Содержание
Введение 3
1 Ускорительно-накопительный комплекс
ВЭПП-2М и детектор КМД-2 10
1.1 ВЭПП-2М........................................................ 10
1.2 Детектор КМД-2.................................................. 10
1.3 Оцифровывающая электроника ..................................... 21
1.4 Программное обеспечение детектора............................... 22
1.5 Обработка данных............................................... 25
1.6 Определение светимости.......................................... 28
1.7 Определение энергии пучков...................................... 31
2 OFFLINE калибровка R — р плоскости дрейфовой камеры КМД-2 по событиям Bhabha-рассеяния. 33
2.1 Общие замечания ................................................ 33
2.2 Калибровка времен дрейфа........................................ 37
2.3 Поправки к значениям угла Лоренца и скорости дрейфа в регистрирующих слоях дрейфовой камеры ......................................... 39
2.4 Результаты...................................................... 43
3 Прецизионное измерение параметров 0-мезона 47
3.1 Описание эксперимента........................................... 47
3.2 Критерии отбора событий......................................... 48
3.3 Эффективность регистрации....................................... 52
3.4 Поправка на ядерные взаимодействия.............................. 64
3.5 Поправка к сечению из-за разброса энергии в пучке .............. 65
3.6 Радиационные поправки .......................................... 65
3.7 Определение параметров 0-мезона................................. 67
4 Измерение сечения процесса е+е~ —у К^К% в области энергий 2Е = 1.05 - 1.38 ГэВ. 74
4.1 Описание эксперимента........................................... 74
4.2 Критерии отбора и определение числа событий..................... 74
4.3 Эффективность регистрации....................................... 82
4.4 Радиационные поправки ......................................... 87
4.5 Вычисление сечения.............................................. 89
3
4.6 Анализ систематических ошибок ...................................... 94
5 Обсуждение результатов 96
5.1 Результаты по измерению параметров 0-мсзона........................96
5.2 Результаты по измерению сечения процесса е+е~ -> в области
энергий 2Е = 1.05 ~ 1.38 ГэВ........................................ 98
Заключение 100
А Пакет программ первичного моделирования событий е+е- —» 103
Литература
105
Введение
4
Целью настоящей диссертации являлось прецизионное измерение массы, полной ширины и сечения в пике 0-мезона при изучении распада ф —> К®К%. Определение величины сечения в пике а0(Ф —> К?[К%) с высокой систематической точностью позволяет выполнить прецизионное измерение лептонной ширины 0-мезона (Гее)- Лептонная ширина векторного мезона — фундаментальный параметр, характеризующий взаимодействие кварков, из которых состоит данный векторный мезон. Значение Гсс также может быть использовано при вычислении константы связи связи перехода 0-мезона в фотон в Модели Доминантности Векторных Мезонов [1].
Задачей данной работы также было исследование процесса е+е~ —>• К\К$ в области энергий 1.05 — 1.38 ГэВ в системе центра масс. Измерение сечения рождения пары нейтральных каонов в данной области энергий с высокой статистической и систематической точностью позволит изучать возбужденные состояния />(770), (782) и 0(1020) мезонов.
И, наконец, сечение процесса е+е” —» используется при расчете вклада
адронов в поляризацию вакуума при измерении аномального магнитного момента мюона (д - 2)д [2].
С момента открытия 0-мезона, как узкого резонанса, распадающегося преимущественно на два каона, было выполнено множество работ, в которых измерялись значения массы, полной ширины и величины сечений в пике 0-мезона [3,6,7,9,10,13, 17,22-26,29,32,33). Эксперименты, описанные в [3,6,13,22,29,32,33], были выполнены на установках со встречными пучками, а в экспериментах [7,9,10,17,23-26] исследовалось взаимодействие пучка частиц с веществом мишени. Для прецизионного измерения параметров резонансов метод встречных пучков является предпочтительным, так как в этом случае образование резонанса происходит без участия других сильно-взаимодействующих частиц. Но наличие двух независимых методик измерения парамеров позволяет изучать систематические ошибки каждой из них.
