов с учетом фона. Рассмотрено усреднение результатов по отдельным эксклюзивным каналам при определении зависимости поляризации от полярного угла 0 и введение соответствующих поправок. Лан анализ систематических ошибок. Приведены результаты измерений угловой зависимости продольной поляризации и величии Ас и Аг- Проведено сравнение с результатами других коллабо-раций LEP.
В восьмой главе приведены результаты измерения спин-спиновых корреляций. Представлены измеренные распределения событий по углу апланарности и* для восьми эксклюзивных каналов распада пар т-лептонов. Рассмотрены такие вопросы, как учет фона, корректировка w-распредслений на эффективность регистрации и вы-
Глави 1. Введение
6
численно радиационных поправок для асимметрий Ас и Л5. Лан анализ систематических ошибок. Представлены значения спин-спиновых корреляций, найденные как методом фитирования са-распределений, так и методом прямого счета событий. Проведено сравнение с результатами других коллабораций ЬЕР.
Глава 2
т-лептон
2.1 Предыстория открытия г-лептона
г-лептон, наряду с электроном, мюоном и соответствующими им нейтрино, относится к классу лептонов.
Мюон был открыт в 1936-1937 годах Андерсоном и Неддермейером при исследованиях на космических лучах. Вначале мюон отождествлялся с частицей, которая согласно теории Юкавы, является переносчиком ядерных сил. Однако это противоречило тому факту, что мюон слабо взаимодействует с веществом. Этот парадокс был разрешен только спустя десять лет, когда в 1947 году был открыт тт-мезон, который обладал всеми свойствами, предсказанными Юкавой. Оказалось, что мюон является продуктом распада заряженного тт-мезона:
7Т~ -> /Г + йр. (2.1)
Постепенно выяснилось, что мюон является ”тяжелым” аналогом электрона, отличаясь от последнего только своей массой (гПц = 105.7 МэВ) и некоторым внутренним квантовым числом, называемым лептонным зарядом (точнее говоря, различают электронный лептонный заряд Ге и мюонный лептонный заряд Г„). С большей величиной массы связана и нестабильность мюона (среднее время жизни мюона
= 2.197 • 10“6 с). Распад мюона в основном (Вт ~ 100%) идет по каналу
/Г о“ + ие + им. (2.2)
Опыт показал, что во всех известных взаимодействиях мюон участвует в точности так же, как электрон, отличаясь от последнего только массой. Это явление было названо е-цг-универсалыюстью. Вопрос, почему Природе понадобился ’’тяжелый” электрон, оставался без ответа.
Выла высказана гипотеза, согласно которой электрон и мюон совместно со своими нейтрино являются лишь начальными членами последовательности е~/>е, ц' / />7.
1'~При этом предполагалось, что каждая пара, состоящая из заряженного лептона и соответствующего ему нейтрино, имеет свой собственный сохраняющийся лептонный заряд и что масса заряженного лептона больше массы нейтрино: > ш„,. По
7
Глава 2. т-лепт он
8
аналогии с распадом (2.2) предполагались распады
Г —> е" + Ре + l/l, (2.3)
I —> (.1 -+- йц + Ui. (2.4)
При достаточно большой разности масс пц - mмогли бы идти также распады
Г —» тr~+i//, (2.5)
Г -> р~ + l/ь С2 б)
Г -» тт~ -h П7Г° + щ, n > 1, (2.7)
Г —> 7Г~ + 7Г+ + 7Г~ + 1/1 (2.8)
и так далее. Свойства пептонов /, /' предполагались аналогичными свойствам электрона и мюона.
Простота этих идей позволила Тсай провести подробный теоретический анализ всех вопросов, касающихся свойств тяжелого лептоиа /. В частности, был проведен расчет среднего времени жизни и относительных вероятностей распада лептона / в зависимости от масс и mlf(. Статья Тсай [10], опубликованная за четыре года до открытия г-лептона. не утратила своей актуальности и в настоящее время.
