- 2 -
Оглавление
Введение 4
1 Накопитель ВЭПП-2М 9
2 Детектор СНД 12
2.1 Калориметр............................................. 13
2.2 Система дрейфовых камер ............................... 26
2.3 Мюопная система........................................ 30
2.4 Эксперименты с детектором СНД.......................... 35
3 Аппаратный отбор событий в детекторе СНД 37
3.1 Общая структура электроники СНД........................ 38
3.2 Система первичного триггера............................ 44
3.3 Аргументы первичного триггера.......................... 48
3.4 Схемы запуска, используемые в эксперименте............. 63
4 Контроль и калибровки аппаратуры в системе сбора данных детектора 74
4.1 Общее описание программного обеспечения системы сбора
данных СНД.............................................. 75
4.2 Программы проверки электроники детектора............... 79
4.3 Комплекс программ для калибровок детектора............. 83
4.4 Контроль систем детектора во время эксперимента ....... 89
- 3 -
5 Система обработки записанной информации 92
5.1 Общее описание системы обработки............................................... 92
5.2 Комплекс программ “бухгалтерии” эксперимента................................... 94
5.3 Кинематическая реконструкция событий . . . 97
5.4 Моделирование изучаемых процессов.............................................. 99
6 Обнаружение и изучение распада ф -*• со7г° 102
6.1 Расчет сечения процесса е+е" —> со7Г° .........................................104
6.2 Отбор событий процесса е+е~ —>• соя0 в нейтральном канале 107
6.3 Аппроксимация ссчспия процесса е+е_и;7г°—>■ 7г°7г°7 ... 112
6.4 Выделение событий процесса е+е-—»• о>7г°—> 7г * 7г_7г°7г() . . . 118
6.5 Наблюдение интерференции в реакции
е+е“ ООЯ° -»• Л+7Г-7Г°7Г°.......................................................123
6.6 Суммарные результаты обработки. Сравнение с теоретическими предсказаниями.............................................128
7 Процесс е * е“ ->■ олт° в интервале энергий 0.9-1.4 ГэВ 133
7.1 Выделение событий процесса е+е“ —> соя0 в пятифотонном
конечном состоянии..............................................................134
7.2 Аппроксимация сечения процесса е*еГ —\ едтг0. Обсуждение
теоретических моделей...........................................................135
8 Поиск распадов р, си —> я°я°'у 143
8.1 Выделение событий процесса е+е_ тг07г°7........................................144
8.2 Выбор моделей для описания энергетической зависимости
сечения процесса е+е~ я0 я0 у...................................................145
8.3 Обсуждение результатов аппроксимации сечения...................................151
Заключение 153
Литература
156
Введение
Метод встречных е~е" пучков является сегодня одним из основных экспериментальных методов в физике элементарных частиц. В настоящее время ведутся эксперименты на 8 установках со встречными е^е“ пучками в диапазоне энергии 2Е() от 0.36 до 200 ГэВ. На нижней границе этого диапазона 0.36-1.4 ГэВ, в области рождения легких векторных мезонов р, со и ф, с 1974 года работает коллайдер ВЭПП-2М [1]. Несмотря на двадцатипятилетнюю успешную историю экспериментов на этой установке (см., например, результаты детекторов ОЛЯ, КМД, НД [2, 3, 4, 5, 6, 7)) интерес к исследованиям в этой области не только не уменьшается, но и возрастает. С одной стороны, это связано с тем, что результаты ряда крупных современных экспериментов тесно связаны с физикой, изучаемой на ВЭПП-2М. Например, прецизионное измерение полного сечения е*е~ аннигиляции в адроны требуется для вычисления адронной составляющей поляризации вакуума, необходимой для интерпретации результатов эксперимента по измерению аномального магнитного момента мюона [8]. Основной вклад при расчете этой величины приходится на область энергий ВЭПП-2М. Изовскториая часть адронного сечения с помощью гипотезы сохранения векторного тока (СУС) может быть связана со спектральными функциями, измеренными в распадах т лентона. Существенно возросшая точность этих экспериментов [9, 10, 11] позволяет проводить проверку справедливости СУС с точностью ~ 1%. Огромный интерес к области ф резонанса появился в связи с начавшимися экспериментами на ^»-фабрике во Фраскатти, Италия |12].