На рисунках 1 и 2 приведены результаты измерения массы и полной ширины ф-мезона соответственно, взятые из Таблиц [8]. и работы [32] (эксперимент ЭНЭ 01), еще не вошедшей в Таблицы. Штрихованные области на рис. 1 и 2 демонстрируют средние значения, которые вычисляются на основе значений, определяющих мировое среднее в Таблицах [8], исключая результаты данной работы.
В работе [3), выполненной в 1969 году, впервые изучалось рождение 0-мезона в результате е+е~ аннигиляции. Эксперимент проводился на накопителе ЭС1 (Ор-сэ,Франция) с детектором ЭМ1 [4] Детектор ЭМ1 представлял собой соленоид с полем
8.2 кГс (диаметром 1.8 м. и длиной 1.2 м., направление ноля совпадает с осью пучков),
5
WEIGHTED AVERAGE 4.43 ± 0.05
l
•••■a............ SND01
............... CMD2 9S
............. SPEC 86
AEMS82
.................... OLYAS1
—Щ .................. '/ПАЕ SO
—— ............. EMUL 79
.................. OLYA 78
------*r.............. emu 74
4f—♦----------------- ■ CSFX71
—•—•;!:.................... ospx7o
m.iIimJi 1—1.; i i 11 i . i ,
3.5 4 4.5 5 5.5 6
U 1(770) *idth (MeV)
Рис. 1: Сводка экспериментальных дан- Рис. 2: Сводка экспериментальных данных по измерению массы 0-мезона. ных по измерению полной ширины <6-
мезона
в который помещены четыре слоя многопроволочных пропорциональных камер. Этот детектор регистрировал заряженные частицы в телесном угле 0.6 х 47т стерадиан и имел импульсное разрешение ар/р = 2.5% для частиц с импульсом р = 500 МэВ/с. В эксперименте 1969 года наблюдалось 150 событий распада ф —> в области
энергий 1.0 -1.04 ГэВ в системе центра масс. Полный интеграл светимости составил около 5 нб“1. Была измерена полная ширина 0-мезона.
В Институте Ядерной Физики имени Г.И. Будкера первое исследование рождения 0-мезона с последующим распадом на пару нейтральных каонов было выполнено в 1971 г в экспериментах на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2 [5]. Процесс 0(1020) —> регистрировался с помощью системы из четырех искровых ка-
мер [6]. Были измерены значения сечения в пике и относительной вероятности этого распада, а также величина полной ширины 0-мезона.
В эксперименте на фиксированной мишени НВС72, описанном в (7), продукты взаимодействия пучка заряженных каонов с веществом мишени регистрировались с помощью водородных пузырьковых камер. В результате анализа двух различных реакций, с образованием пары заряженных каонов в конечном состоянии, были измерены величины массы ф. Полученные значения хорошо согласуются между собой и с величиной массы 0-мезона из [8]. Большие статистические ошибки обусловлены малыми объемами данных в эксперименте (порядка 100 событий в анализе каждой реакции). Значение массы 0-мезоиа в эксперименте НВС73 [9], выполненном с водо-
WEIGHTSD AVERAGE 1019.413 ±0.008
♦........................ SlfD 01
•* ................. OMEG98
♦......................... CMD2 95
ОМ EG 86
♦........................ SPEC 96
г—♦— .................... .WMF 36
................. OMEG86
.........•................... С14EG 86
— ......... ARG 85
•.......... .......... СИ EG 83
•• ОИЕС-83
........................ AEMS82
....................... EMUL 79
•.......... .................. НВС78
......................... OLYA 73
.............. HBC76
.......•.......... ............... CNTX74
........ ........KBC73
i ....................... HBC72
■1.;. НгСЛ
1019 1020 1021 1022
#1020) mass (Me V)
»
родной пузырьковой камерой, более чем на 2 ошибки отличается от значения из [8]. Такое отклонение хотя и не является значимым, тем не менее, позволяет усомниться в тщательности выполненного анализа систематических погрешностей.
