2
Содержание
1 Введение 4
2 Детектор КМД-2 8
2.1 Дрейфовая камера...................................... 9
2.2 г-камера.............................................. 11
2.3 Пробежная система................................... 13
2.4 Система сбора данных ................................. 15
2.5 Программа реконструкции событий....................... 17
3 Цилиндрический калориметр детектора КМД-2 19
3.1 Конструкция калориметра............................... 19
3.1.1 Выбор материала калориметра .....................20
3.1.2 Механическая конструкция и крепление кристаллов 21
3.1.3 Электронный тракт............................... 25
3.2 Мониторирование счетчиков и калибровка электроники . . 31
3.2.1 Калибровка с использованием генератора и светодиодов ................................................ 33
3.2.2 Калибровка но космическим частицам...............35
3.2.3 Настройка коэффициентом усиления плат Ф32 .... 36
3.3 Восстановление энергии и координат частиц..............38
3.3.1 Восстановление энергии фотона....................41
3.3.2 Калибровка но событиям упругого е+е~ —> е+е~
рассеяния....................................... 45
з
3.3.3 Восстановление координат фотонов.................. 50
3.4 Состояние калориметра..................................... 53
4 Описание эксперимента 58
4.1 Комплекс ВЭПП-2М.......................................... 58
4.2 Общие характеристики набора экспериментальных данных 60
4.3 Система запуска детектора................................. 62
4.4 Определение светимости.................................... 63
5 Изучение поведения сечения е+е~ —> 37Г 66
5.1 Общие характеристики распада ф —> Зтг ................... 66
5.2 Выделение событий процесса ф -> 37г...................... 67
5.2.1 Условия отбора и источники фона................... 71
5.3 Эффективность регистрации................................ 82
5.3.1 Моделирование..................................... 82
5.3.2 Поправки к эффективности...........................85
5.3.3 Эффективность триггера............................100
5.3.4 Учёт радиационных поправок.........................101
5.3.5 Вклад разброса энергии в пучке.....................106
5.4 Определение параметров ф-мезона и и - ф интерференции . 108
5.5 Анализ динамики распада ф ~> Зл-..........................114
5.5.1 Отбор событий и учёт эффективности................114
5.5.2 Анализ энергетического распределения пионов на
диаграмме Лалица..................................119
5.6 Поиск прямых распадов ф -> тг+т~77......................128
6 Заключение 136
А Кинематическая реконструкция событий с двумя заряженными частицами и двумя фотонами 138
Литература
141
4
Глава 1 Введение
Для изучения взаимодействия легких кварков и векторных мезонов р, сд, 0-мезонов, состоящих из них важную роль играют эксперименты, проводимые на встречных электрон-позитронных пучках. Распад ф -> 7г+7г“7г° является одной из основных мод распада 0-мезона, хотя согласно правилу Цвейга, вероятность этот процесса должна быть подавлена. Измерение сечения е+е~ 7г+7г-7г° в области 0-резонанса позволяет получить информацию о структуре 0-мезона и найти параметры сV - ф интерференции.
Кроме изучения полного сечения реакции 0 —> 37Г, представляет интерес исследование динамики этого распада. Согласно предсказанию Гел-Мана, Шарпа, Вагнера [1], распад 0(сд) Зт идет с образованием промежуточного рп состояния. Однако, начиная с работ [2, 3]^ обсуждалась возможность наличия прямого контактного перехода ф(и) -» х+7г-7г°, а в работе [4] было отмечено, что для того, чтобы выполнялись и условия КЭШ** [5, б], и низкоэнергетическая теорема [7], амплитуда 7 —» 37Г должна выражаться через амплитуды рождения /ж их0—» 27. К сожалению, спектр конкретных теоретических предсказаний на величину контактного члена достаточно широк (8, 9, 10, 11]. Кроме того, согласно [12], на динамику распада может влиять взаимодействие пионов в конечном состоянии.
