2
Содержание
Введение 4
1 Детектор 12
1.1 Трековая система.................................................... 12
1.2 Цилиндрический Csl калориметр ...................................... 15
1.3 Торцевой BGO калориметр............................................. 15
1.4 Пробежная система................................................... 17
1.5 Система запуска детектора........................................... 18
1.G Система сбора данных ................................................20
1.7 Компьютеры в системе ” on-line”......................................23
1.8 Обработка данных "off-line”..........................................25
1.9 Набор данных с детектором К МЛ-2.....................................29
2 Изучение распадов ф —> 7г+7г-7 33
2.1 Общие замечания......................................................33
2.2 Отбор кандидатов на 7г+7г”7 события..................................37
2.3 Выделение мюонов.....................................................38
2.4 Процессы ф —» ф —► 7г+7г-.....................................43
2.5 Кинематическая реконструкция.........................................48
2.6 Изучение энергетической зависимости сечений .........................55
2.7 Анализ фотонных спектров.............................................60
3 Изучение распада ф —> 7г°тги7 63
3.1 Выделение событий Ф —> 7Г°7Г°7.......................................63
3.2 Вычитание фона.......................................................61
3.3 Относительная вероятность распада ...................................70
3
4 Наблюдение распада ф —> г)п°7 74
5 Интерпретация и обсуждение результатов 77
6 Поиск реакций с нарушением фундаментальных симметрий 84
6.1 Поиск распада ф fry.................................................84
6.2 Поиск распадов т/ —> 7г+и // —» 7г°7г°..............................86
7 Изучение KsKL парных распадов 89
7.1 Отбор событий.......................................................89
7.2 Выделение событий ядорных взаимодействий ...........................95
7.3 Вычисление сечений..................................................96
7.4 Обсуждение..........................................................98
Заключение 102
Благодарности..........................................................105
Литература
106
4
Введение
Электрон-позитронный накопитель ВЭПП-2М [1], построенный в Институте Ядорной Физики им Г.И.Вудкера и Новосибирске, работает в области энергий 380-1400 МэВ в системе центра масс. Схематическое изображение установки приведено на рис. 1. Эксперименты на этом накопителе начались в 1974 году и на нем получено заметное количество важных результатов в физике е I с- столкновений, включая самые точные измерения формфактора пиона [2], изучение распадов р,и,ф мезонов [3,4] и другие. 13 1988-1992 годах был построен новый бустер БЭП [1], что позволило снять проблему недостатка позитронов и позволило проводить инжекцию в ВЭПП-2М на энергии эксперимента.
Рис. 1: Схематическое изображение ускорительно-накопительного комплекса 13Э11П-2М Института Идерной Физики им. Будкера СО РАН, Новосибирск.
Со включенной ” змейкой” при энергии рождения 0-мезона 2£беат = 1020 МэВ была достигнута пиковая светимость около 5хЮ30 см“2 сек-2 при токах 40 мА х 40 мА электронов и позитронов. На рис. 2 приведен график изменения светимости с энергией,
5
полученный но реальным экспериментальным заходам. Максимальная светимость вычислялась но 25% лучшим заходам. Средняя светимость вычислялась но 75% лучшим заходам. Заход в среднем записывается за 2-4 часа. При работе в узком диапазоне энергий. как например, сканировании узких резонансов ф, средняя светимость получается выше, из-за постоянных улучшений в настройке машины. Так при сканировании ^-мезона была достигнута средняя светимость за смену (12 часов) около 3- К)30 см“2 сек-2 , а максимальный интеграл светимости за неделю составил 1 пб“1.
'со
см
і
Е
о
о
со
О
-Г 1
-1
10
( І І % : ° * о
«г • • Hct 1997 4- Jun 1998 ° • with- vyioq-'-er О о : V т 0#*# Of? JXb о о • ° *0 • О; а...О. :
0 • • о -*<**• • •
°* і •
: • Feb-Jun 1997
Л. ... .і.... ■ --ПП-ЛЛ/ІсПЛ] &£■■■
: о ^ : о ° • * ! 1 f V’ 1 \-j 1 4-> 1
: о • • •
ооо : • •f
0°» ! ®i - overa( о# і : і Oj - maxin •••г. • ge luminosity num luminosity
- ; : :
• •• w ; ■
о і
• . і 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 4 і і і і , | і і і і
200 300 400 500 600 700
Beam Energy, MeV
Рис. 2: Максимальная и средняя светимость ВЭПП-2М, полученная при записи экспериментальных заходов с детектором КМД-2.
