Содержание
1 Введение
2 Теория
2.1 Стандартная модель...............................................
2.2 Тау-лелтон.......................................................
2.3 Измерение параметров г-резонанса.................................
3 Эксперимент ДЕЛ ФИ на ускорителе ЛЭП
3.1 Ускоритель ЛЭП...................................................
3.2 Экспериментальная установка ДЕЛ ФИ...............................
3.3 Сбор и предварительная обработка данных в эксперименте ДЕЛФИ
3.3.1 Триггерная система........................................
3.3.2 Система сбора данных .....................................
3.3.3 Предварительная обработка данных .........................
3.4 Основные физические процессы на ЛЭП-1............................
3.5 Моделирование установки .........................................
4 Отбор событий рождения пар тау-лептонов
4.1 Отбор данных по состоянию установки..............................
4.2 Принципы отбора тау-лептонов на ЛЭП-1............................
4.3 Отбор греков и фотонов ..........................................
4.4 Критерии отбора событий рождения тау-пар в центральной части
установки.......................................................
4.5 Отбор событий в торцевой части установки.........................
5 Измерение сечения рождения и зарядовой асимметрии пар тау-лептонов
5.1 Определение сечения рождения тау-пар и оценка уровня
остаточного фона................................................
5.2 Определение зарядовой асимметрии вперед-назад....................
5.3 Оценка систематических погрешностей..............................
5.3.1 Систематическая погрешность измерения сечения рождения тау-пар . ............................................
5.3.2 Систематическая погрешность измерения зарядовой асимметрии......................................................
5.4 Результаты измерений сечения и зарядовой асимметрии
рождения тау-пар и их интерпретация ............................
6 Измерение поляризации тау-лептонов
6.1 Метод измерения поляризации......................................
6.2 Отбор адронных распадов тау-лептонов ............................
6.2.1 Отбор в центральной части установки .....................
3
6
6
10
11
16
16
1 п
11
20
20
21
22
23
26
28
28
28
29
30
36
43
43
46
51
51
53
54
60
61
63
63
1
6.2.2 Отбор в торцевой части установки ..........................69
6.2.3 Результаты отбора адронных распадов........................69
6.3 Процедура определения поляризации тау-лептонов...................72
6.4 Интерпретация измерений в рамках Стандартной модели..............74
6.5 Поправки и систематические погрешности...........................76
6.6 Результаты измерения поляризации тау-лептонов и их
интерпретация....................................................80
7 Поиск аномального тензорного взаимодействия тау-лепгонов 84
7.1 Теоретическая модель.............................................84
7.1.1 Лептонные распады..........................................85
7.1.2 Полуадронные распады.......................................85
7.2 Отбор событий...................................................87
7.3 Метод измерения аномального тензорного взаимодействия .... 88
7.3.1 Лептонные распады..........................................88
7.3.2 Полуадронные распады.......................................90
7.4 Оценка систематических погрешностей..............................92
7.5 Результаты измерения аномального тензорного взаимодействия . 93
8 Заключение 94
2
1 Введение
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное определение сечения и зарядовой асимметрии рождения нар тау-лептонов в электрон-позитронной аннигиляции
с+е" —>т*т~
при энергиях 2-резонанса, измерение средней поляризации тау-лептонов и ее угловой зависимости, а также поиск аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов.
Исследования, положенные в основу диссертационной работы, были выполнены автором в эксперименте ДЕЛФИ в течение 1995-2000 гг.
Научная новизна исследования. Впервые с высокой точностью были измерены параметры Z-peзollaнca в канале т+т~ и поляризация тау-лептонов, рождающихся в распадах 2-бозонов, что позволяет определить параметры СЧандартной модели апектрослабого взаимодействия. Кроме того, впервые экспериментально поставлено ограничение сверху на силу аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов, допускающего наличие производных в лагранжиане взаимодействия.
Практическая ценность. Полученные результаты с высокой точностью подтвердили корректность предсказаний Стандартной модели электрослабого взаимодействия. Объединение всех измерений параметров 2-резопанса дает верхнюю оценку массы Хиггс-бозона приблизительно 200 ГэВ/с2, что позволяет оптимизировать параметры установок, проектируемых для открытия и изучения Хиггс-бозона.
Автором была разработана и осуществлена процедура физического анализа данных эксперимента ДЕЛФИ. В частности, был проведен отбор событий рождения пар тау-лептонов, отбор адронных распадов тау-лептонов, определение сечений и зарядовых асимметрий рождения пар тау-лептонов и поляризации тау-леитонов, а также аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов. Для каждого из измерений была разработана процедура оценки систематических погрешностей. Кроме того, автором была разработана процедура интерпретации измерения поляризации тау-лептонов с учетом вклада радиационных поправок. Полученные результаты и разработанные процедуры использовались членами коллаборации ДЕЛФИ в дальнейшем физическом анализе.
Результаты, выносимые на защиту:
- Разработка метода отбора рождений пар тау-лептонов в эксперименте ДЕЛФИ;
3
- Определение сечений и зарядовых асимметрий рождения пар тау-лептонов
в районе г-резонанса;
- Определение средней продольной поляризации тау-лептонов и ее угловой
зависимости, а также интерпретация этих данных в рамках Стандартной модели;
- Установление верхнего предела на силу аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из восьми глав, в том числе Введения и Заключения.
Во Введении сформулированы цели диссертационной работы, перечислены выносимые на защиту результаты, подчеркнуты их новизна и практическая ценность.
Во второй главе содержатся основные положения Стандартной модели электрослабого взаимодействия. Обсуждаются теоретические предсказания модели и приводятся необходимые для физического анализа формулы и определения.
