Экспериментальная оценка сечения образования очарованных частиц в рр-взаимодействиях при 70 ГэВ/с на установке СВД тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

НИИ Ядерной Физики имени Д.В. Скобер^ы^

3 О МАЯ 2301

На правах рукописи

Кубаровский Алексей Валерьевич

Экспериментальная оценка сечения образования очарованных частиц в рр-взаимолеьствиях при 70 ГэВ/с на установке СВД

01..04.'23 — физика высоких энергий

Автореферат

диссертапии па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Московский Государстренный Университет имени М.В. Ломоносова

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Кубаровский Алексей Валерьевич

Экспериментальная опенка сечения образования очарованных частиц в рр- в з а и м оде й ст ни ях при 70 ГэВ/с на установке СВД

01.04.23 — физика высоких энергий Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им.

Д.В.Скобельцына Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

П.Ф. Ермолов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А.Н. Васильев.

доктор физико-математических наук Н.П. Зотов.

Ведущая организация: Институт теоретической и экспериментальной

физики, г.Москва

Защита состоится " ^^ " УЫ-С _2000 года в "__часов на заседании

диссертационного совета К053.05.24 в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, г.Москва, Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, корпус 19, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан " _2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К053.05.24 С'у^^С-' £

д.ф.м.н. / Ю.А.Фомин

Общая характеристика работы

Актуальность. Эксперименты по рождению и изучению свойств очарованных части' ведутся па крупнейших ускорителях мира. В частности, результаты, полученные на ускс рителях ДЕРН и ФНАЛ при энергиях выше 200 ГэВ, в основном неплохо согласуются ; предсказаниями пертурбативной квантовой хромодипамики (КХД).

Однако в околопороговой области энергий ситуация иная. В силу ряда причин, привс дящих к необходимости коррекций пертурбативной КХД вблизи порога, а также пепертур-бативных эффектов, связанных с возможным механизмом "внутреннего очарования" и с особенностями фрагментации, характеристики сс-рождения могут существенно меняться что представляет значительный интерес для теории КХД.

До начала подготовки данного эксперимента (1990 г.) при энергиях ускорителя Института физики высоких энергий (70 ГэВ) имелись первые результаты по образовании очарованных частиц в экспериментах двух типов: в эксперименте на спектрометре ВИС, г котором идентификация регистрируемых частиц проводилась с помощью черепковского счетчика или по измерению их эффективных масс, а также в так называемом "beam-dump" эксперименте с использованием нейтринного канала и установки, регистрируют!^ "прямые" заряженные лептоны от полулептонных мод распада очарованных адронов. Следует отметить, что в этих экспериментах вершина распада короткоживущих адронов не регистрировалась. В указанных экспериментах были получены аномально большие сечения рождения очарованных адронов, величины которых лежали в интервале (5 ~ 50) мкбн. Именно эти результаты являлись одним из существенных аргументов в пользу постановки нового эксперимента.

В середине 80-х годов сотрудничеством институтов ИФВЭ-НИИЯФ МГУ-ОИЯИ-ТГУ был предложен эксперимент Е-161 по изучению рождения очарованных частиц в пучке протонов ускорителя У-70 с использованием вершинного детектора (установка СВД - Спектрометр с Вершинным Детектором). Настоящая диссертация посвящена результатам первого этапа исследований образования очарованных частиц в протон-протонных взаимодействиях, в котором в качестве вершинного детектора использовалась быстроци-клирующая водородная пузырьковая камера (ВЦПК). Хотя на этом этапе было набрано только 20% от предполагавшейся статистики, полученные результаты представляют интерес как с точки зрения физики околопорогового рождения тяжелых кварков, так и для второго этапа эксперимента, который планируется провести с использованием быстродействующего вершинного идентификатора на основе микростриповых детекторов.

Целью настоящей диссертационной работы является:

- Разцитие нового метода реконструкции и разпозпавания треков в гибридной установке СВД, получение точностных характеристик спектрометра.

- Оценка полного сечения образования очарованных частиц'в рр-взаимодействиях при энергии протонов 70 ГэВ.

Научная новизна и практическая ценность.

- При обработке экспериментальных даиных с СВД-установки впервые предложен и реализован эффективный метод поиска заряженных треков в магнитном спектрометре, т.п. "метод переменного импульса"; данный метод имеет более общее значение и может быть рекомендован при создании будущих установок гибридного типа, состоящих из вершинного детектора и магнитного спектрометра, поскольку с его использованием может быть значительно упрощена конфигурация трековых детекторов магнитного спектрометра.

- С помощью метода переменного импульса получены точностные характеристики СВД-усталовки, использовавшиеся при анализе данных. Эти характеристики п указанные пути их улучшения необходимы для проведения второго этапа эксперимента на установке СВД-2, п которой быстроциклирующая пузырьковая камера будет заменена на микроетрииовый вершинный детектор.