б
Несмотря на многолетнюю историю успешной работы накопителя ВЭПП-2М, физические процессы в этой области энергий все еше далеки от полного понимания. Это обстоятельство послужило основным поводом для создания следующего поколения детекторов. Один из них является универсальным детектором, способным регистрировать заряженные и нейтральные частицы и определять их параметра с высокой точностью. Этот детектор получил название Криогенный Магнитный Детектор (КМД-2) из-за наличия в своем составе криогенных систем. Другой - Сферический Нейтральный Детектор (СНД) [5] представляет собой немагнитный спектрометр на основе кристаллов Ка1.
Детектор КМД-2 (б] спроектирован и построен в Институте ядерной физики СО РАН в 1985-1990 голах. Вертикальный и горизонтальный разрезы детектора схематически показаны на рис. 3. Детектор состоит из цилиндрической Дрейфовой Камеры (2) (ДК) окружающей место встречи (1) и цилиндрической пропорциональной камеры (гк)(3), помещенные внутри сверхпроводящего соленоида (4). Цилиндрический Сйі калориметр (7) и мюонная пробежная система (8) располагаются за соленоидом, вне магнитного ноля. Торцевой ВСО калориметр(б), помещенный также внутри соленоида, делает детектор практически герметичным для фотонов, вылетающих из места встречи.
Детектор начал набирать экспериментальные данные в 1992 году. Полная накопленная информация за время работы детектора с 1992 года составляет около 1000 Гбайт на ЕХАВУТЕ кассетах с "сырой” информацией. Всего набрано около 25 пб-1 интегральной светимости и записано около 10!> событий.
ф мезонный резонанс является одним из основных объектов изучения с детектором КМД-2. К настоящему времени детектором КМД-2 записаны данные с интегральной светимостью около 14 рЬ-1 в области ф резонанса (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 позволяют провести прецизионные измерения параметров самого ф резонанса [7,8], что представляется важным также для постоянного мониторинга за состоянием систем детектора и повышает уверенность в полученных результатах.
В первой главе диссертации приведено описание детектирующих подсистем детек-
-л
Рис. 3: Горизонтальное и вертикальное сечение детектора КМ Д-2. 1 - вакуумная камеда 2 - Дрейфовая камера; 3 - Z-кaмepa: 4 - основной соленоид; 5 - компенсирующий соленоид; С> - ВСО торцевой калориметр; 7 - Се! цмлнндомческий калориметр; 8 -мюояная пробежная система: 9 - ярмо магнита: 10 - линзы накопителя.
8
тора, системы сбора данных, процесса "on-line” и "off-line” обработки данных, а также приведена хронология набора данных.
Идея создания более интенсивного источника ф мезонов была обсуждена многими авторами [9-11]. Скорость рождения KSKL событий в этих так называемых ”ф-фабрнках”, одна из которых недавно вступила в строй во Фраскати, Италия [12], делает возможным измерения прямой компоненты СР нарушения в распаде К с —> тг7г , 7Г°7Г° {(.’/е), также как наблюдение СР нарушения в распаде Kg на три пиона. Изучение квантовомеханических корреляций в числе парных распадов К$Кі . произошедших на разном расстоянии друг от друга [13], позволит получить информацию относительно действительных и мнимых частей амплитуды СР нарушения [14 16].
На накопителе ВЭПП-2М, который мог бы рассматриваться как пред ^-фабрика, с детектором КМ Д-2 проводятся предварительные исследования, которые будут полезны на полномасштабных ^фабриках.