В работе [10] (эксперимент CNTR74) изучалось фоторождение </>-мезонов при взаимодействии фотонов тормозного излучения с протонами водородной мишени. Были измерены значения массы и полной ширины ^-мезона. Выполнен анализ систематических ошибок. Полученные значения параметров ф находятся в хорошем согласии с мировыми средними из [8].
Начиная с 1974 года, изучение ^-мезона в экспериментах на фиксированной мишени идет паралелльно с исследованием этого резонанса на встречных е+е- пучках. Ускоритель ВЭПП-2 был модернизирован, и на новом ускорительно-накопительном комплексе ВЭПП-2М[11] были начаты эксперименты с детектором ОЛЯ [12]. Детектор ОЛЯ состоял из 32 сшштиляционных счетчиков и 16 проволочных камер, сгруппированных в 4 квадранта. В эксперименте OLYA78 было выполнено прецизионное измерение массы </>(1020) резонанса [13] при измерении энергии пучков методом резонансной деполяризации [14]. Также в этом эксперименте были получены значения полной, лептонной ширин </>(1020), величины сечения в пике и относительной вероятности распада </>(1020) —у K^Kg.
Изучение процесса е+е- -» на встречных пучках не ограничивалось только
областью энергий около ф-мезона. Так в 1980 году в экспериментах с детектором DM1 процесс е+е~ —► был исследован в диапазоне энергий 1.4 - 2.18 ГэВ в системе
центра масс [15]. Для объяснения зависимости сечения от энергии в данной области энергий было предположено существование двух новых резонансов: изовекторного //(1600) и изоскалярного </>'( 1680). Процесс рождения пары нейтральных каонов в диапазоне энергий 1.06 - 1.4 ГэВ также изучался детектором ОЛЯ [16]. В работе был подтвержден вывод группы детектора DM1 о существовании резонансов //(1600) и </>'(1680).
В 1983 году в работе ‘17] изучалось взаимодействие пучка заряженных каонов с водородной мишенью, при котором в конечном состоянии рождалась пара К К и Л гиперон. В качестве регистрирующей аппаратуры использовался спектрометр OMEGA [18] (CERN). В состав спектрометра входила система черенковских счетчиков для разделения частиц и годоскопы для регистрации продуктов реакции. Среднее значение массы, ф, полученное в этой работе, смешено относительно мирового среднего из [8] более чем на 12 экспериментальных ошибок. Систематическая ошибка измерения массы в этих работах не анализировалась. Этот факт ставит под сомнение полученный результат.
В 1984 году на коллайдере ВЭПП-2М было выполнено измерение сечения процесса е+е“ -> К%К% в области энергий 1.09 - 1.4 ГэВ в системе центра масс [19]. Эксперимент проводился с детектором КМД [20], установленном на накопитель в 1979 году. При разработке детектора КМД требовалось получить достаточно высокое импульсное разрешение при сравнительно небольших размерах, определяемых размерами экспериментального промежутка накопителя. Детектор КМД представлял собой искровую камеру, помешенную в сверхпроводящий соленоид с полем 32 кГс, направленным вдоль оси пучков. В детекторе было впервые применен режим работы искровой камеры при низкой температуре, что и дало название детектору — Криогенный Магнитный Детектор. Достигнутое импульсное разрешение детектора КМД составляло <тр/р = 2.5% для частиц с импульсом р — 500 МэВ/с, такое же, как в детекторе DM1, но при размерах магнита в 6 раз меньших. Применение искровой камеры с оптическим съемом информации позволило получить пространственное разрешение 55 мкм.
Начиная с 1981 года, на накопителе ВЭПП-2М проводились эксперименты с Нейтральным Детектором (НД) [21]. Главной регистрирующей системой детектора ИД являлся четырехслойный электромагнитный калориметр на основе кристаллов Nal(Tl), покрывавший телесный угол около 2/3 от 4тг. Координатная часть детектора состояла из трех слоев цилиндрических пропорциональных камер, помещенных внутри калориметра. Координатная часть детектора НД покрывала телесный угол
0.8 х 47г. На детекторе НД процесс е+е~ -* К\К% изучался в области энергии ф-мезона. Были измерены параметры этого резонанса в канале распада ф —>■ [22].
