Аннигиляция электронов и позитронов в адроны при энергии 7.2÷10.5 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РГб од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

На правах рукописи

ТИХОНОВ Юрий Анатольевич

АННИГИЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ В АДРОНЫ ПРИ ЭНЕРГИИ 7.2 10.5 ГэВ

01.04.16 - физика ядра н элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1994

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будке р. Сибирского отделения Российской Академии наук.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Прокошкин Юрий Дмитриевич

Барков'Лев Митрофанович

Кураев Эдуард Алексеевич

- академик РАН, Институт физики высоких энергий, г. Протвино.

■ академик РАН, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Объединенный Институт ядерных исследований, г.Дубна.

Ведущая организация: Институт экспериментальной

и теоретической физики, г. Москва.

Зашита диссертации состоится " " 1994 г. I

" (О " часов на заседании специаймзированното совета Д.002.24.0] при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 1ШФ.

Автореферат разослан " 1994 г.

Ученый секретарь . специализированного совета доктор физ.-мат. наук, профессор

В.С. Фадии

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Изучение процесса множественного рождения адронов в электрон-позитронной аннигиляции является одним из направлений в физике высоких энергий, дающих фундаментальную информацию о строении элементарных частиц.

Процесс множественного рождения адронов был обнаружен в эксперименте, в 1972 г. Пионерские работы, выполненные во Фраскатти, Новосибирске и Орсе показали, что величина К=сг(е*е"->адроны)/сг(е*е"->д,д") существенно больше, чем предсказывали имеющиеся в то время теоретические расчеты.

В 1974 г. при детальном изучении зависимости сечения реакции е*е~->адроны от энергии были открыты ¿Г/Ф-мезоны. Это открытие возродило на новом уровне интерес к кварковой гипотезе, обнаруженные резонансы были интерпретированы как связанные состояния с и с-кварков. Было осознано, что величина J? имеет фундаментальный физический смысл. Эта величина вне резонансной области зависит только от числа кварков.

Эксперименты по измерению R велись практически всеми детекторами, работавшими на е*е -машинах. Абсолютное значение R и зависимость этой величины от энергии качественно согласуется с основными положениями кварк-партонной модели: количеством ароматов кварков, наличием у каждого из кварков трех цветов, дробностью зарядов кварков. Это, по-видимому, является наиболее ярким подтверждением кварк-партонной гипотезы.

Квантовая хромодинамика позволяет вычислить полное сечение е*е ->адроны с высокой точностью. Измерения величины R в принципе

наиболее чистый с теоретической точки зрения способ определения фундаментальных параметров КХД и Л.

Экспериментальное исследование процесса е*е~->адроны в широкой области энергий позволяет определять число кварков, появление новых кварков, вести поиск новых связанных состояний кварков, изучать их свойства и, таким образом, вести проверку как основных принципов кварк-партонной модели, так и деталей расчетов в квантовой хромодинакике.

Цель работы ,

Основной целью работы являлось экспериментальное исследование процесса е*е~-»адроны в области энергий 2Е-7.2+10.5 ГэВ с детектором МД-1 на коллайдере ВЭПП-4. Экспериментальная программа включала в себя поиск новых узких резонансов и изкерение полного сечения процесса е*е"->адроны, а также определение некоторых параметров Т-мезонов- связанных состояний Ь и Ь-кварков.

Научная новизна

1. В процессе е*е~-е*е~ ц впервые экспериментально обнаружен новый эффект - эффект ограничения прицельных параметров.

2. Впервые измерено угловое распределение фотонов двойного тормозного излучения. В широком диапазоне по энергии измерен спектр фотонов.

3. Предложен и реализован на ВЭПП-4 и МД-1 новый метод измерения поляризации частиц в накопителе. Метод основан на измерении угловой асимметрии фотонов синхротронного излучения, рассеянных на встречном пучке.

4. В области энергий 2Е=7. 2+10. 4 ГэВ проведен поиск новых узких резонансов в е*е~-аннигилляции. Установленные верхние пределы на электронную ширину возможных резонансов сушественно ниже полученных в предыдущих работах.

5. Измерена относительная вероятность распада Т (1Б)->д*д". При

обработке эксперимента впервые учитывалась интерференция + - + -

амплитуд процесса е е ->ц Д в резонансе и в нерезонанаснои подложке.

6. Впервые установлены верхние пределы на относительные вероятности распада Т (13) ->п*п~Х*К~-

7. В области 2Е=7. 2+10. 4 ГэВ проведено измерение полного сечения е*е ->адроны. Результаты хорошо согласуются с расчетами

в квантовой хромодинамике и являются одними из лучшими по точности.

Практическая и научная ценность результатов работы

1. Создан универсальный магнитный детектор МД-1 с поперечным к плоскости орбиты пучков магнитным полем. Наличие поперечного поля в детекторе позволяло регистрировать рассеянные электроны в процессах двухфотонного рождения частиц с более высокой эффективностью и лучшим разрешением по инвариантной массе, чем в других детекторах.