С другой стороны, на детекторах последнего поколения, работающих на ВЭПП-2М (СНД [13] и КМД-2 [14]), появилась возможность проводить эксперименты на новом, качественно более высоком уровне, получать нетривиальные физические результаты. Стоит упомянуть наблюдение детектором СНД электрических дипольных распадов ф -> /о(980)7 и ф -» ао(980)7 [15, 16|, относительно большая величина вероятности которых согласуется с экзотической четырехкварковой структурой скалярных состояний /о(980 и ао(980) [17]. Или обнаружение на детекторе КМД-2 доминантности промежуточного состояния а [Я в реакции е^е“ —> 4тг при энергиях 1.05-1.38 ГэВ [18], которая противоречит теоретическим представлениям о механизмах распада //(1450) мезона [19]. По сравнению с предыдущими детекторами указанные установки обладают хорошей гра-нулированностью, большим телесным углом, высоким энергетическим разрешением и способностью обрабатывать большие потоки информации. Это позволило изучать редкие процессы с относительно большой множественностью частиц в конечном состоянии, недоступные предыдущему поколению детекторов. Исследованию трех таких процессов со Сферическим нейтральным детектором (СНД) посвящена эта работа.
Традиционно изучаемыми на ВЭПП-2М процессами являются распады р, со и ф мезонов. Детектор СНД оптимизирован для наблюдения распадов этих резонансов в чисто нейтральных конечных состояниях: тг°7 (З7), 777 (З7, 77), 7г°7г°7 (57), 7г°г/7 (67). Особый интерес представляют электрические дипольные переходы. Об обнаружении детектором СНД распадов Ф /о(980)7 и ф -э ао(980)7уже упомянуто выше. В распадах а; -» тг07г°7 и р-э 7Г°7Г°7 также возможен вклад скалярного состояния, /о (400 - 1200) или а мезона, параметры которого в настоящее время плохо известны [20], но активно обсуждаются в литературе [21]. Интересным фактом является то, что результат единственного предыдущего измерения вероятности распада со -> 7Г°7Г°7, выполненного в ИФВЭ, Протвино [22], значитель-
- 6 -
но превышает теоретические оценки по модели векторной доминантности [23, 24). В диссертации приводятся данные по первому измерению сечения реакции е+е~ —» 7г°7г°7 в области р и со резонансов [25, 26], из аппроксимации энергетической зависимости которого были извлечены вероятности распадов со —» 7г°х°7 и р я°я°у.
Другой класс редких процессов, которые стали предметом изучения на ВЭПП-2М с новым поколением детекторов, — это нарушающие (7-четность и СШ-подавленные распады: ф -¥ 2тг, </> —> 4х, ф —»• соя0. Из-за наличия относительно большого нерезонансного сечения е+е" —> р, р' эти распады проявляют себя в виде интерференционной волны вблизи ф резонанса. Из анализа энергетического поведения сечения можно извлечь не только вероятность распада, но и относительную фазу резонансной и нерезонансной амплитуд. В данной работе впервые изучался распад ф —> соя0 [25, 27, 28, 29|, все механизмы которого так или иначе связаны с наличием ф — р, ф — со и со — р смешивания. Экспериментально измеренные значения амплитуды и фазы интерференции для распада ф —>• соя0, особенно в совокупности с данными по распадам <£> —» 2я и ф —» 4л, несут богатую информацию о степени смешивания и его механизмах, о наличии прямых нарушающих сохранение изоспина распадов ф мезона [30]. Точное знание сечения процесса е+е~ -> соя0 требуется для изучения других редких распадов ^-мезона. В частности, процесс е~е” —> соя0 -> х°л°7 является одним из основных фоновых процессов для распадов ф —>• /о(980)7 и ф-> а>о(980)7 [31, 32].
Изучение е+е”-аннигиляции в адроны в области выше «^-мезонного резонанса представляет интерес в связи со спектроскопией возбужденных р и со состояний, параметры которых в настоящее время плохо определены [20] и имеют большую модельную зависимость. Существующие до последнего времени данные по адронным сечениям в этой области, таким как е+е" —>• 4х, соя, 3 х, К К и др., имели систематическую неточность ~ 15%
- 7 -
и более. Реакция е+е_ —> соя0 является одним из основных каналов рождения //(1450) мезона и в значительной степени определяет его табличные параметры |33|. Сравнительно недавно новые данные по этой реакции были получены детектором КМД-2 в канале е+е~ -»• ооя° —> 4я [18). Измерение спектральной функции соя состояния было выполнено детектором CLEO II в распаде т -э 3яя°1/7 [9]. В данной работе реакция е4е- соя0 исследовалась в нейтральном канале е+е~ -> соя0 —► я°я°у [25, 34], в котором промежуточное состояние соя0 доминирует и имеется принципиальная возможность получить меньшую систематическую ошибку при измерении сечения.
