Оглавление
- 2 -
Введение 3
1 Детектор, коллайдер, эксперимент 10
1.1 Коллайдер ВЭПП-2М...................................... 10
1.2 Детектор СНД........................................... 11
1.3 Трековая система детектора СНД......................... 15
1.3.1 Калибровка и контроль параметров трековой системы 19
1.3.2 "Быстрые" калибровки параметров газовой смеси . 20
1.3.3 Параметры трековой системы....................... 21
1.4 Эксперименты с детектором СНД.......................... 25
2 Анализ экспериментальных данных 27
2.1 Кинематическая реконструкция событий................... 28
2.2 Отбор событий.......................................... 30
2.3 Выбор модели промежуточных состояний конечной системы 4-х пионов 34
2.4 Измерение сечений процессов е+е“ -> 4я................. 44
2.5 Вклад фона при отборе процессов е+е" —> 4п............. 53
2.5.1 "Пучковый" фон................................... 53
2.5.2 Резонансный фон в процессе е^е“ -> 7г+7г"27г° ... 56
2.6 Систематические погрешности............................ 56
3 Обсуждение результатов 63
4 Заключение 67
Литература 69
А Определение параметров промежуточных состояний
75
Введение
-3 -
Электрон-позитронный накопитель ВЭПП-2М более 25 лет работал в Институте ядерной физики СО РАН, г. Новосибирск [1]. ВЭПН-2М позволял исследовать процессы алсктрон-позитронной аннигиляции с интегральной светимостью рекордной для е+е" коллайдеров в в диапазоне энергии 0,4 - 1,4 ГэВ. Физические исследования на ВЭПП-2М ведутся с 1974 года. За это время сменилось несколько поколений детекторов. В значительной степени современные таблицы элементарных частиц в части, касающейся векторных мезонов в области энергии около 1 ГэВ, базируются на данных, полученных на ВЭПП-2М [2]. С 1995 года на коллайдере ВЭПП-2М проводятся эксперименты со Сферическим нейтральным детектором (СНД) |3],[4], универсальным современным детектором элементарных частиц для экспериментов на е+е“ коллайдерах при низких энергиях. Физическая программа детектора включает в себя исследовании распадов радиационных и редких распадов векторных мезонов сеизмерение сечений аннигиляции электрон-позитрон ной пары в адроны е+е“ -» 27г, Зл, 47т, 5л, К8К^ К+К~,..., во всей доступной области энергии, проверку квантовой электродинамики в процессах е+е~ —>■ З7, е+е“7,47, е+е“77,... поиск редких распадов К3 и 77-мезонов и другие процессы.
Одним из важных направлений исследований с детектором СНД является изучение электрон-позитронной аннигиляции в четыре 7г-мезона в диапазоне энергии 1,0-1,4 ГэВ. Интерес к процессам е+е“ аннигиляции в 2л+2л“,л+л“2л° вызван несколькими причинами. В диапазоне энергии 1-2 ГэВ сечение процессов е+е“ —>■ 4л является доминирующим и определяет адронный вклад в поляризацию вакуума в этом диапазоне энергии. Этот вклад необходимо учитывать при расчете аномального магнитного момента мюона аТак, в работе [5] проводится оценка вкладов различных областей энергии в расчет’ аномального
- 4 -
магнитного момента мюона. Вклад области 0,81-1,40 ГэВ составляет (112,85 ± 1,33(стат.) ± 5,49(сист.)) • 10“10. Последний результат колла-борации g-2 по измерению аномального магнитного момента мюона [б]: аДэксп.) = (11659202±14±6)- Ю“10 отличается от расчетного значения аДтеор.) на величину аДэксп.) — аДтеор.) = (43 ± 16) • Ю“10. При дальнейшем увеличении экспериментальной точности измерений аномального магнитного момента мюона, для сравнения экспериментального и расчетного значений потребуется знание вклада области энергии 0,81-1,40 ГэВ с точностью 5-10%.
Вклад этой области энергии также существенен для определения зависимости эффективной константы тонкой структуры от энергии. Эфъ фсктивная константа тонкой структуры опредапяется как
“w * ГГЩГу
где а — постоянная тонкой структуры, Да — вклад поляризации вакуума, состоящий из вкладов лептонной и адронной частей, s — квадрат энергии. В работе |5] расчетный адронный вклад диапазона энергии 0,81 - 1,40 ГэВ составляет (13,81 ± 0,15 ± 0,79) • 10“4. При этом полный адронный вклад составляет Аа = 0,0280 ± 0,0007. Величина постоянной тонкой структуры при энергии, равной массе Z-бозона Mz = 91,1888 ГэВ составляет а(М|)-1 = 128,896 ± 0,090 |5), что соответствует параметру Аа(М|) = 0,0594 ± 0,0007. Таким образом, точное измерение процессов электрон-позитронной аннигиляции в адроны в этой области энергии необходимо для дальнейшего уменьшения ошибки в определении адронного вклада в поляризацию вакз^ума и уменьшения ошибки в определении эффективной константы тонкой структуры.