С детектором МЛ-1 в течение 1980+85 г. г. на Коллайдере ВЭПП-4 проведен широкий круг экспериментов по исследованию Т-мезонов, двухфотонных процессов и процесса е*е"->адроны в континууме.

2. Впервые предложен и реализован на детекторе МД-1 эффективный способ подавления фона синхротронного излучения. Данный метод в настоящее время используется при разработке детекторов нового поколения для В-фабрик.

3. Создана система пропорциональных камер большой площади для идентификации мюонов в детекторе МД-l. Система состояла из 120 камер общей площадью около 250 м2. Мюонные камеры использовались для идентификации мюонов при поиске распадов T(1S)*п*п~, К*К~.

4. Созданы надежные и эффективные системы измерения светимости по процессам однократного и двойного тормозного излучения и по е е-рассеянию на малые углы для проведения экспериментов с детектором МД-1.

5. Предложенный в работе новый метод измерения поляризации частиц в накопителе позволил провести большой цикл экспериментов по измерению масс Т-мезонов с детектором МД-1 на ВЭПП-4. Результаты измерений масс 1-мезонов являются одними из лучших по точности.

6. После обнаружения эффекта ограничения прицельных параметров в процессе е е"->е' е"у был выполнен ряд теоретических работ, в которых создана точная теория явления. Эти работы являются фактически новой главой в квантовой электродинамике.

Данный эффект учитывается при измерении светимости на установках со встречными электрон-позитронными и электрон-протонными пучками.

7. Полученные результаты по поиску узких резонансов в области энергий 2Е=7. 2+10. 4 ГэВ позволят аести проверку теоретических моделей, предсказывающих существование новых резонансов в этой области.

8. Измерение полного сечения е*е~->адроны в области энергий 2Е=7.2+10. 4 ГэВ подтверждает результаты квантово-хромодинами-ческих расчетов.

Апробация диссертации ,

Результаты исследований по теме диссертации неднократно докладывались на семинарах в ИЯФ СО РАН, в DESY, в SLAC, в Cornell, в BNL, в ИТЭФ, на сессиях отделения ядерной физики РАН, на международных конференциях по методике экспериментов на встречных пучках (Новосибирск, 1977,1987 гг. и SLAC, 1982 г) и на международных конференциях по адронным взаимодействиям (Москва, 1988 г., и San-Miniato, 1991 г.). Результаты представлялись на международных конференциях по физике высоких энергий (Париж, 1982 г. , Лейпциг, 1984 г. и Даллас, 1992г. ) и на международных симпозиумах по лептон-фотонным взаимодействиям (Корнелл, 1983г. и Киото, 1985г. ) . Основные результаты опубликованы в работах [1+21].

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.

Во введении дан краткий обзор проблем, рассмотренных в диссертации, излагается краткое содержание и научная новизна работы, приведены основные результаты, вынесенные на защиту.

Первая глава посвящена краткому анализу состояния теории множественного рождения адронов в е е"-аннигиляции, а также обзору экспериментальных данных, полученных до начала экспериментов на детекторе МД-1.

С точки зрения кварк-партонной модели процесс е е"->адроны выглядит так, что электрон и позитрон через промежуточный фотон переходят в кварк-антикварковую пару, которая затем фрагментирует в адроны. При этом, поскольку кварки считаются точечными и имеют спин 1/2, сечение такого процесса вычисляется так же, как и сечение аннигиляции в пару мюонов. Различие состоит лишь в том, что заряды у кварков не равны единице. Для величины R кварк-партонная модель дает следующую простую формулу:

Л = 3-EQ* , (1)

где Q -заряды кварков.

б

Формула (1) соответствует нулевому порядку по константе связи сильного взаимодействия о^. В настоящее время КХД

поправки к величине F вычислены до членов -а3. Величина КХД

8

поправки составляет около 7. 5%. Измерение R есть в принципе наиболее чистый с теоретической точки зрения способ определения фундаментальных параметров КХД- а^и Л.

Область энергий 2Е=7+10 ГэВ, в которой процесс е*е~->адроны исследовался в экспериментах с детектором МД-1 на ВЭПП-4, интересна по нескольким причинам. В этой области находятся Т-мезоны, на исследования которых и были направлены в основном усилия физиков. Области же ниже Т-мезонов, а также между ними, не были детально исследованы: не было измерено значение R, оставался открытым вопрос о существовании здесь других узких резонансов.

Т-мезоны с массами 9.46, 10.2 и 10.36 ГэВ были открыты в 1977 г. в лаборатории FNAL. В 1978 на электрон-позитронном накопителе DORIS в DESY было подтверждено существование двух первых Т-мезонов. Ширины открытых резонансов оказались существенно меньшими, чем аппаратурное разрешение. Эти частицы были интерпретированы как связанные состояния тяжелых Ь и Б- кварков.