Хотя три упомянутых выше процесса соответствуют трем разным областям энергии, они тесно взаимосвязаны. Так при изучении распада ф —»■ соя0 для аппроксимации нерезонансного сечения использовались данные из областей энергии выше и ниже ф резонанса. Результаты обработки вблизи ф резонанса, в частности, оценка систематической ошибки, использовались при измерении сечения во всем энергетическом диапазоне. Корректный анализ распадов р и со был бы невозможен без данных о сечении процесса е+е~ —> соя0 при более высоких энергиях. Анализ физических процессов описан в 6, 7, 8 главах диссертации. Описание следует хронологическому порядку обработки процессов, поэтому в нем можно обнаружить некоторые логические несоответствия. В частности, при анализе распада ф -> соя0 использовались предварительные, а не окончательные результаты измерения сечения процесса е+е~ -» соя0.
Разделы, посвященные собственно анализу данных, предваряются главами, касающимися методики проведения эксперимента. В главах 1 и 2 описываются основные параметры комплекса ВЭПП-2М и детектора СНД, приводится список экспериментов, которые обрабатывались в данной работе. Следующие две главы посвящены системе сбора данных. В главе 3 описана общая структура электроники детектора и реализация в ней си-
- 8 -
стемы аппаратною отбора событий или первичного триггера. Раздел 4 в основном касается организации калибровок детектора, оперативного контроля работоспособности подсистем и проверки каналов электроники. В главе 5 рассмотрены некоторые вопросы обработки записанной информации, существенные для последующего анализа. Это организация подсчета интегральной светимости, кинематическая реконструкция, моделирование изучаемых процессов.
В заключении диссертации приводится список результатов, полученных автором.
Работа основана на 27 публикациях, из которых 13 — статьи в реферируемых журналах (13, 15, 16, 26, 27, 28, 29. 31, 32, 34, 37, 41, 76], 6 — доклады на международных конференциях, [50, 55, 57, 58, 59, 60], остальные — препринты ИЯФ СО РАН [25, 42, 43, 49, 52, 53, 54, 56].
- 9 -
Глава 1
Накопитель ВЭПП-2М
Эксперимент проводился на электрон-позитрон ном коллайдере ВЭПП-2М, работающем в диапазоне энергий 2Е от 0.36 до 1.4 ГэВ. Ускорительный комплекс ВЭПП-2М(рис. 1.1) [1) состоит из инжектора, импульсного линейного ускорителя (ИЛУ) на энергию 3 МэВ, электронного синхробетатрона (Б-ЗМ) на энергию 250 МэВ, бустера (БЭП) на энергию до 900 МэВ и собственно коллайдера ВЭПП-2М с максимальной энергией до 700 МэВ.
Электронный пучок из ИЛУ инжектируется в Б-ЗМ, где ускоряется до 250 МэВ. В режиме копления позитронов пучок из Б-ЗМ направляется на вольфрамовый конвертор, расположенный в канале между Б-ЗМ и БЭП. Образовавшиеся позитроны со средней энергией 120 МэВ накапливаются в БЭП. При накоплении электронов электронный пучок с энергией 120
CONVERTOR
Рис. 1.1: Схема накопительного комплекса ВЭПП-2М.
- 10 -
МэВ непосредственно инжектируется вБЭП. Цикл работы ИЛУ-Б-ЗМ занимает приблизительно 1 сек. После накопления достаточного количества позитронов или электронов их энергия повышается до рабочей и пучок инжектируется в ВЭПП-2М. Циркулирующие в ВЭПП-2М пучки при этом сохраняются. Таким образом, ВЭПП-2М работает практически в непрерывном режиме. Набор статистики во время проведения эксперимента блокируется во время инжекции пучка в Б-ЗМ и БЭП на 40 мсек и в ВЭПП-2М на 7 сек. Суммарные потери времени на блокировки не превышают 5%.
Коллайдер ВЭПП-2М состоит из 8 секций поворотных магнитов и четырех прямолинейных промежутков. В одном из промежутков расположен резонатор, в другом — сверхпроводящий виглеровский магнит[35], который позволяет поднять светимость коллайдера за счет увеличения горизонтального эмиттенса пучка. Два оставшихся противоположных промежутка заняты детекторами СНД и КМД-2. Время обращения пучка в ВЭПП-2М составляет 60 нсек. Поперечные размеры — около 0.01x0.2 мм2. Продольный размер области взаимодействия пучков — около 2 см при £7=500 МэВ. Соответствующий энергетический разброс в одном пучке составляет 0.25 МэВ. Средние токи электронов и позитронов в коллайдере при £=500 МэВ равны 45x45 тА. Все вышеперечисленные параметры приведены для режима работы с включенным виглеровским магнитом. Зависимость средней светимости, измеренной во время экспериментов с детектором СНД, от энергии пучка показана на рис. 1.2. Наиболее удачным в смысле набора интегральной светимости был эксперимент 1998 года в области ф резонанса. Достигнуть ожидаемого роста светимости с виглеровским магнитом при более высокой энергии не удалось, главным образом из-за плохого вакуума в кольце ВЭПП-2М и частых аварий в экспериментальный период 1999 года. Максимальная светимость на ВЭПП-2М была получена при энергии 510 МэВ и составляла, около 5 х Ю30 см"2с"1.