Возможной проблемой при измерении ('/с на уровне 10“4 - 10~5 в экспериментах на ^-фабриках может быть примесь С- четного состояния в конечные частицы, что дает распад на KsKs вместо желаемого KsKl с С=-1. Такая примесь может появятся при радиационных распадах ф мезона на /о(980)7 с последующим распадом /о(980) —» К$К$• Мягкий фотон при этом может быть не зарегистрирован. Хотя, как показано в [17,18] эффективные отборы могут уменьшить влияние С-четного состояния, но распад ф мезона на пару каонов с С=4-1 на уровне 10-5 может дать заметный вклад в неточность измерения e'/f на ©-фабриках.
Вклад такой С-четной Л'° — Ä'0 пары в распады ф мезона оценивалось многими авторами [9,19 -21] и эти оценки дают достаточно низкие значения такой вероятности распада, по это требует экспериментального подтверждения так как до настоящего времени распад ф -> К$К§7 не наблюдался. Вероятность такого распада мала для наблюдения на накопителе ВЭПП-2М, однако изучение распада ф -» /о(980)7 с последующим распадом /о(980) тг7г уже возможно.
Изучение распада ф —> /о(980)7 интересно не только с точки зрения возможного С-четного фона на экспериментах на ф- фабриках, но и с точки зрения структуры /о(980) мезона. Наблюдаемая 20% вероятность распада /о (980) —> К К кажется очень большой если /о(980) является членом мезонного нонета с S=0 and 1=0. Различные объяснения такой большой связи с каонами давались в работах [19-21] включая
9
идею, что /о(980) является четырехкварковым состоянием со ’’скрытой” странностью (/о = ss(uü-\-dd) I у/2), или является К К молекулой. В теоретических моделях [21—25] исследованы эти возможности и показано, что по величине относительной вероятности распада ф -> /0(980)7 можно судить о структуре /()(980). Показано, что наблюдение относительной вероятности распада на уровне (1 - 2) х 10 ,Г) характерно для К К молекулы, для двухкварковой структуры /о(980) ожидается величина около 5 х КГ5 , и относительная вероятность 2.4 х 10-'1 предсказывается для четырех кварковой модели.
Попытки зарегистрировать этот распад предпринимались предыдущим поколением детекторов [4]. а для современных детекторов КМД-2 и СИД являются основными в научной программе [26], так же как и для <р-фабрики во Фраскати [27,28]. Впервые с детектором КМД-2 поиск промежуточного /о (980) состояния проводился в реакции с заряженными пионами е+е~ -» 7г‘ 7г_7. Первые результаты, опубликованные в работе [29,30] на основе сравнительно небольшого интеграла светимости, позволили только поставить верхний предел на распад ф —> 7г+тг“7 на уровне 3 х 10-5, что оказалось загадочно низким по сравнению с наблюденным позже группой С’НД распадом ф —»7Г°7Г°7 с относительной вероятностью около 1 х КГ'1 [31,32]. Последующие исследования [8,33,35,36] подтвердили теоретические предсказания [22-24], что деструктивная интерференция с процессом тормозного излучения рождения пары заряженных пионов уменьшает наблюдаемое сечение распада ф —> тг+тг_7 .
Во второй и третьей главе диссертации представлены экспериментальные результаты с детектора КМД-2 по изучению распадов ф -> 7г+7г-7 и на ф -* 7г°7г°7, основанные на регистрации порядка 20 миллионов распадов Ф мезона [34-36]. Описана процедура выделения событий и процедура разделения пионов и мюонов, которая проверена на событиях упругого взаимодействия е+е~ -» тг+тг- и е+е~ -» ß+ß~. Анализ этх событий позволил оценить величину прямого адронного распада ф на пару пионов.
В четвертой главе диссертации приводятся результаты анализа данных КМД-2 по выделению процесса —> 7/7г°7 в конечном состоянии с пятью фотонами. Эта реакция интересна тем, что в состоянии г/тг° должен наблюдаться ао(980) резонанс, который также не укладывается в картину простых двух-кварковых состояний. Указание на присутствие а0(Ш)) состояния в радиационном распаде ф —> г?7г°7 впервые продемонстрировала группа СИД [31,46]. Присутствие а0(980) состояния подтверждается также в данной работе.