- Получены новые экспериментальные данные но полному сечению и средним импульсным характеристикам рождения очарованных частиц в протон-протонных взаимодействиях при энергии протопов 70 ГэВ. Полученные результаты не противоречат теории пертурбативной КХД с высшими порядками приближений.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти работах [1-5], выполненных автором совместно с участниками СВД-коллаборации и опубликованных в виде препринтов НИИЯФ МГУ и журналах.

Результаты исследований докладывались на научных семинарах НИИЯФ МГУ, НФ-ВЭ,ОИЯИ, Max-Planck-Inst. fur Physik (Мюнхен, Германия) п па международных конференциях по физике высоких энергий в 1994-1999 гг.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения.

Во введении ноказапа важность и актуальность работы, сформулированны цели работы, описана структура диссертации и дано краткое содержание отдельных глав.

В первой главе диссертации сделан обзор современного состояния проблемы рождения открытого чарма в адронных взаимодействиях. Обсуждаются современные теории

рождения и адроиизадии очарованных кварков и проводится их сравнение с основным экспериментальными данными, накопленными до 1997 года па различных мировых уст новках.

В глаис обсуждается применение пертурбативиой КХД к описанию процесса образов; ния очарованных кварков. Современное состояние теории позволяет проводить расчет с точностью до второго порядка теории возмущений КХД (с точностью до членов или ющих а® порядок малости, где а, - бегущая константа сильного взаимодействия). Такь расчеты дают качественное согласие в описании поведения полного сечения образована очарованных частиц от энергии. Тем не менее, п теоретических предсказаниях имеется ц< лый ряд неонределеностей и в целом, на сегодняшний день, КХД довольно псоднозначп описывает рождение тяжелых кварков при энергиях, близких к порогу.

В главе дап анализ экспериментов по образованию чарма на ускорителях ЦЕРН ФНАЛ. Результаты, полученные па этих установках, для энергий выше 200 ГэВ иепл< хо согласуются с предсказаниями пертурбативиой КХД. Все результаты представлен в таблицах, в виде, удобном для сравнения с тероретическими расчетами. Описываютс параметризации дифференциальных сечений и их согласие с теорией.

В последнем разделе первой главы обсуждается модель "внутреннего чарма", предок женная С. Бродским и другими. Модель предсказывает ненулевую вероятность иахожде ния в волновой функции адрона фоковского состояния, содержащего вируальную сс-лщ>\ например для протона состояние |р >= \uudcc >. Предсказания этой модели могут быт, наиболее надежно проверены при образовании очарованных частиц в электромаг нитных • адронных взаимодействиях при сравнительно небольших энергиях. Эта модель в после;: нее время активно обсуждается теоретиками, однако в настоящее время в адрон-адронны; взаимодействиях, как показано в данной главе, нет достаточных экспериментальных ука заний, подтверждали« существование механизма "внутреннего чарма".

Во второй главе описана экспериментальная установка СВД (Спектрометр с Вер шинным Детектором) и процедура обработки данных с БЦПК.

Схема установки "Спектрометр с Вершинным Детектором" изображена на рисунке 1. Установка СВД разработана для исследования околопорогового рождения очарованны; частиц в протон-протонных взаимодействиях при энергии 70 ГэВ. Основными элементам! установки являются:

в быстроциклируклцая водородная пузырьковая камера;

• многоканальный широкоаппертурный магнитный спектрометр;

• система формирования, дозировки и модуляции интенсивности пучка;

• система мониторирования, триггирования, регистрации и сбора событий.

Магнит МС-7А

МКД1 МКПК МКД 2.3 МКПК

. БЦПК , j 1 ^ЗРТ**^ 1 И

С1С2СЗ С4С5 Сй и

МКПК

Рис. 1: Схема спектрометра СВД. С1-С6 - сциитилляционные счетчики; МКПК- пропорциональные камеры; МКД-микростриповые кремниевые детекторы; БЦПК- вершинный детектор - жидководородная пузырьковая камера.

В качестве прецизионного вершинного детектора па первом этапе эксперимента была использована жидководородная быстроциклируюхцая пузырьковая камера (БЦПК). Для обеспечения повышенной плотности треков (>100 нуз./см) корпус этой камеры был сделан "чистым". Оп представлял из себя параллелепипед с длиной (вдоль пучка) 150 мм, глубиной 50 мм и высотой 200 мм, изготовленный целиком из поликарбоната LEXAN. Использовавшаяся оппозиткая система расширения позволяла практически полностью избежать смещения корпуса камеры в цикле расширения и обеспечивала устойчивую работу камеры с частотой 30-40 Гц в течение медленного вывода протонного пучка из ускорителя У-70 (около 1 с). Рабочий обьем камеры фотографировался по принципу "светлого поля" на фотопленку двумя объективами высокого разрешения в масштабе 1:1. Из-за необходимости фотографировать пузырьки 02Омкм, глубина резкости составляла около 2 мм.