2.2 Открытие т-лептона
Целенаправленные поиски тяжелого лептона начались с создания первых электрон-позитронных накопительных колец: ADONE (Фраскати, Италия), DORIS (DES^ . Германия) и SPEAR (SLAC, США). Эго позволило использовать для поиска электромагнитный процесс
е+е" -» 7 -+ 1+ + Г. (2.9)
Если тяжелый лептон / является аналогом электрона и мюона, то такой процесс должен идти при энергии пучка Ei,eatn > ТП( с поперечным сечением
Здесь a - постоянная тонкой структуры, s = 4E'ieum, ß = v/c, v - скорость лептона /. Так как распад
К~ -> /" + (2.11)
аналогичный распаду
К-^уГ + Рц (2.12)
не наблюдается, то масса тяжелого лептона должна превышать 490 МэВ. В этом случае время жизни его настолько мало, что регистрировать можно только продукты распада. Процесс
е+ + е~ -> //* + е" (2 13)
Глава 2. г-лептой
9
запрещен законом сохранения лептонного заряда; следовательно, наиболее перспективным является поиск событий тина e/z, где один из лептонов /, рождающихся в процессе (2.9), распадается по каналу (2.3), а другой - по каналу (2.4):
е+ 4- е" -> еА + //т + недостающая энергия. (2.14)
Недостающую энергию здесь уносят два нейтрино и два антинейтрино.
Поиски тяжелого лептона, проведенные во Фраскати на накопительном кольце ADONE, к успеху не привели. Был установлен лишь нижний предел массы лептона I [11,12): mi > 1 ГэВ, если его распад идет как по лептонным каналам (2.3Н2.4). так и по адронным каналам (2.5)-(2.8), и тгц > 1.40 ГэВ, если в распаде участвуют только лептоиные каналы (2.3) (2.4).
Дальнейшие поиски тяжелого лептона были проведены на накопительном кольце SPEAR при суммарной энергии пучков 2 + 2 ГэВ с использованием детектора Mark I. Треки заряженных частиц реконструировались с помощью искровых камер. Измерение импульса проводилось по отклонению частиц в магнитном поле.
В 1974 году детектор Mark 1 зарегистрировал первые события типа e/z, соответствующие процессу (2.14), а в 1975 году группа экспериментаторов под руководством Перла опубликовала в журнале Physical Review Letters статью [13), где объявила об открытии новой частицы - тяжелого лептона с массой в диапазоне от 1.6 до 2.0 ГэВ. Этот лептой был назван тау-лептоном.
К 1978 году было окончательно подтверждено открытие r-лептона и показано, что эта частица относится к классу лептонов. Был также достигнут существенный прогресс в изучении основных свойств этой частицы. С помощью детекторов Mark I и PLUTO были зарегистрированы так называемые аномальные /z-события, соответствующие процессу
е+ + e“ -+ Iг + адроны + недостающая энергия. (2-15)
Здесь мюон рождается при распаде одного из т-лептонов по каналу (2.4), а адроны
рождаются при распаде другого r-лоптона по одному из каналов (2.5) (2.8). Также
были зарегистрированы аномальные е события, соответствующие процессу
еч 4- е" -+ е* + адроны + недостающая энергия. (2.1C)
Наконец, были преодолены трудности с идентификацией распада
т~ —> тг~ + i/T (217)
и измерена его относительная ширина, а также тщательно измерена масса г-лептона.
Дальнейший прогресс в изучении физики т-лептонов связан со строительством новых электрон-позитронных накопительных колец на большую энергию пучков. На накопительных кольцах SPEAR и DORIS достигнутая полная энергия не превышала 8 ГэВ. В период с 1978 гола по 1985 год основные результаты были получены на вновь построенных накопительных кольцах PETRA в DESY и РЕР в SLAC с максимальной
- Київ+380960830922