Электрон-позитронные машины оказались практически идеальным инструментом для исследования Т-мезонов и других частиц, содержащих Ъ-кварки. Изучение этих частиц велось детекторами PLUTO, DESY-HD, LENA, ARGUS, C-Ball, CUSB, CLEO, MD-1 Ha накопителях DORIS, CESR и ВЭПП-4. Была обнаружена часть теоретически предсказанных ьБ- уровней, измерены их массы, лептонные и полные ширины, изучены общие характеристики адронных распадов Т-мезонов, обнаружены В-мезоны- частицы, состоящие из Ь(Ь)-кварка и одного из легких кварков.

Одной из важных характеристик ьБ-кваркония является спектр связанных состояний, который определяется массой кварков и их взаимодействием. b-кварк значительно тяжелее с-кварка, и, в связи с этим, движение кварков в ЬЬ-систене является нерелятивистским, что существенно упрощает теоретическое рассмотрение динамики кварков. С другой стороны, ввиду большей массы расстояние между кварками в Т-мезонах существенно меньше, чем в системах, состоящих из других кварков, и при таких расстояниях становится возможным использование аппарата КХД для описания свойств этих частиц. При этом, однако, существуют

значительные сложности, связанные с предсказанием масс связанных состояний, и, в связи с этим, для Т-мезонов требуется привлечение моделей. Информация о положении уровней позволяет вести проверку различных теоретических представлений.

До проведения экспериментов в Новосибирске с детектором МД-1 массы Т(1Б),У(2Б) и Т(ЗБ)- мезонов были известны с точностью около 10 МэВ. В результате проведенных экспериментов с детектором МД-1 на ВЭПП-4 точность измерения масс этих частиц была улучшена в 20+80 раз по сравнению с усредненными результатами предыдущих экспериментов.

Полные ширины Т-мезонов не могут быть измерены в прямых экспериментах, поскольку они на порядок меньше, чем

энергетический разброс на е*е"-коллайдерах. Полную ширину можно получить измеряя электронную . ширину Г и относительную вероятность распада в пару лептонов В^д-

Измерения этих величин были проведены на детекторе МД-1. Точность измерения электронной ширины Г^, полученная на МЛ-1, является в настоящее время лучшей. При определении величины В^ впервые учитывалась интерференция амплитуд процесса Т(15)->ц*ц~ в резонансе и нерезонансной подложке. Показано, что пренебрежение этим эффектом может вести к существенной систематической ошибке в В .

Большой интерес представляют эксклюзивные адронные коды распада Т-мезонов, поскольку их изучение позволило бы получить информацию об адронных волновых функциях. К настоящему времени не обнаружено ни одного эксклюзивного адронного. распада. Установлен лишь верхний предел на вероятность распада Т(1Б)-*р°п°. В экспериментах с детектором МД-1 были впервые установлены верхние пределы на вероятности распада Т (13) ->71*71", Т(1Б)->К*К" и Т(1Б) -фр.

Во второй главе дано описание универсального магнитного детектора МД-1, который работал на накопителе ВЭПП-4 в 1980+85 г. г. [1+4,20,21].

Отличительной особенностью детектора МД-1 является перпендикулярное плоскости орбиты пучков магнитное поле. Такая схема детектора выбиралась, в основном, из соображений оптимальной регистрации двухфотонных процессов. Поперечное пучку магнитное поле позволяло регистрировать и измерять энергию рассеянных электронов и позитронов, вылетающих под нулевыми

углами, в диапазоне энергий (0.15+0. 5)-Ео, что значительно повышало эффективность регистрации. Разрешение по эффективной массе составляло 100+250 МэВ, что существенно лучше, чем в других детекторах.

При этом, однако, более сложной становится проблема с защитой от фона от синхротронного излучения. Решение этой проблемы, предложенное автором диссертации, состояло в выборе специальной конструкции вакуумной камеры. Основные требования к конструкции сводятся к следующему:

1) Синхротронное излучение не должно касаться стенок вакуумной камеры вблизи места встречи.

2) Приемник излучения должен быть максимально удален от места встречи и иметь минимальный коэффициент отражения.

Проведенные расчеты показали, что в выбранном подходе может быть обеспечена работоспособность детектора до энергии пучков 5.5 ГэВ. Эксперименты подтвердили правильность выбранного подхода: детектор МД-1 мог работать с энергией до 5.5 ГэВ и токами Г*хГ~=15х15 мА2.

Расположение места встречи в магнитном поле обеспечивает низкий уровень фона от тормозного излучения на остаточном газе для процессов излучения фотонов под малыми углами вдоль направления движения пучков и позволяет регистрировать фотоны с эффективностью близкой к 100Х. Это обстоятельство позволило использовать эти процессы для измерения светимости и

поляризации пучков в ВЭПП-4.

Экспериментальное исследование процессов излучения фотонов под малыми углами представляет и самостоятельный интерес. На ВЭПП-4 был поставлен ряд экспериментов по изучению этих процессов.