В связи с малой глубиной резкости фотографирования, камера облучалась "ленто<; ным" пучком, высота которого в рабочем обьеме камеры составляла 40 мм и шириш менее 2 мм, сформированным каналом N22. Для исключения фона частиц, пришедших ш в момент максимальной чувствительности камеры, пучок импульсно подавался на каме ру только в течении 50 не синхронно с достижением минимума в цикле сброса давления Для обеспечения такого импульсного режима работы, на трассе канала была поставлен, специальная система модуляции интенсивности пучка (СМИП), которая состояла из по стояпного отклоняющего магнита и двух быстрых импульсных кикер-магнитов. Основное время пучок был отклонен постоянным магнитом со своей трассы вниз на несколько мм i поглощался в "щеке" коллиматора, а в нужный момент выводился на камеру с. помощьк первого кикер-магнита, работающего с частотой расширения камеры (30-40 Гц). Посл< прохождения через камеру нужного числа пучковых частиц (обычпо около 30) или по сигналу триггера, пучок быстро отклонялся со своей трассы с помощью m'opoi'o кикер-магнита, компенсирующего действие первого.

Работа СМИП и система фотографирования управлялись триггерной системой, основанной на сцинтиляционных счетчиках и микростриповых детекторах (МКД). Задачей этой системы была регистрация пучковых частиц на входе камеры и выработка триггер;, "па взаимодействие". Использование МКД с шагом 200 мкм позволяло также эффективно контролировать профиль узкого пучка падающих частиц. Триггерный сигнал появлялся в случае исчезновения пучковой частицы после камеры и одновременной регистрации двух заряженных частиц в сцинтилляциоиных счетчиках, расположенных за БЦПК по краям от области пучка. Поскольку жидкий водород в рабочем обьеме составлял только часть общего колличества вещества на пути пучка в области БЦПК, включая стенки вакуумного кожуха и камеры, примерно 60% триггеров были ложными.

Для измерения вектора импульса вторичных заряженных частиц в состав СВД введен широкоапнертурный магнитный спектрометр с проволочными пропорциональными камерами, выполненный на основе электромагнита МС-7А. Этот магнит имеет длину (вдоль направления пучка) полюсов 3 м и апертуру 1.8 м (ширина) х 1.3 м (высота). При импульсе первичных частиц не более 70 ГэВ/с этот магнит работает при пониженном токе (1 = 4 кА) и имеет в рабочем объеме достаточно однородное поле величиной около 1.18 Тесла. Перед и за магнитом (вдоль пучка) выступают отогнутые вверх и вниз обмотки, создающие значительное рассеянное магнитное поле, величина которого на расстоянии 1.5 м от ярма магнита составляет 0.3 Тесла.

Расположение пропкамер магнитного спектрометра показано на рис.1. С функциоиаль

пои точки зрения магнитный спектрометр СВД является двухступенчатым. Его первую ступень образует передний блок; из 12 плоскостей пронкамер, расположенный перед магнитом в его рассеянном поле, который служит, в частности, для измерения малых импульсов частиц, испущенных под большими углами. Входящие в этот блок цропкамеры с шагом 2 мм и рабочей областью 1 м2 объединены п три квадруплета с ориентацией проволочек иУУХ, где У - вертикальные проволочки, X - горизонтальные, а и и V наклонены по отношению к вертикали под углами 10.5°. Общее число сигнальных анодных проволочек в втих камерах достигает 5424.

Центральный блок, расположенный в апертуре магнита, состоит из 19 пронкамер с шагом 2 мм и рабочей площадью 1.0 х 1.5 м2. Передние четыре камеры объединены в дуплеты иУ и УУ, а остальные 15 камер сгруппированны в виде триплетов ИУУ. Эти камеры составляют вторую ступень спектрометра и обеспечивают измерение импульсов частиц, испущенных в переднем конусе. Суммарно они содержат 12608 сигнальных анодных проволочек. Как показывает моделирование, средняя точность измерения импульса в спектрометре в интервалах 1 4- 3, 3 4- 8, 8 4- 13, 13 -г 18, 18 4- 28, 28 4- 70 ГэВ/с составляет 5.1%, 2.3%, 1.4%, 1.8%, 1.6%, 2.8%, соответственно.

До настоящего времени было проведено 2 сеанса по набору статистики, и ходе которых было получено около 320 тыс. пригодных для обработки стерсосиимков.