5
Сечение реакции е+е~ —> тг+7Г~7г° в области энергий ф изучалось различными группами в Орсэ [13, 14, 15, 16, 17] и в Новосибирске [18, 19, 20, 21]. В первых экспериментах [13, 14, 18, 15], выполненных на электрон-позитронных накопителях АСО и ВЭПП-2, наблюдались события реакции ф —> Зтг, и с точностью 10 ~ 20 % было измерено её сечение. В следующих измерениях, проведённых детекторами M3N [19] на накопителе АСО и ОЛЯ [19] — на ВЭПП-2М, впервые наблюдалась и) — 0-интерференция в канале Зд и было показано, что фаза интерференции близка к 180°. В более поздних исследованиях, проведённых с детекторами DM1 [17] на накопителе АСО, а также ОЛЯ [20] и НД [21] — на ВЭПП-2М, сечение измерялось в более широком диапазоне от 660 до 1400 МэВ с интегральной светимостью в несколько сот обратных нано-барн. При этом была определена вероятность перехода ф —> Зяг и угол и - ^-интерференции.
Изучение распределения событий на диаграмме Далица в области энергий ф проводилось ранее только в одном эксперименте [22] 1, выполненном на статистике в 708 восстановленных событий 37г. Результаты работы подтвердили доминирующий механизм распада ф -э (т —> Зтг. При этом не учитывалась интерференция амплитуд ртг и Зтг. Следует отметить, что эту интерференцию необходимо у читывать, поскольку интерференционный член отличен от нуля из-за большой ширины р-мезона. Таким образом, некорректно характеризовать распад ф —> 7r'f7r_7r° вероятностями Вг(ф —> />7г) и Вг(ф Зтг). Более правильно приводить полную вероятность распада ф -» Зтг (с учётом всех промежуточных состояний), а также соотношение амплитуд и относительную фазу ртг- и Зтг-каналов. То, что в таблице характеристик свойств 0-мезона [23] эти два распада приводятся как независимые, следует рассматривать как недоразумение, которое будет' устранено в следующих изданиях.
1 Анализ диаграммы Далица для области энергий выше 0-мезона проводился в работе [21]
6
Детектор КМД-2 [24, 25] — это первый универсальный магнитный детектор, работающий в области энергий 340~1400 МэВ. Он содержит как магнитный спектрометр, позволяющий измерять импульсы заряженных частиц, так и электромагнитный калориметр, обеспечивающий регистрацию фотонов, измерение их энергий и углов с достаточно хорошей точностью. Возможность регистрации всех частиц в конечном состоянии позволяет выделять процесс 37Г практически без фона, что особенно важно для изучения динамики распада ф -> Зтг. Описанию детектора посвящена Глава 2 данной работы.
Глава 3 посвящена описанию цилиндрического калориметра, создание и обеспечение работы которого также входило в задачи автора. Была выбрана конструкция калориметра на основе кристаллов СзТ толщиной 15 см, что соответствует' примерно 8 Х0. Следует отметить, что в калориметрах полного поглощения используются кристаллы с полной толщиной 12 ~ 16 Хо [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32], что позволяет получить энергетическое разрешение в 2-3 %. Однако, толщина активною вещества калориметра 8 Л'о обеспечивает высокую эффективность регистрации фотонов и энергетическое разрешение калориметра <тя/Е = 8^12% в диапазоне энергий от нескольких десятков до 700 МэВ и при этом позволяет существенно уменьшить размеры калориметра и детектора. Полученное разрешение вполне достаточно для работы в области энергий до
1,4 Гэв, так как имеется ограниченное число конечных состояний,и большинство процессов имеют небольшую множественность, что позволяет привлекать законы сохранения энергии-импульса и другие кинематические связи для определения характеристик частиц.
С другой стороны, выбранная конструкция калориметра на основе тяжелых кристаллов имеет лучшее разрешение в области низких энергий, чем калориметр типа “сандвич”. Так, лучший на сегодняшний день калориметр такого типа, создаваемый для детектора КЬОЕ [33], имеет энергетическое разрешение сге/Е = 4,7 %/уІЕ[ ГэВ], то есть уже при
7
энергиях фотонов ниже 250 МэВ — хуже 10 %. Еще сильнее различие проявляется при поиске редких радиационных переходов, таких как, ф —> 7/7, для которого энергия фотона составляет 60 МэВ.