Детектор МД-1 состоит из магнита с полем до 16 кГс, внутри которого расположены следующие системы: координатные камеры, сцинтилляционные счетчики, газовые черенковские счетчики и ливнево-пробежные камеры. За обмоткой и ярмом магнита расположены мюонные камеры. Мюонные камеры были разработаны и введены в эксплуатацию автором диссертации.

Система мюонных камер состоит из 48 блоков с рабочей площадью 2. 2 м2 и 12 блоков с площадью 1. 2 м2. Каждый блок состоит из двух камер, измеряющих взаимно-перпендикулярные координаты. Анодные плоскости в камерах разделены на 16 групп с шириной от 84 до 104 мм. Таким образом, для съема информации с одного блока

требовалось 32 канала электроники. Выбранная координатная точность обуславливалась многократным рассеянием мюонов в ярме магнита. Мюонные камеры использовались для разделения адронов и мюонов в эксперименте по поиску распадов Т(1Б)->л*я", Т (1Э)->К*К".

На детекторе МД-1 был. набран интеграл светимости 30 пб"? Программа экспериментов включала в себя изучение Т-мезонов, поиск новых узких резонансов и измерение полного сечения процесса е*е~->адроны в области энергий 2Е=7. 23+10.34 ГэВ, параллельно набирались данные для двухфотонных процессов. Ниже перечислены другие результаты, полученные на детекторе МД-1 при непосредственном участии автора, не вошедшие в настоящую диссертацию:

Впервые изучен процесс рождения е*е~-пар фотонами синхротронного излучения на встречном пучке.

Впервые изучен процесс двухфотонного рождения е*е~-пар с малыми инвариантными массами.

Впервые установлен верний предел на двухфотонную ширину гипотетической частицы с кассой 1. 8 МэВ .

Установлен верхний предел на двухфотонную ширину т^-мезона.

Измерены двухфотонные ширины у, п' и Л2-мезонов.

Измерено полное сечение двухфотонного рождения адронов.

Измерена двухфотонная ширина Г-мезона.

Установлены верхние пределы на вероятности распадов: "I (1Э) ->Х (2 .2) У, р°71°.

Измерена электронная ширина Т(13)-мезона .

Измерен инклюзивный выход Л и Н-барионов в распадах Т(1Б)-мезона.

Глава 3 посвящена вопросам измерения светимости на детекторе МД-1. Здесь приведены также основные результаты исследований процессов, используемых для измерения светимости [6+8,17].

Измерение светимости является принципиальным вопросом для многих экспериментов на е*е~-коллайдерах.

В качестве основных мониторирующих процессов в экспериментах на встречных е*е"-пучнах, как правило, используются процессы е е ->е е , ее ->уу и е е *ц ц , которые регистрируются той же аппаратурой, что и исследуемый процесс. Для оперативного измерения светимости, настройки накопителя, ускорительных экспериментов, используются процессы с большими сечениями и легко выделяемые из фона: упругое е*е~-рассеяние на малые углы, однократное и двойное тормозное излучение. Эти процессы когут использоваться и как основные мониторирующие, но при этом

могут использоваться и как основные нонхторирующие, но при этом требуется особое внимание к возможным систематическим погрешностям.

В экспериментах с детектором МД-1 в качестве основного мониторирующего процесса использовалось е*е~-рассеяние на малые углы (МУ). Это обстоятельство связано с тем, что использование процессов на большие углы в нашем случае не обеспечивало нужной статистической точности для многих экспериментов. Однократное тормозное излучение использовалось для оперативного измерения светимости и контроля за стабильностью показаний монитора НУ. ОТИ и МУ мониторы обеспечивали высокую относительную точность измерения светимости: *1.5%.

Абсолютная калибровка мониторов была проведена по процессам ДТИ, е>е"->е*е" и е*е~->ц*ц~ на большие углы. В результате точность измерения светимости на детекторе МД-1 составляла 2%.

На ВЭПП-4 были проведены эксперименты по изучению процесса е*е~->е*е-7- Сечение этого процесса существенно больше сечений всех других процессов на встречных е*е~-пучках. Экспериментально этот процесс практически не исследовался (в единственном эксперименте на установке ВЭП-1 в Новосибирске было измерено сечение с точностью около 30%). Эксперименты на ВЭПП-4 показали, что сечение процесса е* е~ ->е* е" г существенно меньше (при и/Е=2-10~4 в 1.4 раза), чем следует из стандартных квантово-электродинамических расчетов.

Автором диссертации было высказано предположение, что этот эффект связан с конечностью поперечных размеров пучков в накопителе: характерные в процессе тормозного излучения прицельные параметры много больше размеров сталкивющихся пучков.

Этот эффект может наблюдаться и в других процессах с малой передачей импульса: е* е~ ->е* е~ *е* е~ ер-»еру. После проведения экспериментов на ВЭПП-4 был выполнен ряд теоретических работ, в которых была создана точная теория явления.