Далее во второй главе описывается методика обработки фотоснимков с БЦПК, приведены основные результаты методических исследований точностных характеристик этой камеры. Обсуждена методика обсчета результатов измерений треков.

При изучении рождения очарованных частиц с помощью гибридного спектрометра, в котором в качестве вершинного детектора используется прецизионная пузырьковая камера, основным этапом обработки является визуальный поиск распадов очарованных частиц на просмотровых проекторах. В ИФВЭ и НИИЯФ МГУ для этой цели использовались прецизионные проекторы ПУОС-4, обладающие 60-ти кратным увеличением, а в ОИЯИ -просмотровые проекторы НЕУАв с 30-кратным увеличением.

Для обнаружения распадов очарованных частиц в эффективной области каждой сте-реопроскшш регистрировались все первичные взаимодействия, а также вторичные вершины, лежащие в ограниченной области вокруг первичной, среди которых основной интерес представляли:

• С1 - однолучевой распад заряженной частицы;

• СЗ - трехлучевой распад заряженной частицы;

• У2 - двухлучевой распад нейтральной частицы;

• V4 - четырехлучевой распад нейтральной частицы.

Для регистрации распадов очарованных частиц (с учетом того, что оци являютс; короткожпвущими (сг = 318 мкм, 126 мкм и 57 мкм соответственно для для £>°/1>0-мезонов н Л+-гиперонов) был выбран ограниченный объем для их поиска, так называемый "чарм-бокс" с размерами (±5 мм по пучку) х (±2,5 мм) с первичной верши-пой в центре. Его размеры были выбраны, с одной стороны, достаточно большими, чтобы подавляющая часть очарованных частиц успевала в нем распасться, а с другой стороны - достаточно малыми, чтобы фон распадов странных частиц давал бы все еще незначительный вклад.

Проведение методических исследований и опыт массовой обработки фильмовой информации в эксперименте Е-161 показали, что параметры треков в БЦПК (плотность и размер пузырьков, а также их разброс относительно истинной траектории частицы) и качество снимков отвечают требованиям эксперимента по исследованию адрообразования очарованных частиц при энергии ускорителя У-70.

Использованные процедуры обработки фотоснимков с БЦПК с геометрическим восстановлением обеспечивают обьединение получаемой пространственной информциии о прямых треках вблизи вершины взаимодействия с их отсчетами в магнитном спектрометре и точное определение на этой основе 3-х импульсов заряженных частиц.

Третья глава посвящена оригинальному методу реконструкции заряженных частиц в гибридных установках ("метод переменного импульса"). Описывается сам метод, его реализация на конкретной установке СВД, а также результаты восстановления треков из пузырьковой камеры в спектрометр. На основе этого метода получены точностные характеристики магнитного спектрометра, входящего в состав установки СВД.

Принципиальная идея метода состоит в следующем. Зарегистрированные в вершинном детекторе вторичные треки данного события взаимодействия характеризуются координатами вершины (или вершин) х, у, г и углами вылета ф\ А' , измеренными с определенной, достаточно высокой точностью. Если один из треков данного события продолжить из вершинного детектора в спектрометр и в заданных пределах варьировать величину его импульса, то при определенном импульсе и знаке, соответствующем импульсу этого трека, рассчитанные значения отсчетов в пропорциональных камерах (ПК) спектрометра совпадут с зарегистрированными реальными отсчетами и таким образом будет идентифицирован трек и определены его параметры. Поэтому данный метод может быть назван

методом переменного импульса. На рис. 2 изображено событие, восстановленное в спектрометре методом переменного импульса.

Рис. 2: Событие рр-взаимодействия, зарегистрированное в БЦПК и восстановленное в спектрометре.

Основные приемущества метода состоят в следующем:

1. Используется простой и ясный алгоритм распознавания треков, позволяющий с низким уровнем помех работать в любом неоднородном магнитном поле с эффективностью, близкой к 100% для всех треков, входящих в аппаратуру спектрометра и имеющих некоторое минимальное количество отсчетов в плоскостях трековой системы.

2. Не требуется восстановления пространственных точек по отсчетам пропкамер различных проекций (II, У, V), поскольку реконструкция импульса проводится путем

сопоставления модельных и реальных траекторий по проекциям. Этим, с одной ст<. роны, достигается использование полной информации по отсчетам на всех проекция-и, с другой стороны, не очень критическими являются потери некоторых отсчетов из за снижения эффективности координатных камер для многочастичных событий илг по другим причинам. В принципе, если из данных вершинного детектора значен:« углов известны с достаточной точностью (< 1 мрад), траектория трека в прострап стве однозначно определяется наличием лишь одной проекцией камер (например У), проволочки которой расположены перпендикулярно вектору магнитного поля. Другие проекции (11, V) могут использоваться для уменьшения фона случайных на ложений, что определяется условиями эксперимента. Таким образом, использование метода может приводить к существенному упрощению аппаратуры спектрометра и это необходимо учитывать при проектировании будущих экспериментов. В частности, в настоящее время подготовлено Предложение по модификации установки СВД-1, в которой БЦПК заменяется вершинным детектором с использованием ми-кростриповых пластин и в реконструкции треков планируется использовать данный метод.