Для эффективного использования информации с калориметра необходимо создать соответствующее программное обеспечение. Оно включает две части. Первая — это программы реального времени, которые считывают информацию с электронных модулей калориметра, обеспечивают оперативную калибровку, позволяют производить настройку электроники системы и выявление неисправных каналов. Вторая часть программного обеспечения служит для преобразования записанной информации в физические характеристики события (число кластеров в калориметре, энергия и углы частиц и т.п.), а также для обеспечения точной калибровки калориметра. Создание такого программного обеспечения также входило в задачи данной работы.
В первых экспериментах с детектором КМД-2 [34], проведённых в 1992 году, были измерены вероятности основных мод распада ^-мезона. Данная работ а основана на статистике, соответствующей интегралу светимости 1,4 пб'1, набранной в 1993 году. Основные характеристики эксперимента представлены в Главе 4.
Анализ экспериментальных данных и полученные физические результаты описаны в Главе 5. В работе представлены результаты измерений вероятности распада ф —» Зтт и фазы о? — ф интерференции, а также изучение динамики распада ф —» Зтт. При этом, полная амплитуда процесса представлялась линейной комбинацией амплитуды ф -* /тл -7 Зя- и контактного члена ф —> тг+7г-7г° и на основе анализа диаграммы Далица было получено ограничение на амплитуду контактного члена. Кроме того, был проведен поиск событий ф —> /777 и впервые установлен верхний предел на вероятность этого процесса. Также был найден верхний предел на вероятность нарушающего С-чётность распада ф —> г/7г+7г".
Основные результаты работы приведены в Заключении.
8
Глава 2
Детектор КМД-2
и'2.?
Рис. 2.1: Детектор КМЛ-2 в II-ф и 7, проекциях. 1 — вакуумная камера; ‘2 — дрейфовая камера; 3 — 2-камера; 4 — основной сверхпроводящий соленоид; 5 — компенсирующий соленоид; 6 — торцевой калориметр на основе ВОО; 7 — цилиндрический калориметр на основе Св1; 8 — мюон-ная система; 9 — ярмо магнита; 10 — квадрумольные линзы.
Эксперименты, описанные в данной работе, выполнены на детекторе КМД-2 [24]. КМД-2 — это универсальный детектор, позволяющий ре-
9
гистрировать и измерять с высокой точностью параметры как заряженных частиц, так и фотонов. Схема детектора представлена на Рис. 2.1. Координаты, углы вылета и импульсы заряженных частиц измеряются координатной системой детектора., состоящей из дрейфовой(2) и Z-камер(З), расположенных в магнитном поле, создаваемым соленоидом(4). Цилиндрический(7) и торцевой(б) электромагнитные калориметры, изготовленные из сцинтилляционных кристаллов Ся1 и ВОО, обеспечивают измерение энергии и угла фотонов, а так же позволяют разделять электроны и адроны. Пробежная система(8) служит для разделения мюонов и адронов.
Вакуумная камера в прямолинейном промежутке имеет диаметр 40 мм и длину 1 м. Для уменьшения многократного рассеяния её центральная часть длиной 20 см изготовлена из бериллия толщиной 0,8 мм.
Магнитная система детектора состоит из основного и двух компенсирующих сверхпроводящих магнитов. Основной магнит создаёт магнитное поле 10 - 12 кГс вдоль оси пучков. Полная толщина катушки составляет 0,4 радиационные длины.
2.1 Дрейфовая камера
Регистрация заряженных частиц осуществляется дрейфовой камерой [35) длиной 44 см и диаметром 60 см, расположенной соосно с ва-куу мн ой ка мерой.
Дрейфовая камера заполнена газовой смесью 80% аргона и 20% изобутана. Пролетающая через камеру заряженная частица ионизует вдоль своего трека газ, и образовавшиеся в результате ионизации электроны дрейфуют в электрическом иоле, созданном полевыми проволочками и регистрируются сигнальными проволочками.
Камера состоит из трех слоев, разбитых на ячейки. В первом, внутреннем слое содержится 16 ячеек но 6 сигнальных проволочек в каждой.