На ВЭПП-4 были проведены также эксперименты по изучению процесса двойного тормозного излучения: измерен спектр двойного тормозного излучения, впервые измерено угловое распределение фотонов. Результаты хорошо согласуются со • стандартными квантово-электродинамическими расчетами. Эффект конечности поперечных размеров пучков в этом процессе несущественен, так как здесь характерные прицельные параметры порядка комптоновской длины волны электрона 8 • 10~ Исм.

В главе 4 описан метод измерения поляризации частиц в накопителе по комтоновскому рассеянию синхротронного излучения на встречном пучке, процедура калибровки энергии накопителя кетодом резонансной деполяризации пучков, а также приведены результаты экспериментов по прецизионным измерениям масс Т-мезонов [9+15].

У электронов и позитронов в накопителе возможна радиационная поляризация вследствие синхротронного излучения. Наличие поляризации позволяет проводить измерение средней энергии частиц в накопителе методом резонанасной деполяризации пучков. Данный метод был предложен и разработан в ИЯФ СО РАН. Метод широко использовался в ИЯФ (на установках ВЭПП-2М, ВЭПП-4), а также в ряде других лабораторий для прецизионного измерения масс элементарных частиц.

Суть метода состоит в измерении средней энергии пучков по частоте прецессии спина вокруг направления ведущего магнитного поля в накопителе. Частота прецессии спина П связана с энергией следующим соотношением:

П=".-(1+ -£-Г) (2)

о

где ш^-частота обращения, д' и до-аномальная и нормальная части магнитного момента электрона, у=Е/т- гамма-фактор. Частота прецессии спина может быть . определена по факту депроляризации пучков внешним электромагнитным полем. При этом точность определения средней энергии частиц в накопителе составляет ДЕ/Е^Ю"5, что на два порядка выше, чем может быть получено путем измерений магнитного поля на орбите пучков.

Для успешного применения метода резонансной деполяризации принципиально наличие эффективного способа измерения поляризации частиц в накопителе. Для измерения поляризации могут использоваться следующие методы: зависимость рассеяния частиц внутри сгустка от поляризации (эффект Тушека), угловая асимметрия мюонов в реакции е*е"->д*д~, зависимость интенсивности синхротронного излучения от спина. При энергии в несколько ГэВ и выше наиболее эффективным является рассеяние лазерных циркулярно -поляризованных фотонов.

В качестве источника фотонов с циркулярной поляризацией может быть использовано синхротронное излучение. Идея данного метода была предложена автором диссертации и состоит в следующем. Как

известно, синхротронное излучение поляризовано, и поляризация фотонов зависит от направления излучения: в плоскости орбиты излучение линейно поляризовано, в то вреня как фотоны, излученные выше и ниже плоскости орбиты, имеют Круговую поляризацию. Если место встречи пучков находится в поперечном магнитном поле, то при разведении пучков по вертикали фотоны преимущественно с одним знаком круговой поляризации будут сталкиваться со встречным пучком. При столкновении циркулярно поляризованных фотонов с поперечно поляризованными электронами в угловом распределении рассеянных фотонов возникает асимметрия. Величина асимметрии при использовании синхротронного излучения как источцрка фотонов с круговой поляризацией существенно больше, чем при использовании лазера ввиду большей энергии рассеиваемых фотонов. Метод позволяет одновременно измерять поляризацию электронов и позитронов в накопителе.

Данный метод был реализован на ВЭПП-4 и позволял измерять энергию частиц в накопителе с точностью 20*100 кэВ (точность определялась в основном степенью поляризации пучков в момент их деполяризации). использование данного метода позволило осуществить на ВЭПП-4 с детектором МД-1 эксперименты по прецизионному измерению масс ï-мезонов. Еыли получены следующие значения масс Т-мезонов:

Я =9460. 59 ± О. 10 МэВ,

Y (1S)

M =10023. 6 ± 0. 5 МЭВ,

Y (2S)

M =10353. 3 ± 0. S МэВ.

Y (3S)

Точность измерения масс в основном определялась статистикой многоадронных событий. Вклад в ошибку, связанный с измерением энергии ВЭПП-4, составлял около 50 кэВ. Полученная точность измерения масс в 20+80 раз лучше табличных данных до начала экспериментов с детектором МД-1.

Практически одновременно с нашими экспериментами на накопителе CESR с детектором CLEO была измерена масса Г(1S)-мезона, а на накопителе DORIS-2 с детектором ARGUS была измерена масса T(2S)-мезона. Точность определения масс в этих экспериментах, выполненных также методом резонансной деполяризации, близка к точности, полученной детектором МД-1. Точность измерения массы T(3S), полученная на детекторе МД-1, является в настоящее время лучшей.

В главе 5 описан эксперимент по поиску новых узких резонан-сов в процессе е*е"->адроны в области энергий 2Е=7.23+10. 34 ГэВ [18].