3. В методе отсутствует процедура "сшивки", поскольку трек реконструируется и глобально фитируется в один этап с привлечением всей координатной информации, доступной от вершинных детекторов и координатных камер спектрометра.

4. Метод допускает естественное включение интерактивного режима для анализа сложных событий, при котором пользователь может анализировать событие по представлению координат от всех 3-х проекций камер спектрометра на мониторе компьютера, выбирая шаг фитироваиия, вариации углов, уточнение количества вершин, " висящих" треков, включение элементов кинематического анализа и т.д.

5. Достигнутая при обработке событий на СВД скорость распознавания и реконструкции событий нз ЭВМ эквивалентной мощности сравнима с другими общепринятыми программами распознавания и реконструкции треков. Например, увеличение оперативной памяти до 256 МБ позволит, по оценкам, увеличить скорость обработки примерно на порядок за счет введения заранее рассчитанной табличной матрицы по импульсам и углам.

С помощью метода "переменного импульса" определены точностные характеристики магнитного спектрометра установки СВД, такие как точности измерения углов (Д^спек.=

0,11 мрад, ДАслек. — 0,84 мрад, рис.. 3), импульсное разрешение, разрешение по массам странных частиц ( 0.4% для К°-мезонов и 0.2% для Л-гиперонов, рис. 4), а также распределения по хр и быстроте для заряженных 7г-мезонов, зарегистрированных спектрометром и восстановленных методом "переменного импульса", что важно для определения аксентапса установки.

ЧпЯ I Меап 0.21 87С--02 | О 1СЮ7С — О?

^ / ■V

-,. , пГТ-п.-П , . 1 .... . 1Г кГМ^Цп ^¡^ ......... , ... г .4 Н 1 ... ,

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 О..35 С.« 0.-15 0.5

х 1 о~

"Т Меап

0.727ИЕ-03 0.871ЭЕ-03

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 О.З 0.35 о.4 О.Е

к 1С

ЛЛ„. гас1

Рис. 3: Распределения по ошибкам в измерении углов Аф и ДА в результате геометрической реконструкции данных в пузырьковой камере

В четвертой главе представлены экспериментальные результаты о рождении очарованных частиц на установке СВД, проведено сравнение этих результатов с моделированием и получено экспериментальное значение полного сечения образования очарованных частиц в адроп-адронных взаимодействиях при 70 ГэВ, получены оценки средних импульсных характеристик очарованных адронов, проведено сравнение с другими экспериментальными данными и теорией.

Для уточнения критериев отбора и облегчения интерпритации полученных данных при обработке информации в эксперименте Е-161 было выполнено моделирование образования и распадов очарованных адронов в рр-взаимодействиях при 70 ГэВ/с. Такое же моделирование было проведено для процессов со странными частицами, являющихся основным источником фона. Моделирование рр~взаимодействий осуществлялось методом

Монте-Карло с помощью программы РУТША ( версия 5.702). Всего было сгенерирован' 20 тыс. взаимодействий с рождением очарованных частиц. Согласно этим расчетам пол ное сечение образования событий с нарой очарованных адронов составило 1.07 мкбн, ; основном за счет совместного рождения Л+£> (0.51 мкбн) и £Ш(0.52 мкбн).

М(Л°, р п , рл+) <м<*)

Рис. 4: Распеделения по инвариантным массам Ж7Г и тгр пар для нейтральных вторичных вершин.

При моделировании решались следующие задачи:

1. определение относительного числа распадов очарованных частиц разных топологий в описанной выше ограниченной области около первичной верпииы;

2. уточнение критериев отбора для уменьшения фона и определение связанных с критериями отбора эффсктивностей;

3. построение распределений по импулсышм переменным очарованных адронов для экспериментальной оценки их средних значений и эффективности регистрации топологии VI в спектрометре.

Моделирование показало, что внутри цилиндра с радиусом 2.5 мм, ось которого направлена вдоль импульса пучковой частицы па длине ¿ от первичной вершины, ¿„¡¿„ < Ь < Ь„мх, где Ьтт = 0.2 мм, Ьтах = 5.0 мм, распадается 73.9% Б±-мезонов, 70.2% ¿)°-мсзонов и 40.8% Л^-гиперонов.

