2
Содержание
1 Введение 4
2 Ускорительно-накопительный комплекс
ВЭПП-2М и детектор КМД-2 7
2.1 ВЭПП-2М............................................................ 7
2.2 Детектор КМД-2..................................................... 9
2.3 Оцифровывающая электроника ........................................16
2.4 Программное обеспечение детектора..................................20
3 2-камера 24
3.1 Основные требования к 2-камере.....................................24
3.2 Характеристики 2-камеры............................................39
3.3 2-камера в триггере КМД-2..........................................44
3.4 Реконструкция продольной координаты................................47
3.5 Использование 2-каморы в обработке событий.........................51
4 Описание эксперимента 54
4.1 Набор экспериментальной статистики ................................54
4.2 Измерение интеграла светимости.....................................55
4.3 Основные характеристики детектора в сезонах 1994-1995 годов........59
5 Калибровка энергии пучков ВЭПП-2М 61
5.1 Разброс энергии частиц в пучке.....................................61
5.2 Определение энергии по трековой системе КМД-2......................64
5.3 Оценка возможной ошибки в массе ы-мсзон&...........................73
6 Определение параметров сд-мезона 77
6.1 Отбор событий......................................................77
6.2 Сравнение с моделированием.........................................79
6.3 Оценка фона и его подавление...........................................82
6.4 Определение числа событий .............................................83
6.5 Определение эффективностей.............................................86
6.6 Радиационные поправки .................................................87
6.7 Поправки на разброс энергии частиц в пучке.............................87
6.8 Подгонка данных и определение параметров резонанса.....................88
6.9 Анализ систематических ошибок .........................................90
6.10 Проверка устойчивости результата.......................................94
7 Обсуждение результатов 96
7.1 Сравнение с результатами предыдущих экспериментов......................96
8 Заключение 100
А Кинематическая реконструкция событий без использования Дрейфовой камеры 103
Литература
106
4
Глава 1 Введение
Одной из основных задач современной физики элементарных частиц является проверка Стандартной Модели (СМ), которая подтверждается всей совокупностью экспериментов во всей доступной области энергий.
Одним из очень эффективных тестов СМ является эксперимент по прецизионному измерению аномального магнитного момента (^-2) мюона и сравнение результатов с теоретическим расчетом в рамках СМ [1]. Ожидаемая точность измерения (й-2) в эксперименте Е821 [2] в БЫЛ столь высока, что чувствительность к новым фундаментальным физическим явлениям, не описываемых СМ, сопоставима с измерениями на самых современных суперколлайдерах. Однако, правильная интерпретация результатов невозможна, без знания вклада адронной поляризации вакуума в величину (£-2) с сопоставимой точностью. В области низких энергий этот вклад не может быть сосчитан с требуемой точностью и должен быть определен по экспериментально измеренным адронным сечениям.
Эксперимент Е821 начал набор статистики в 1997 году, и в ближайшее время измерение (§-2) будет завершено с ожидаемой точностью порядка 0.35 ррш, что соответствует относительной точности вычислении вклада процессов е+е" —>■ адроны в (й-2) мюона 0.5%. Около 5.5% вклада адронных сечений в величину ^-2) дает процесс е+е~ —> 7г+7г"7г° в области сд-мезона, что составляет примерно 3.3 ррт от величины (§-2) [3,4]. На данный момент относительная ошибка измерения лептонной ширины сд-мезона Ге+еопределяющей сечение процесса е+е~ -» и -> 7Г4 тг—тг°, составляет примерно 3% [5], что в несколько раз больше, чем требуемая относительная точность (0.5%).
Для изучения структуры векторных мезонов /;, <д, ф и их распадов важную роль играют эксперименты, проводимые на встречных электрон-позитронных пучках, дающие наиболее точную информацию о параметрах векторных мезонов. Одной из таких установок является накопитель ВЭПП-2М [6], имеющий рекордную светимость в области
энергий 3604-1400 МэВ. Па этом ускорителе было выполнено большое количество интересных экспериментов ио измерению параметров векторных мезонов, мод их распада и относительной интерференции в основных модах. В настоящее время на ВЭПП-2М ведутся эксперименты ПО уточнению сечений С+е" -» 7Г+7Г" И е+е~ —» 7Г+7Г_7Г° ВО ВСвЙ области энергий ВЭПП-2М с целью уменьшить ошибку в вычислении вклада процессов с' с~ —> адроны в (g-2) мюона до 0.5%. Данная работа посвящена прецизионному измерению параметров сд-мезоиа в моде распада сд —> 7г * тг~7г° с детектором КМД-2.
Детектор КМД-2 [7,8] — это первый универсальный магнитный детектор, работающий в области энергий ВЭПП-2М. Он содержит как магнитный спектрометр, позволяющий измерять импульсы заряженных частиц, так и электромагнитный калориметр, обеспечивающий регистрацию фотонов и измерение их энергий и углов вылета. Описанию детектора и ускорителя посвящена Глава 2.