10
Второй слой имеет 32 ячейки по 7 проволочек, третий — 32 ячейки по б сигнальных проволочек. Таким образом, в общей сложности дрейфовая камера имеет 512 сигнальных проволочек. Сигнальные проволочки диаметром 18 мкм изготовлены из золоченого вольфрама. Полевые проволочки диаметром от 150 до 300 мкм выполнены из титана, покрытого медью. Расположение проволочек показано на Рис.2.2.
Рис. 2.2: Расположение проволочек в ячейках дрейфовой камеры. Кружками обозначены положения полевых и потенциальных проволочек, косыми крестиками — положения сигнальных проволочек.
Сигнальные проволочки в ячейке расположены вдоль оси пучка в окрестности радиальной плоскости со смещением на 300 мкм в левую и правую стороны через одну для устранения неопределенности в измерении координаты трека по времени дрейфа (с какой стороны от проволочки прошла частица). Только две первые проволочки в ячейках первого слоя не смещены. Полевые проволочки расположены на границах ячеек. На них подается напряжение, рассчитанное таким образом, чтобы электрическое поле в ячейке было как можно ближе к однородному. Вектор напряжённости электрического ноля перпендикулярен плоскости сигнальных проволочек. При постоянном продольном магнитном поле, в котором находится камера, дрейф электронов происходит с постоянной скоростью иод углом Лоренца к направлению электрического поля. Угол Лоренца и для условий дрейфовой камеры детектора КМД-2 имеет вели-
11
чину, а/, » 30°. Между соседними сигнальными проволочками на одном радиусе с ними расположены потенциальные проволочки, которые служат для регулировки коэффициента газового усиления на сигнальных проволочках.
Сигнал с каждой проволочки снимается с обоих её концов и после усиления поступает на плату Т2А [36], позволяющую измерять время прихода и амплитуды сигналов.
Зная расположение проволочек и распределение полей в камере, можно восстановить координаты трека пролетевшей через камеру заряженной частицы. Координаты в плоскости проволочек (х, у) определяются по номеру сработавшей проволочки и времени дрейфа. Координата ъ (вдоль проволочки или, соответственно, вдоль направления пучков) определяется методом деления заряда. Кроме того, измерение амплитуды сигнала используется для идентификации частиц по величине ионизационных потерь (\Ejdx.
Координатное разрешение дрейфовой камеры в плоскости П—'-р составляет 250 мкм, а вдоль проволочки 4 мм. Зависимость импульсного разрешения дрейфовой камеры от импульса показана на Рис. 2.3 [37], а разрешение по полярному и азимутальному углу трека составляет ов — 0,02 и аф — 0,007 радиан соответственно.
2.2 г-камера
За дрейфовой камерой располагается двухслойная цилиндрическая пропорциональная 2-камера [38] со съёмом информации с катодов и с анодов.
Z-кaмepa используется не только как координатный детектор, но также используется для формирования первичного заряженного триггера. С её помощью осуществляется временная привязка события к моменту столкновения пучков. Период оборота пучков в ВЭПП-2М составляет
12
—-
і
!
-Г-ПГЯ м
: ' 1 г ’ . I
! - ч
... . .. .
\<А)
200
300 400 500 600
Р, МеУ
Рис. 2.3: Импульсное разрешение дрейфовой камеры.
60 не, что определяет требования на временной разброс сигналов с Ъ-камеры. Для решения этой задачи в 7-камере используется быстрая газовая смесь и маленькое расстояние между чувствительными проволочками. Для увеличения эффективности регистрации камера выполнена в виде двух независимых слоев.
Конструктивно 7-камера состоит из самоподдерживаюидихся катодов и анодных проволочек, натянутых между посадочными кольцами. Катодные поверхности представляют собой три цилиндра длиной 800 мм и диаметрами 611,5, 629,5 и 647,7 мм, изготовленные из фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5 мм. Три цилиндра образуют два слоя 7-камеры. Средний(центральный) цилиндр является общим для двух слоев и имеет обе сплошные фольгированныс поверхности. У внутреннего и внешнего цилиндров фольгированные поверхности, обращённые к центральному катоду, разделены на кольцевые полоски шириной 6 мм с зазором между ними - 0,5 мм. Каждое кольцо разделено на угловые сегменты по следующей схеме: 16 ближайших к центру колец — на 4 равные части,