При моделировании характеристик странных частиц было проверено, что определяемые с помощью РУТША инклюзивные сечения образования АГ°-мезонов, Л° и £°-гипсропов соответствуют экспериментальным данным, полученным при 69 ГэВ/с на пузырьковой камере "Мирабель".

Результаты моделирования показали, что при использовании только просмотровой информации с БЦПК для распадов С1 и V2 фон от странных частиц на два порядка превышает искомый эффект. Но этот фон существенно снижается (примерно в 5 раз), если используется критерий отбора событий по поперечной длине Ь(. ¿( оперделяется как ¿1 = Ьягпвс, где ¿ - распадная длина очарованной частицы, а Ос - уюл ее вылета относительно направления первичного пучка. Величина ¿г распадов очарованных частиц ограничена, и, в среднем, существенно меньше, чем для распадов странных адронов. Дальнейшее снижение фона для распадов VI может быть обеспечено за счет достаточно высокой точности измерения эффективных масс в спектрометре. Для распадов С1 фон остается по прежнему высоким и эта топология из дальнейшего анализа была исключена.

Для распадов СЗ источником фона являются наложения "вилки" от У2 распада на трек заряженной частицы из первичной вершины. Однако требование, чтобы каждый трек из СЗ распада имел прицельный параметр а > 5 мкм, этот источник фона практически устраняет. Фон от С3 распадов Л"±-мезонов должен составлять около 30% от всех зарегистрированных СЗ распадов и применение ¿(-критерия отбора снижает его до 6%.

Использование ¿^критерия делает распады V4, У6 и т.д. практически бесфоновыми.

Итак, для дальнейшего анализа отбирались события с одной вторичной вершиной включая топологии распадов 1/2,Т/4,Т/б,СЗ,С5 и события с двумя вторичными вершинамг с любыми топологиями распадов, включая С1.

При этом использовались следующие критерии отбора распадов:

1. Распадпая длина Ь выбиралась в интервале 0.2 -т- 5 мм.

2. Поперечная распадпая длина Ь( < 0.2 мм

3. Для У2-распадов оба трека должны попадать в апертуру спектрометра.

Окончательные результаты двойного просмотра фотоснимков с БЦИК приведены в таблице 1.

Первич. С5 Вторич. Вторич. Две

Топология вершина С1 СЗ У2 У4 пзаим. взаим. вторич.

У6 N четн. N нечетн. вершины

Число соб. 108863 331 С 473 0 482 55 6

эфф. 2-кратн. 0.99 0.96 >0.96 0.96 - 0.97 0.95 0.97

просмотра

Таблица 1: Результаты двойного просмотра снимков с БЦПК

После применения критериев отбора, описанных в предыдущем разделе, было оставлено 3 события с топологией С3 и 07 событий с топологией У2. Из 25 событий с У2-распадом, зарегистрированных одновременно в БЦПК и магнитном спектрометре, 23 события были отнесены к распадам /¡'"-мезонам и Л(Л-гиперопам) по измерениям эффективных масс и два события к распадам Д°-мезонов.

Шесть событий с двойной активностью (С1,У2) по ¿¡-критерию были приняты за совместное рождение сравнительно медленных странных частиц.

Одно из событий с СЗ-распадом было найдено на фотоснимках, полученных при отсутствии магнитного поля. Но, поскольку это событие удовлетворяет всем критериям отбора, и, к тому же, 3 трека в его первичной вершине имеют заметные величины промахов, оно было принято за СЗ-расиад очарованного адрона (I)"1 или Л°). При этом ожидаемый фон от распада А"±-мезонов составляет менее 0.1 события.

Четыре отобранных события ( два С3 и два У2), имеющие спектрометрическую информацию, были детально проанализироваппы с применением кинематического анализа.

Полное сечение парного рождения очарованных адронов сг(сс) определялось сравнением наблюдаемого числа событий со значением, ожидаемым из расчетов по методу Монте-Карло ( программа РУТША) в условиях данного эксперимента. При расчете использовалось следующее выражение, справедливое для находжеиия полного сечения парного образования сс-адронов во всем интервале хр(—1 < хр < +1) :

ТЗКСП.