Значительная часть данной работы посвящена созданию и эксплуатации Z-камеры детектора КМД-2, являющейся одной из важнейших частей трековой системы и первичного заряженного триггера. 15 КМД-2 Z-камера используется как для точного определения продольной координаты треков и калибровки других частей трековой системы, так и в системе запуска детектора в качестве одной из компонент первичною триггера. Для обеспечения этих функций Z-камера должна обладать хорошим пространственным разрешением с малой систематической ошибкой, высокой эффективностью к заряженным частицам и маленьким временным разбросом сигналов, используемых в триггере. Эти требования и обусловили в конечном итоге выбор конструкции камеры и газовой смеси. В результате была создана технология изготовления цилиндрических полосковых катодов, выбрана оптимальная для наших условий газовая смесь на основе фреона-14 и изобутана и получены требуемые пространственное разрешение 2504-1000 мкм и временной разброс сигналов ~ 5 нс. Последующая обработка с внесением поправок позволяет улучшить временное разрешение для двухтрековых событий до ~ 3.5 не, что позволяет дополнительно подавить примерно 60% космического фона.
Для эффективного использования информации с Z-камеры необходимо создать соответствующее программное обеспечение. Оно включает в себя две части. Первая это программы, работающие в режиме on-line, которые считывают информацию с электронных модулей камеры, 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 катодных кластеров в камере, их координаты и амплитуды, времена срабатывания анодных секторов и т.д.). Создание такого програм-
6
много обеспечения также входило в задачи данной работы.
В Г лаве 3 описаны параметры Z-камеры, технология ее изготовления, выбор и особенности используемой газовой смеси, а также алгоритм восстановления Z-координаты и использование информации с Z-камеры в работе детектора.
Данная работа основана на статистике, соответствующей интегралу светимости 140 Унб, набранной в 1904 -95 годах. Основные характеристики эксперимента представлены в Главе 4.
Анализ экспериментальных данных и полученные физические результаты описаны в Главе 6. В работе представлены результаты измерений сечения процесса е+е~ —> 7г ь7г"'7г° в области энергий от 760 МэВ до 810 МэВ в системе центра масс, а также массы и полной ширины w-мезона. Использование табличного значения вероятности распада м —> 7г+7г“7г° из PDG [5] позволяет получить значение лептонной ширины мезона с точностью лучше среднемировой. Точность измерения массы о?-мезона значительно лучше всех предыдущих измерений. Значение массы w-мезона, полученное в данном эксперименте, значительно отличается от текущего среднемирового значения.
Отличие массы cj-мезона от среднемирового значения побудило к особо тщательному изучению стабильности энергии пучков ускорителя в процессе набора статистики. В Главе 5 приведены опенки стабильности энергии пучков ВЭПП-2М на основе сравнения результатов измерений по методу резонансной деполяризации и зависимости энергии пучков от поля в поворотных магнитах ускорителя, а также измерений импульсов заряженных частиц в трековой системе КМ Д-2. Показано, что возможные медленные уходы энергии пучков в пределах точности измерений не могут привести к наблюдаемому расхождению полученной массы w-мезона со среднемировым значением. Возможные причины этого расхождения и сравнение с результатами предыдущих экспериментов приведены в Главе 7.
Основные результаты работы изложены в Заключении.
7
Глава 2 Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М и детектор КМД-2
2.1 ВЭПП-2М
Ускорительно-накопительный комплекс, схема которого приведена на Рис. 2.1, состоит из инжектора, синхротрона, бустера и самого накопителя [6]. Инжектором комплекса является импульсный линейный ускоритель электронов на энергию ЗМэВ. Синхротрон Б-ЗМ ускоряет электроны до 200 МэВ. Далее комплекс может работать в двух режимах. В режиме накопления электронов пучок из Б-ЗМ напрямую перепускается в бустерный накопитель БЭП [9]. В режиме накопления позитронов в промежуток Б-ЗМ - БЭП вводится вольфрамовый конвертер, на котором фокусируется электронный пучок из Б-ЗМ. Образующиеся позитроны собираются магнитной системой и также перепускаются в БЭП. После накопления в БЭПе тока порядка нескольких десятков миллиампер пучок ускоряется до требуемой энергии и перепускается в кольцо ВЭПП-2М.
ВЭПП-2М имеет периметр около 18 м и состоит из элементов с жесткофокусиру-ющей магнитной структурой, симметрично расположенных вдоль кольца, и четырех прямолинейных промежутков. В одном из промежутков расположен сверхпроводящий Вигглер-магнит (“з-мегётса”) [10], служащий для увеличения светимости, в противоположном промежутке ускоряющий высокочастотный резонатор с частотой 200 МГц, !/і2 которой соответствует времени оборота пучков 60 нс в накопителе. В двух других промежутках установлены детекторы КМД-2 [7,8] и СИД [11].
200 МеУ 8ШЖ0ВЕГАТЇШ
СОНУШІТСЖ
180 -700 МеУ
Рис. 2.1: Схема ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-2М.
Таблица 2.1: Основные параметры комплекса ВЭПП-2М.
Энергия пучков, МэВ 180- 700
Количество сгустков в пучке 1
Периметр равновесной орбиты, м 17.88
Длина сгустка в месте встречи, см 2
Размеры пучка в месте встречи, мкм
вертикальный 10
радиальный 400
Ток в пучке, мА ~50
Максимальное поле в поворотных магнитах, Тл 1.8
Радиус кривизны орбиты в поворотных магнитах, м 1.22
- Киев+380960830922