-11 -
I
10
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
2Е0, веУ
Рис. 1.2: Зависимость светимости, измеренной в экспериментах 1996-1999 годов, от энергии ВЭПП-2М.
- 12 -
Глава 2
Детектор СНД
Общий вид детектора СНД приведен на рисунках 2.1 и 2.2. Пучки электронов и позитронов сталкиваются внутри бериллиевой вакуумной камеры радиусом 2 см и толщиной 1 мм. Вакуумная камера окружена трековой системой, предназначенной для измерения точки вылета и направления заряженных частиц. Она состоит из двух дрейфовых камер и цилиндрического сцинтилляционного счетчика между ними. Полный телесный угол координатной системы составляет 98% от 47г.
Непосредственно за трековой системой расположен сферический трехслойный электромагнитный калориметр на основе кристаллов Ыа1(Т1). Полная толщина калориметра для частиц летящих из центра детектора составляет 34,7 см (13,4 Хо), полный телесный угол — 90% от 4тг. Калориметр позволяет измерять энергии и углы вылета фотонов и обеспечивает высокую чувствительность детектора к событиям с нейтральными частицами в конечном состоянии.
Снаружи калориметра находится железный поглотитель толщиной 12 см, а далее располагается мюонная система, состоящая из двух слоев стри-мерных трубок, железного фильтра толщиной 1 см и сцинтилляционных счетчиков толщиной 1 см. Она обеспечивает подавление космических событий и используется для идентификации мюонов. Железный фильтр между трубками и счетчиками предотвращает их одновременное срабатывание
- 13 -
от остатков электромагнитных ливней. Вероятность одновременного срабатывания трубок и счетчиков от фотонов с энергией ~ 700 МэВ меньше
1%.
Для описания детектора при реконструкции событий и моделировании используется сферическая система координат с осыо X, направленной вдоль электронного пучка.
2.1 Калориметр
Трехслойный калориметр детектора СНД на. основе кристаллов 1\та1(Т1) имеет сферическую форму, что обеспечивает равномерную чувствительность по телесному углу ( рис.2.3 ). По полярному углу 9 калориметр перекрывает область от 18° до 162°. Эта область условно разбита на две части: “малые” углы, 18° < в < 36° и 144° < в < 162°, и “большие” углы, 36° < 6 < 144°. В области “больших” углов размеры кристаллов составляют Аф = АО = 9°, в области “малых” углов — Аф = 18°, АО = 9°. В каждом слое имеются восемь различных типов счетчиков, большинство из которых имеют форму усеченных четырехугольных пирамид. Выбранная величина угловой сегментации калориметра соответствует реальному поперечному размеру электромагнитного ливня в Ыа1. Таким образом, два ливня могут быть разделены, если угол между ними превышает 9°. Если угол между частицами более 18°, то энергия каждой из них может быть определена с той же точностью, что и для изолированного ливня. Высокая гранулированность калориметра позволяет эффективно реконструировать миогочастичпые события. Так, для событий с числом фотонов равным б вероятность раздельной регистрации всех частиц составляет около 60%.
Счетчики первых двух слоев толщиной 2.9Х0 и 4.8Х(), где Хо — радиационная длина №1(Т1) равная 2.6 см, находятся в общем контейнере из алюминиевой фольги толщиной 0.1 мм. Контейнеры укреплены на несу-
- 14 -
Рис. 2.1: Детектор СИД - сечение вдоль оси пучков; 1 - вакуумная камера, 2 - дрейфовые камеры, 3 - цилиндрический сцинтилляционный счетчик, 4 - световоды, 5 -ФЭУ, 6 - кристаллы Гч'аІ(ТІ), 7 - вакуумные фототриоды, 8 - поглотитель, 9 - стри-мерные трубки, 10 - 1 см железные пластины, 11 - сцинтилляционныс счетчики, 12 -магнитные линзы, 13 - поворотные магниты .
- Київ+380960830922