Одна из важных теоретических идей — гипотеза сохранения векторного тока, впервые была сформулирована Y.S. Tsai в 1971 году [7] и подтверждена Н.В. Thacker и J.J. Sakurai [8]. Эта гипотеза позволяет связать спектральную функцию v\{q2) распада т-лептона, г —> h^Vr с
- 5 -
сечением е+е~ -* /г°, где Ь± — система нескольких адронов с квантовыми числами Iе JPC = 1+1 . Детали расчетов по проверке этой гипоте-
зы можно найти, например, в [9,10]. Сейчас сохранение векторного тока проверено с точностью несколько процентов и излагается в учебниках (см. например [11]). В работах [12.13] проведено сравнение спектральных функций сечения процесса е+е~ о;7г° и полного сечения процесса е+е” —> 7г+7г“27г° с соответствующими распадами г-мезона и показано, что они согласуются с точностью порядка 5%.
Процессы е+е" —> 47г являются важнейшим источником информации при изучении возбужденных состояний р-мезона. В соответствии с современными данными в области 1-2 ГэВ существуют два возбужденных состояния р-мезона: р' или р(1450),р/7 или р(1700) [2]. Определение параметров этих состояний можно найти в работах 114,15,16]. При определении количества и параметров резонансов экспериментально измеренные сечения аннигиляции подгоняются в каждом конечном состоянии расчетными сечениями вида:
а(е+е" -+ /) = ^ Ш2 Р{,
гДе / — конечное состояние, например, 7г+7г"7г+7г‘“; 5 = (2Е)2 — квадрат суммарной энергии пучков в системе центра масс; 9Я2 — квадрат матричного элемента вероятности перехода в данное конечное состояние; Рр — фактор, учитывающий зависимость фазового объема конечного состояния / от энергии. Поскольку типичная ширина резонансов составляет сотни МэВ, пренебрегать интерференцией резонансов нельзя. Поэтому, в работе [15] величина 9Я2 вычисляется с учетом возможной интерференции состояний р, р',р". При этом, учитывается зависимости ширины этих резонансов от энергии. Наличие или отсутствие вклада от резонанса определяется величиной константы связи данного резонанса ур'рктг) Яр’?*-*) а также параметрами интерференции резонансов. Большое количество параметров подгонки требует точных эксперименталь-
- 6 -
ных данных по измерению сечений как в основных модах распадов этих мезонов (р',р" -> 47г), так и в модах, идущих с меньшей вероятностью, например, р',р" —> 57Г, б7г. Поскольку структура возбужденных состояний р-мезонов и динамика их распадов изучена недостаточно хорошо, то остается возможность того, что эти состояния частично могут являться экзотическими состояниями. Возможное смешивание возбужденных состояний р-мезона с экзотическими мезонами, например, 4-х кварковыми мезонами, обсуждается в работах [17,18|. Существуют указания на наличие состояния рг(1300) [19], которое возможно не является обычным кварк-антикварковым мезоном [20].
Исследуемые процессы — основной источник фона при изучении других процессов В ЭТОЙ области энергии, например, ete~ —> 7Г+7Г_7Г° [21]. Измерение, как абсолютной величины сечений, так и кинематики процессов е+е" —У 2п+2п~ , е+е" —¥ 7Г+7Г_27Г° позволяет построить эффективные условия отбора, подавляющие вклад этих процессов и оценить оставшийся фоновый вклад процессов е~е- —>• 4тг в измеряемое сечение.
Данные процессы уже изучались ранее в нескольких экспериментах. Первые исследования проводились в следующих экспериментах: ОЛЯ на коллайдере ВЭПП-2М [22,23,24,25], 77,772 на коллайдере ADONE [27], на коллайдерах АСО, DCI [26]. В экспериментах на коллайдерах ADONE и DCI исследовался диапазон энергии 1,4 - 2.1 ГэВ, а на коллайдере ВЭПП-2М до 1,35 ГэВ. В этих экспериментах впервые были измерены сечения 4-х пионной аннигиляции. Типичная статистическая точность составляла около 25%, систематическая точность около 20%. Было установлено, что в процессе е+е” —» 7г+7г-27г° основной вклад дает сечение процесса е+е~ -» олг° с последующим распадом с<; —> тг+7г“7г°. В то же время существует’ вклад событий от процессов идущих через промежуточное состояние, отличное от UJ7T0. Впервые было получено экспериментальное указание на то, что рождение 4-х пионов в процессе еге~ —> 2п+2п~
- Київ+380960830922