Содержание
1 Введение 4
2 Стандартная Модель 7
2.1 Теория электрослабых взаимодействий ..................... 7
2.2 Квантовая хромодинамика ................................. 9
3 Экспериментальная установка 11
3.1 Ускоритель ЛЭП.......................................... 11
3.1.1 Измерение энергии пучков ........................ 12
3.2 Детектор ДЕЛ ФИ......................................... 15
3.2.1 Вершинный детектор VD.......................... 15
3.2.2 Внутренний детектор ID......................... 16
3.2.3 Время-проекционная камера ТРС ................... 16
3.2.4 Внешний детектор ÖD............................ 17
3.2.5 Передние камеры FCA и FCB ....................... 18
3.2.6 Центральный электромагнитный калориметр НРС . 18
3.2.7 Передний электромагнитный калориметр FEMC . . 19
3.2.8 Адронный калориметр HCAL....................... 19
3.2.9 Время-пролетная система TOF.................... 19
3.2.10 Детекторы черенковского излучения RICH........ 20
3.2.11 Мюонные камеры MUC............................. 20
3.2.12 Триггер........................................ 20
3.2.13 Система приема данных.......................... 21
3.2.14 Реконструкция событий.......................... 21
3.2.15 Измерение светимости с помощью калориметра STIC 23
4 Основные типы физических событий на ЛЭП 25
4.1 Сечение процесса е+е“ff................................. 26
4.1.1 Радиационные поправки.......................... 27
4.1.2 Программа ZFITTER.............................. 28
4.2 Моделирование событий................................... 28
5 Измерение сечения e+e~—>qq{7) на ЛЭП-1 30
5.1 Набор данных на ДЕЛ ФИ в период работы ЛЭП-1 .... 30
5.2 Метод измерения сечения.............................. 30
5.3 Отбор адронных событий............................... 31
5.3.1 Отбор треков................................... 31
1
5.3.2 Критерии отбора событий. Подавление фонового
вклада............................................. 32
5.4 Поправки на эффективность восстановления треков в передней области детектора...................................... 38
5.5 Поправки на нестабильности в работе трековых детекторов 40
5.6 Зависимость эффективности отбора адронных событий от энергии ...................................................... 41
5.7 Поправка на разброс энергии столкновения.................. 42
5.8 Коррекция фонового вклада ................................ 43
5.9 Контроль качества данных ................................. 46
5.9.1 Контроль стабильности сечения ..................... 47
5.9.2 Распределение числа Баба-событий между двумя последовательными адронными событиями.................... 53
5.10 Оценка систематической ошибки............................ 53
5.10.1 Ошибка измерения светимости....................... 53
5.10.2 Ошибка, связанная с поправками к сечению .... 54
5.10.3 Ошибка величины фонового вклада................... 54
5.10.4 Ошибка эффективности отбора адронных событий . 54
5.11 Общая ошибка измерения сечения........................... 56
6 Результаты измерения сечения на ЛЭП-1. Определение
параметров Стандартной Модели 58
6.1 Результаты измерения сечения.............................. 58
6.2 Определение параметров 2-резоианса........................ 58
6.3 Измерение ть и а3......................................... 61
6.4 Предел на парциальную ширину Г£еш неизвестных распадов 2-бозона . .............................................. 62
7 Второй период работы ускорителя — ЛЭП-2 63
7.1 Энергия столкновения и набранная светимость на ЛЭП-2 . 63
7.2 Основные типы физических процессов при энергиях ЛЭП-2 64
7.2.1 Эффективная энергия столкновения. “Радиационный возврат”............................................. 64
7.2.2 Четырехфермионные процессы......................... 66
7.2.3 Д¥\¥-события....................................... 67
7.3 Моделирование событий на ЛЭП-2............................ 68
8 Измерение сечения е+е “—►<$(7) на ЛЭП-2 ТО
2
8.1 “Полное” и “нерадиационное” сечения................. 70
8.2 Восстановление эффективной энергии столкновения .... 70
8.3 Вычисление сечения....................................... 72
8.4 Критерии отбора треков и событий......................... 73
8.5 Эффективность отбора .................................... 74
8.6 Фоновый вклад............................................ 74
8.6.1 Использование дополнительных критериев для подавления \¥\У-фона....................................... 75
8.7 Оценка систематической погрешности....................... 78
8.7.1 Погрешность эффективности отбора.................. 78
8.7.2 Погрешность, связанная с критерием отбора но у/Р 79
8.7.3 Погрешность, связанная с вычитанием фона .... 81
8.7.4 Погрешность определения светимости................ 83
8.7.5 Сводная таблица для систематической погрешности 83
9 Результаты измерения сечений на ЛЭП-2 и их интерпретация 85
9.1 Сравнение измерений с предсказаниями Стандартной Модели 86
9.2 Оптирование в рамках подхода 8-матрицы................... 88
9.3 Поиск 2'-бозона.......................................... 90
9.4 Фитирование общемировых данных с целью проверки
Стандартной Модели....................................... 92
10 Заключение 93
3
1 Введение
Целью диссертационной работы являлось определение инклюзивного сечения реакции рождения кварк-антиварковой пары в результате е+е” аннигиляции при энергиях столкновения от 89 до 207 ГэВ. Работ была выполнена на основе данных, набранных экспериментом ДЕЛ ФИ на ускорителе ЛЭП в период с 1995 по 2000 год.