В работах [23-25] приведены новые результаты по измерению параметров ф-мезона на спектрометре OMEGA. Полученные в этих экспериментах значения массы ф также противоречат [8], но анализ систематических ошибок не проводился.
В эксперименте SPEC86, описанном в [26], исследовалось инклюзивное рождение 0-мезонов при взаимодействии пучков пионов, каонов и антипротонов с бериллиевой мишенью. Продукты реакции регистрировались системами силиконовых микростри-повых детекторов и дрейфовых камер. Изучались события с парой заряженных К мезонов в конечном состоянии. Объем данных, полученных в эксперименте, составил 630 000 событий рождения 0-мезона. Значение массы и полной ширины ф-мезона получалось при аппроксимации распределения по инвариантной массе двух заряженных каонов сверткой функции Брейта-Вигнера, описывающей ф резонанс, с функцией Гаусса, описывающей экспериментальное разрешение.
Большой объем экспериментальных данных позволил достичь высокой статистической точности в измерении массы и полной ширины 0-мезона (ит = 8 кэВ и аг
8
= 60 кэВ). Но систематические ошибки измерения т.^, и Г* в данной работе не анализировались. И этот факт, на наш взгляд, обесценивает определение параметров <£-мезона. выполненное в [26].
Изучение физики элементарных частиц в области энергий 0.36 - 1.4 ГэВ, начатое в эксперименты с детекторами ОЛЯ. КМД и НД, было продолжено на детекторах КМ Д-2 [27] и СНД [28]. Физические программы работы этих детекторов, в частности, включали исследование процесса е+е" -> К%К%
Детектор КМД-2 начал набор данных на накопителе ВЭПП-2М в начале 1992 года. Это первый универсальный детектор, работавший в области энергий ВЭПП-2М. Детектор имел координатную систему, помещенную в магнитное поле для измерения параметров треков заряженных частиц и два электромагнитных калориметра — торцевой и цилиндрический — для регистрации нейтральных частиц. Для идентификации мюонов в детекторе использовалась пробежная система на основе стриммерных трубок. Запуск систем детектора для регистрации события осуществляется с помощью двух независимых триггеров - заряженного и нейтрального. Более подробное описание детектора КМД-2 приведено в Главе 2 настоящей диссертации.
В 1992 году на детекторе КМД-2 был проведен “пробный” эксперимент по изучению 4 основных каналов распада 0(1О2О)-мезона [29] с целью изучения экспериментальных возможностей детектора. Точность измерения массы и ширины 0(1020)-мезона, достигнутая в этом эксперименте, превышала точность отдельных экспериментов и была сравнима со среднемировой.
Последнее из опубликованных исследование 0-мезона на выведенной мишени проведено в эксперименте OMEG98 [30] на спектрометре OMEGA. В работе была измерена масса 0, выполнен анализ систематических ошибок. Полученное в эксперименте значение массы хорошо согласуется с мировым средним. Но точность определения массы в работе [30] почти на порядок уступает точности определения массы 0-мезона, достигнутой к этому времени в экспериментах на встречных пучках.
Сферический Нейтральный Детектор (СНД) был установлен на ВЭПП-2М в 1995 году, Главной регистрирующей системой детектора являлся трехслойный электромагнитный калориметр на основе кристаллов Nal(Tl). Координатная часть детектора состояла из двух проволочных дрейфовых камер.
Хорошее энергетическое и угловое разрешения калориметра СНД позволяли выполнять точные измерения параметров нейтральных процессов, но отсутствие магнитного поля и малый размер координатной системы затрудняли надежную регистрацию детектором заряженных частиц.
С помощью детектора СИД было измерено сечение процесса е+е- —> KnLKs в об-
- Київ+380960830922