Сканирование осуществлялось с шагок Д(2Е)=4+5 ИэВ, что близко к энергетическому разбросу пучков в ВЭПП-4. Для выделения многоадронных событий на первом этапе использовались следующие основные критерии отбора:

1) Требовалось больше двух заряженных частиц из места встречи (для уменьшения пучкового фона).

2) Лвг2.0°, где ДО- угол между этими двумя частицами (для подавления фона от процессов е*е'->е*е~, е*е~->д*д~).

На следующем этапе с целью уменьшения фона от процессов е*е"->т*т", е*е"-*е*е"*адроны принимались во внимание углы вылета заряженных частиц, их импульсы, а также количество и геометрия треков в ливнево-пробежных камерах.

В измеренной зависимости сечения процесса е*е~->адроны от энергии не было обнаружено заметных особенностей за исключением Т-мезонов.

Для получения количественных данных о возможных резонансах сечение аппроксимировалось следующей зависимостью:

о- (У)=сг -с ♦ с -(Г -В)-1г(г), , (3)

г1 ' иг и г ее Ь' <Г '

где сг и с - сечение множественного рождения адронов и

п г пг

эффективность для этих событий в континууме, с - эффективность для многоадронных распадов резонанса, Г ~ электронная ширина резонанса, В - бранчинг распада резонанса в адроны. В функции И(г) учтено влияние энергетического разброса и радиационных поправок на форму резонансной кривой. При аппроксимации резонансных кривых свободными считались два параметра: <гпг'спг и с -Г . Предполагалось, что собственная ширина резонансов существенно меньше энергетического разброса в пучках. Зависимость энергетического разброса от энергии

аппроксимировалась следующей формулой:

<г = (4. 48±0.12) ( ^ I2 [Мэв], (4)

и у Л .

1 (1в>

где величина (4.48±0.12) МэВ была определена в эксперименте по измерению массы 1(15)- мезона.

Для определения электронной ширины резонанса необходимо знать эффективность регистрации с . Для ее определения использовалась

тивность оказалась равной 0.72 для Т(13)-мезона и 0.62 - для резонанса с массой 7. 3 ГэВ.

В результате обработки не было обнаружено статистически значимых отклонений от нерезонансной подложки и были

установлены верхние пределы на электронную ширину возможных резонансов, которые составили от 16 до 123 эВ (уровень достоверности 90 7.) на различных энергетических интервалах области 2Е=7. 23+10.34 ГэВ. Для сравнения, электронная ширина T(lS)-Me30Ha составляет 1.34 кэВ.

Экспериментальный верхний предел 27 эВ на величину Г в интервале 2Е=8. 67+8. 88 ГэВ близок к предсказываемой величине 24 эВ согласно модели Н. Туе, С. Rosenfeld для основного состояния двух связанных скалярных кварков. Верхний предел 15 эВ в интервале 2.Е-Э. 420+9. 450 ГэВ ниже, чек величина Г^^ЗО эВ, предсказываемая данной моделью, и, таким образом, эксперимент закрывает эту модель.

Полученные в настоящей работе верхние пределы на электронную ширину возможных резонансов в области энергий 2Е=7. 23 + 10. 34 ГэВ существенно ниже, чем полученные детектором LENA (данные детектора LENA получены на некоторых участках этой области).

В главе 6 приводятся результаты измерений величины К-сг(е*е"->адроны)/сг(е*е"->д*ц~) при энергии 2Е=7. 23+10. 34 ГэВ [18].

Для определения R использовалась та же набранная статистика, что и при поиске узких резонансов, но с целью уменьшения вклада от фоновых процессов и повышения эффективности регистрации была использована более совершенная процедура отбора.

Из наблюдаемого сечения величина R определяется следую-

щим образом:

с

R - -^- . (5)

где с - эффективность для многоадронных событий с учетом радиационных эффектов в начальном состоянии, 5 - радиационная поправка, ^цц ~ расчетное значение борновского сечения е*е~->и*и~

Для определения величины радиационной поправки к сечению и эффективности регистрации в континууме моделировались события с помощью программы LUND-JETSET 6.3.

Полученная зависимость R от энергии в области 2Е=7.23+10. 34 ГэВ согласуется с константой. Среднее значение R в этой области составило

К = 3. 578±0. 021 (стат) ±0. 140 (СИСТ) .

Систематическая ошибка (3.9%) определяется несколькими факторами: ошибкой в определении светимости (2.0%), неопределенностью в эффективности регистрации (3%), ошибкой, связанной с вычитанием фона (1%), и ошибкой в расчете радиационных поправок (1%).

Измеренная величина R находится в хорошем согласии с квантово-хромодинамическим расчетом

Й = 3.579+0.066 . кхд

К настоящему времени величина R в различных точках по энергии в области 2Е=7. 0 + 10. 5 ГэВ была измерена детекторами PLUTO, DESY-HD, MARK-1, DASP-2, LENA, CUSB, CLEO, Crystall-Ball и ARGUS. Измерения, проведенные детектором МД-1, являются наиболее подробными и одними из лучших по точности в этой области энергий.