Научная новизна исследования. Измерена величина сечения реакции е+е~ —» qq(7) в широком диапазоне энергий — как вблизи Z-резонанса, так и при более высоких энергиях, которые для элсктрон-позитронных столкновений были достигнуты впервые в мире.
Практическая ценность. Полученные автором результаты использовались объединенной группой по электрослабой физике в ЦЕРН вместе с другими данными ЛЭП для проверки Стандартной Модели и определения ее параметров. Выполненная проверка подтвердила правильность предсказаний этой теории, а полученные значения ее параметров вошли в таблицы Particle Data Group.
В ходе анализа создан пакет программ для отбора адронных событий и определения сечения, контроля качества данных, расчета и приложения необходимых поправок к моделированию. Он может использоваться при дальнейшем анализе данных на ДЕЛФИ.
Результаты, выносимые на защиту:
- Измерение сечения реакции е*е —* qq(7) в районе Z-резонанса в четырех точках на шкале энергии столкновения.
- Метод контроля качества данных с использованием, в том числе, сравнения частот рождения адронных и Баба-событий.
- Измерение сечения реакции е+е~ —>qq{7) для десяти значений энергии столкновения, начиная от 161 и до 207 ГэВ. При этом, в каждом случае сечение было измерено для двух различных диапазонов эффективной энергии столкновения.
- Метод подавления фона от процесса рождения WW-nap при отборе адронных событий.
- Проверка предсказаний Стандартной Модели для сечения е ‘ е —> ЯЯ(7)- Интерпретация полученных результатов в рамках подхода S-матрицы. Проверка нескольких теоретических моделей, описывающих
4
существование дополнительного тяжелого промежуточного бозона 2'.
Структура диссертации. Диссертация состоит из десяти глав, в том числе Введения и Заключения. Условно ее можно разбить на три основных части: вводная часть (главы 2-4). анализ данных и результаты ЛЭП-1 (главы 5-6), анализ данных и результаты ЛЭП-2 (главы 7-9). Далее следует краткое описание каждой из глав.
Во второй главе излагаются основные положения Стандартной Модели, а также краткая история создания и проверки теории электросла-бых взаимодействий.
В третьей главе рассказывается об ускорителе ЛЭП и о методе, применяемом на нем для измерения энергии пучков. Также дано описание экспериментальной установки ДЕЛ ФИ, которое включает в себя описания основных компонент детектора, системы приема данных и алгоритма реконструкции событий. Описывается метод измерения светимости на ДЕЛФИ с помощью калориметра БТЮ.
В четвертой главе перечисляются основные типы физических процессов, имеющих место при е ье" соударениях на ускорителе ЛЭП. Приводятся формулы для расчета сечения процесса рождения фермион-антифермионной пары > //(?) и обсуждается вклад от радиа-
ционных поправок. Рассказывается о моделировании событий.
Пятая глава содержит подробное описание проделанного автором анализа по определению сечения процесса е^еГ —► <й(о) при энергиях 2-резонанса. Описываются критерии отбора событий, определение фонового вклада и эффективности отбора, обсуждается внесение некоторых поправок к вычисляемой величине. Перечисляются составляющие общей систематической погрешности измерения.
В шестой главе приводятся полученные значения для сечения. Дается их сравнение с теоретическими предсказаниями и с результатами других экспериментов на ЛЭП. Говорится об использовании полученных результатов для фитирования параметров Стандартной Модели, для определения массы топ-кварка гщ и константы сильного взаимодействия а8 и для получения пределов на парциальную ширину возможных распадов 2-бозопа на еще неизвестные частицы.
Седьмая глава открывает раздач диссертации, посвященный анализу данных набранных при энергиях выше 2-резонанса. Обсуждаются особенности физических процессов в этом диапазоне энергий, а также их моделирование.
В восьмой главе дано описание методики измерения сечения на ЛЭП-2. Рассказывается о методе вычисления сечения, об оценке систематической погрешности.
В девятой главе приводятся результаты измерения сечения на ЛЭП-2 и их интерпретация.
Результаты работы кратко суммируются в Заключении. Они были опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах [1-3], а также неоднократно докладывались на международных научных конференциях [4-5, и др.), в том числе самим автором.
6
- Київ+380960830922