В третьей главе приводится общее описание ускорителя ЛЭП и эксперимента ДЕЛФИ. Описываются экспериментальная установка, система сбора данных, программы реконструкции и моделирования установки.
В четвертой главе описывается отбор событий рождения пар тау-лептонов. Действие каждого из критериев отбора иллюстрируется графиком, показывающим распределение событий по соответствующей переменной. Указаны различия в отборе событий в центральной и торцевой частях установки.
В пятой главе описываются определение сечения и зарядовой асимметрии рождения пар тау-лептонов. Приводятся методы определения уровня остаточного фона, реконструкции зарядов тау-лептонов, оценки систематических погрешностей измерений.
В шестой главе описывается определение средней продольной поляризации тау-лептонов по спектрам их адронных распадов. Приводится процедура идентификации частиц и отбора адронных распадов тау-лептонов. Особое внимание уделяется проверке корректности моделирования установки и связанным с этим систематическим погрешностям. Описывается процедура определения параметров Стандартной модели из угловой зависимости поляризации.
В седьмой главе описывается поиск гипотетического аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов, которое характеризуется наличием производных в лагранжиане взаимодействия. Вводится необходимый теоретический формализм. Анализ лентонных и адронных распадов тау-лептонов в пределах экспериментальной точности согласуется с
4
предположением об отсутствии аномального взаимодействия, что позволяет поставить верхний предел на величину его эффективной константы связи.
Результаты работы кратко суммируются в Заключении. Эти результаты неоднократно докладывались (в том числе и автором) на международных научных конференциях и были опубликованы в виде статей в отечественных и зарубежных журналах [1],[2),[3],[4].
5
2 Теория
2.1 Стандартная модель
Стандартная модель злектрослабого взаимодействия (в дальнейшем сокращенно именуемая ‘Стандартная модель”) была предложена в шестидесятых годах двадцатого века С.Л.Глэшоу, С.Вайнбергом и А.Саламом [5| для единообразного описания электромагнитного и слабого взаимодействий фермионов. В основе Стандартной модели лежит предположение о наличии калибровочной симметрии злектрослабого взаимодействия, отвечающей группе SU(2)i х U(\)y слабого изосгшна 1 и слабого гиперзаряда У. В отсутствие нарушения калибровочной симметрии переносчиками взаимодействия являются четыре безмассовых калибровочных бозона, обозначаемые Wp (г = 1,2,3) и В р. Соответствующий лагранжиан взаимодействия имеет вид
C = gJM- + (1)
где J/t и JY - соответственно токи изосгшна и гиперзаряда, а д и д' -калибровочные константы взаимодействия.
Безмассовость калибровочных бозонов, вытекающая из калибровочной инвариантности, вступает в противоречие с известным экспериментальным фактом о близкодействии слабого взаимодействия. Введение ненулевых масс переносчиков взаимодействия при сохранении перенормируемости теории возможно на основе механизма спонтанного нарушения симметрии, предложенного в 1964 г. II.Хиггсом и др. [6]. Спонтанное нарушение симметрии достигается путем введения в теорию так называемых скалярных хиггсовских полей, которым соответствуют' гипотетические частицы - хиггсовские бозоны. Перенормируемость Стандартной модели, включающей хиггсовские ноля, была показана в 1971 году Г.т’Хуфтом |7).
Спонтанное нарушение симметрии приводит к следующей форме лагранжиана злектрослабого взаимодействия (в части, отвечающей взаимодействию фермионов):
с = + W) _ ~ (2)
Здесь W* = (\V* ±W*)/>/2 - поля, соответствующие заряженным
промежуточныVI бозонам W±1 a Zp и Ар - поля, соответствующие нейтральным промежуточным бозонам Z и 7:
Zp = W® cos в,м - By, sin ew Ay, ~ sin 0W + Bp cos 6W
Угол 0W = arctan (g'/д) называют слабым углом смешивания (или углом Вайнберга), а параметр е = д'д/у/д2 + да представляет собой абсолютную величину электрического заряда электрона. Символами J*, .7® и J*m в формуле
6
(2) обозначены соответственно слабый заряженный ток, слабый нейтральный ток и электромагнитный ток. Выражения для них приводятся ниже.
Частицы материи, лептоны и кварки, обычно группируют в три семейства или поколения. В каждое поколение входят два лептона (заряженный лептон и соответствующее нейтрино) и два кварка:
VГ \
т
г
ь' )
Штрихом (?') обозначены собственные состояния кварковых ароматов, которые преобразуются в собственные состояния масс (д) при помощи матрицы Каббибо-Кобаяши-Маскава [9].
Экспериментальные данные указывают на то, что в слабый заряженный ток входят лишь левые компоненты ферм ионных полей, поэтому левые {Фь = |(1 —75)0) и правые (фл = ^(1 +75)ф) компоненты должны рассматриваться отдельно (здесь 75 = — По7і727з)- Левые компоненты объединяются в дублеты группы слабого изоспина 811(2):
(У. \ ( "и
е V
и с
\* ) { 4
(и аналогично для других поколений), а правые компоненты фермионных полей (е/г, ид и <£к) являются синглетами.
Токи Л, входящие в формулу (2) выражаются (для фермионов первого поколения) следующим образом:
Jï = 4~{J—Y^d
+ Цй'уі1±=з*-и+ 2Тб<*/
- sin 2$wJ*m
J*m - Qeë'y^e + QuEy^u + Qd'dfypd’ (3)
Здесь Qf обозначает электрический заряд фермиона, а // - третью компоненту его изоспина: +1/2 для и и i/e, -1/2 для (V и е.
Векторная vj и аксиально-векторная aj константы взаимодействия Z-бозона с фермионом / определяются как
7
- Київ+380960830922