В главе 7 приведены результаты экспериментов по измерению относительной вероятности распада Т (IS)и поиску распадов ï (1S)->п*л~, T(1S)->K*K~ [16,17].

Для определения относительной вероятности распада T(lS)-»nV" использовался интеграл светимости, набранный детектором НД-1 в области Т(1Б)-мезона (5.1 пб"1), а также в континууме (11.9 пб"1) в области энергий 2£=7. 6+10. О ГэВ.

Для выделения реакции е*е~->д*д~ отбирались двухчастичные события с малым углом отклонения от коллинеарности. Для уменьшения фона от космических мюонов использовалась информация о времени :пролета в сцинтилляционных счетчиках. Фон от процесса е*е~-»е*е~ подавлялся с помощью информации об энерговыделении и форме событий в ливнево-пробежных камерах. Дополнительное подавление фона от е*е"-событий было получено с помощью сцинтилляционных счетчиков. Это оказалось возможным ввиду наличия материала (около 1. 7Хо Fe) перед счетчиками.

Для определения относительной вероятности распада Т(13)->д*д~ использовалось число мюонных пар, рожденных в резонансе и вне резонанса. Для вычитания континуума использовалась статистика, набранная в нерезонансной области. Статистическое вычитание континуума в значительной мере позволяет избежать возможных

систематических ошибок, связанных с эффективностью регистрации. Было получено следующее значение относительной вероятности распада Т (13)

2. 12±0. 20(стат)±0.10(сист) .

Результат, полученный детектором МД-1, согласуется с результатами лучших экспериментов. Следует отметить, что в данной работе впервые учитывалось влияние интерференции резонанса с нерезонансной подложкой и показано, что пренебрежение этим эффектом может вести к существенной систематической погрешности в определении В .

Для поиска распадов Т (1Б) -»тг*71~ ,К*К" были использованы отобранные двухчастичные события в резонансе и в континууме. Подав-

♦ - + -

ление фона от космических мюонов и от процесса е е ->и и осуществлялось с помощью мюонных камер. .

Разделение электронов и адронов осуществлялось с помощью ливнево-пробежных камер и сцинтилляционных счетчиков.

В результате проведенного отбора в эксперименте было получено 5 событий в резонансе (SLdt=5.1 пб"1) и 21 событие в континууме (,Г1,<ЗС=15 пб"1). Число фоновых событий при 2 нормированное

на интеграл светимости 5. 1 пб"1, составило 7. 0±1. 5. Вычитая это значение (7 событий) из числа событий, полученных в резонансе (5 событий), получаем (-2±2. 7) события, соответствующие адронным распадам Т(1Б). Таким образом, на 90У. уровне достоверности число событий составляет <4.3.

Эффективность регистрации была получена при помощи моделирования и составила (11±2)% для Т(13)->п тт~, К*К".

В результате были получены следующие ограничения на вероятности распадов (на уровне достоверности 90%): Вг(Т(13)-л*п")<5-10"4 , Вг(Т(13)-К*К")<5-10"1 . Отметим, что эти ограничения получены впервые.

В заключении сформулированы основные результаты

Основные результаты работы следующие:

1. Создан универсальный магнитный детектор МД-1 с поперечным к плоскости орбиты пучков магнитным полем. С этим детектором в течение 1980+85 г. г. на коллайдере ВЭПП-4 проведен широкий круг экспериментов по исследованию Т- мезонов, двухфотонных процессов и процесса е+е"->адроны в континууме.

2. Впервые предложен и реализован на детекторе МД-1 эффек-

тивный метод подавления фона синхротронного излучения. Данный метод в настоящее время используется при разработке детекторов нового поколения для В-фабрик.

3. Создана система пропорциональных камер большой площади для идентификации мюонов в детекторе МД-1. система состояла из 120 камер общей площадью около 250 м2. Мюонные камеры использовались для идентификации мюонов при поиске распадов Т(13)-•п*л", К*К".

4. Созданы надежные и эффективные системы измерения светимости по процессам однократного и двойного тормозного излучения и по е*е~-рассеянию на малые углы. Данные системы применялись в экспериментах с детектором МД-1 и ускорительных экспериментах на ВЭПП-4 в течение 1980+85 г. г.

5. Проведено изучение процессов однократного и двойного тормозного излучения.

В процессе однократного тормозного излучения впервые экспериментально обнаружен новый эффект - эффект ограничения прицельных параметров. Сечение этого процесса зависит от размеров пучков в накопителе и существенно меньше, чем следует из стандартных квантово-электродинамических расчетов.

В широком диапазоне по энергии измерен спектр фотонов двойного тормозного излучения. Впервые измерено угловое распределение фотонов.

6. Предложен и реализован на ВЭПП-4 и МД-1 новый метод измерения поляризации частиц в накопителе. Метод основан на измерении угловой асимметрии фотонов синхротронного излучения, рассеянных на встречном пучке.