"1ЭКСП. • €[ • (2 • £з • £4 '

где

1'1мс>тэксп. - миллибарн-эквивалент, заданный в расчетах Монте-Карло (тМс) и полученный в данном эксперименте (тЭКсп.);

оме - полное сечение рождения сс-пар, полученное в расчетах;

£] - эффективность наблюдения очарованных частиц при просмотре;

£2 - эффективность, учитывающая потери сс-сойытий малой множественности при триг-гировашш;

сз - эффективность,связанная с отбором частиц по поперечной длине Ь1 для одновершинных событий;

е4 - эффективность,связанная с отбором частиц по поперечной длине для двухвершинных событий;

- число событий с вторичными вершинами в БЦПК ( все топологии, кроме одновершинных распадов У2 и С1), рассчитанных (№£!С) и наблюдаемых в эксперименте №ксп);

N$2°, А^0"' " число событий, содержащих 1/2-распады, рассчитанных и наблюдаемых в эксперименте, соответственно;

£1/2 - полная эффективность регистрации 1/2-событий; и Щ - статистические веса и Лу2СП'-с°бытий.

Значения этих величин, использованных при определении сечения а(сс) приведены в Таблице 2.

тмс, соб./мкб " Цкси. I соб./мкб <?мс, мкб «т <т <т ЩХСЧ.

10 4.9С> ±0.05 1.07 0.97 ±0.01 0.91 ±0.03 0.96 0.97 3 2 0.20 2.58 0.25 ±0,0.

Таблица 2: Значения величин, использовавшихся при расчете сечения

Величина полного сечения ст(сс) с приведенными выше значениями величии получен, из выражения 1 равной:

сг(сс) = [1.б1^(стат.) ± 0.3(сист.)]мкбн

Систематическая ошибка определяется, в основном, неопределенностью числа ожи даемых сс-событий из-за неизвестного вклада каналов рождения £Ши Л^й, отношение которых варьировалось в пределах от 1 до 0.2.

В Таблице 3 приведены средние величины < \хр\ >, < р^ >, < рла6 > для наблюдаемых С-мсзонов, а также сгенерированных но программе РУТША. Из экспериментальных данных, находилось среднее значение заряженной компоненты < |г/,-| >-,ар. О-мезонои. Для определения полной величины < >, вклад нейтральной компоненты опенинался исходя из свойств распадов О-мезонов, с помощью программы РУТН1А. Было найдено, что

< М >„ев,р. / < М >= 0.34

для £'±-мезонов,

< м >,,ейтр. / < М >= 0.45

для £>°-мезонов.

Аналогично определялись средние значения поперечного импульса < > и лабораторного импульса < рлаб. >•

Средние значения < M > п <Р± > ГэВ/с < РлаВ. > ГэВ/с < Lc > / < Lc >мс

Е-161 0.20 ± 0.07 3.0 ± 1.3 0.53 ±0.13 17.6 ±5.3 0.67 ±0.32

Монте-Карло (PYTHIA) 0.18 3.5 0.64 18.0 1.0

Таблица 3: Значения импульсных величин, эксперимент и моделирование

В таблице 3 приведено также значение показателя степени п, найденное из значения < > для следующего вида распределения по хр:

da/dxp = (1 - |zF|)n

В последней колонке Таблицы 3 приведено отношение средней длины распада наблюдаемых D-мезонов к средней величине, рассчитанной по PYTHIA.

Следует отметить неплохое согласие между экспериментальными и расчетными данными.

В последнем разделе четвертой главы проведено сравнение данных настоящей диссертации с другими экспериментальными результатами, полученными для полного сечения а(сс) при энергии 70 ГэВ/с на ускорителе У-70 (ИФВЭ) в "beam-dump" экспериментах. В этих экспериментах с различными детекторами путем измерения выхода "прямых" заряженных лептонов при полном поглощении протонного пучка получены следующие оценки полного сечения о(сс) для всего интервала хр (-1 < хр < +1):

сг(сс) < 4.8 мкби (камера "СКАТ")

сс) < 2.7 мкби (нейтринный детектор) сг(сс) = — 0.3 ± 1.2, сг(сс) < 1.6 мкби (нейтринный детектор)

указанные верхние пределы для сечений найдены для 90% уровня достоверности.

Полученная в настоящей работе величина полного сечения сг(сс) не противоречит результатам "beam dump"-экспериментов.

В работе на спектрометре БИС измерялось сечение образования D-мезонов при средней энергии нейтронов 58 ГэВ/с в области хр > 0.5. Для нейтральных D-мезонов в рр-взаимодействиях была получена величина

a(DX)Xr>o.s = (3.2 ± 1.1) мкбн, где X - очарованный мезон или А+-гипероп.

Для заряженных £>-мезонов величина сечения должна быть очень близкой, т.к. инклюзивные сечения на углероде а(О0) = (28 ± 14) мкбн и а(£>-) = (26 ± 13) мкбн для хр > 0.5 практически совпадают.