С помощью этого метода с детектором МД-1 на ВЭПП-4 были проведены эксперименты по прецизионному измерению масс Т-мезонов. Точность измерения масс Т-мезонов была улучшена в 20+80 раз по сравнению с табличными значениями.

7. В области энергий 2Е=7.23+10. 34 ГэВ проведен поиск новых узких резонансов в е*е~-аннигилляции. Установлены верхние пределы на электронную ширину возможных резонансов. Полученные пределы в 10+80 раз ниже, чем электронная ширина Т (1Б) - мезона. Установленные верхние пределы существенно ниже, чем в предыдущих экспериментах.

8. В области 2Е=7.23+10. 34 ГэВ проведено измерение величины К с высокой точностью. Среднее значение К в этой области составило:

Й = 3. 58 ± О. 02 ± О. 14 ,

что хорошо согласуеся с расчетами в квантовой хромодинамике. Результаты измерений R в этой области энергий являются одними из лучшими по точности.

9. Измерена относительная вероятность распада T(1S)*ц*ц~:

Вдц=(2.12 ± 0.20 ± 0.10)% .

Впервые при определении величины учитывалась интерференция

амплитуд процессов е*е~->Т(1S)->и*и~ и е*е"-»и*И~• Показано, что в случае, если интерференция не учитывается, может возникать существенная дополнительная ошибка при измерении величины

10. установлены верхние пределы на вероятности распадов Т (Is) ->л*7Г~,К+К~ (на уровне достоверности 90%):

Br(T(ls)-n+7i") < 5-10"* , Br(T(lS)-K*K") < 5-Ю"4 . Эти ограничения получены впервые.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах

1. S.E.Baru . . . .Yu. a.Tikhonov et.al,. Preprint INP 77-75 (Novosibirsk, 1977).

2. С. E. Бару... .Ю. А.Тихонов и др., Труды рабочего совещания по программе экспериментов на встречных пучках (Дубна, 1983) Д1-83-541, стр. 29.

3. A.P.onuchin ,Yu. A. Tikhonov, Preprint TNP 77-77 (Novosibirsk, 1977) .

4. S.E.Baru .. .Yu. a. Tikhonov et.al., Proc. of the Intern. Conf. on Instrumentation for Colliding Beam physics (SLAC, 1981, p.241).

5. V.E.Blinov ... Yu. a. Tikhonov et.al., Preprint INP 82-15 (Novosibirsk,1982).

6. V.E.Blinov... Yu. a.Tikhonov et.al.,Phys.Lett. 113B(1982)423.

7. В. M. Аульченко, А. П. Онучин, Ю.А.Тихонов, А. Г. Шамов, Препринт ИЯФ 82-133 (Новосибирск, 1982).

8. V.E.Blinov. . .Yu. a. Tikhonov et.al., NIM A237 (1988) 31.

9. А. Е.Блинов. . .Ю.А.Тихонов и др.. Тр. VIII всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Протвино,1982) т. 2, стр. 268 .

10. А. Е. Bonder. .. Yu. a. Tikhonov et.al., Proc. 12 Intern. Conf. on high energy accelerators (Batavia, 1983) p.233.

11. V.E.Blinov. . .YU.a.Tikhonov et.al. , NIM A241(1985) 80.

12. S. Artamonov. . .Yu. A.Tikhonov et.al., Phys.Lett. 118B (1982) 225. Препринт ИЯФ 82-94 (Новосибирск. 1982).

13. A.S. Artamonov. . .Yu. A.Tikhonov et.al. Phys.Lett. 137 в (1984) 272. Preprint XNP 83-84 (Novosibirsk, 1984).

14. S. E. Baru. . . Yu. a. Tikhonov et.al., Z.Phys.C - Particles and Fields 30(1986)551. Preprint INP 85-100 (Novosibirsk, 1985).

15. S. E. Baru. .. Yu. a. Tikhonov et.al., Z.Phys.C -Particles and Fields 56(1992)547. Preprint INP 92-46 (Novosibirsk, 1992).

16. S. E. Baru. . .Yu. a.Tikhonov et.al., Nucl.Phys., 27B(1992)89.

17. S. E. Baru. . .Yu. a. Tikhonov et.al., Z.Phys.C -Particles and Fields 54(1992)229.

18. V.E.Blinov. . .Yu. a.Tikhonov et.al., Z.Phys.C - Particles and Fields 49(1991)239. Preprint INP 85-99 (Novosibirsk, 1985).

19. V.E.Blinov. . .Yu. a. Tikhonov et.al., Preprint INP 92-47 (Novosibirsk, 1992).

20. В. P. Грошев. ... Ю. А. Тихонов и dp. В кн. : Пропорцианальные камеры. 0ИЯИ, Дубна, 1973 г., стр. 48.

21. В. Р. Грошев. ... Ю. А. Тихонов и dp. В кн. : пропорцианальные и дрейфовые камеры. ОИЯИ, Дубна. 1975 г., стр. 81.