С О

О Z5 С

10'

10

1-е Е161

Е653

:о NA32

Е769

NA16

А NA27

Е743

-1

10

— а(рр —> с с)

- a(pN,pp -> DD)

cr»h(pp сс)

Upper /¿=те Lower /и,—2mc

NLO+NLL NLO

100 200 300 400 500 600 700 800

Beam Energy (GeV)

Рис. 5: Сечения образования очарованных частиц в протон-нуклопных взаимодействиях. Кривые - теоретические расчеты по КХД[3], верхние кривые относятся к ¡i = тс, нижние -к // = 2 тс.

В данных настоящего эксперимента только одно событие с вероятностью 50%, в соответствии с двумя возможными направлениями вылета нейтральной системы распада,

может иметь Хр > 0.5, что дает возможность сделать оценку для 90% уровня достоверности, равную сг(ОХ)ХР>о.5 < 1-2 мкбн.

Приведем также для этой области хр оценки сечений, полученные из данных экспериментов при более высоких энергиях.

<т(£Ш)яР>о,5 < 0.14 мкби при Ер = 250ГэВ а(рБ)Х[.>й.5 = (0.61^) мкбн при Е„ = 400ГэВ

Как следует из приведенных значений, сечение рождения £)-мезоиов, полученное в эксперименте БИС, противоречит как данным других экспериментов при энергиях ускорителя ИФВЭ, так и данным экспериментов при более высоких энергиях.

На рис. 5 приведены основные экспериментальные данные по сечениям парного образования £>-мезонов для области (-1 < хр < +1), полученные в интервале энергий 200 4- 800 ГэВ/с, а также результат данной работы.

Сравнение этих данных с предсказаниями по КХД определению полных сечений образования сс-частиц и результатом данного эксперимента , справедливо с точностью до вклада канала с рождением Л+-гиперонов, величина которого в интервале 200 -т 800 ГэВ составляет не более 10%.

Теоретические кривые, представленные па рис 5, вычислены в работах группы ДЕРНА в двух приближениях. Пунктирные кривые выполнены и следующем за лидирующим порядком приближении квантовой хромодинамики (N1,0). Сплошные кривые представляют впервые сделанные этой группой расчеты, учитывающие эффект перссуммировапия вклада излучения мягких глюонов сталкивающимися партонами на следующем за лидирующим логарифмическом уровне (КБО+КЬЬ). Расчеты были сделаны при следующих параметрах теории: тс = 1.5ГэВ/с2, Акхд = 120ГэВ, структурные функции партонов были взяты в виде параметризации МЕЗЯ2. Расчет сделан при двух значениях масштабного параметра /г = тс и ц = 2гпс. Можно заметить, что коррекция на излучение мягких глюонов в конечном состоянии образующихся с и с-кварков уменьшает коридор неопределенностей, связанных с изменением параметра ¡1 и увеличивает примерно в 2 раза среднее сечение ст(сс) вблизи порога. Теоретические кривые рассчитаны до энергий 100 ГэВ и поэтому приведенные кривые на рис. 5 экстраполированы в область энергий 70 ГэВ.

Как видно из рис. 5, результат, полученный данной диссертации, не противоречит общей экспериментальной зависимости и предсказаниям теории.

В заключении перечислены основные выводы диссертационной работы:

1. Сделан обзор и анализ экспериментальных данных по образованию очарованных частиц в адронных взаимодействиях, полученных на ускорителях высоких энергий. И. сравнения данных с современной теорией следует, что при энергиях начальных адро нов более 200 ГэВ, все основные характеристики рождения неплохо опсиываютсг. пертурбативной квантовой хромодинамикой и современными фрагментационными моделями. При этих энергиях нет экспериментальных указаний, подтверждающих модель "внутреннего чарма" в нуклоне.

2. Впервые предложен и разработан оригинальный метод (метод переменного импульса) рекопстукции и распознавания треков в магнитном спектрометре, использующий в процедуре распознавания и реконструкции априорные знания угловых характеристик треков и координат точки взаимодействия в вершинном детекторе. Метод имеет' ряд преимуществ перед общепринятыми и модест быть рекомендован при создании установок гибридного типа с использованием вершинного детектора, поскольку оп приводит к упрощению конфигурации трековых детекторов магнитного спектрометра.

3. С помощью метода "переменного импульса" определены точностные характеристики установки СВД, такие как точность измерения углов (Д^С!1ск.= 0,11 мрад, ДАСПСК. = 0,84 мрад ), импульсное разрешение, разрешение по эффективным массам странных частиц ( 0.4% для К°-мезонов и 0.2% для Л-гиперонои), а также получены распределения по Хр и быстроте для заряженных 7г-мезонов, зарегистрированных спектрометром и восстановленных методом "переменного импульса".

4. Проведены обработка и анализ 320 тыс. снимков, полученных па быстроциклирую-щей пузырьковой камере СВД-установки, на которых зарегестрированно 109 тысяч неупругих рр-взаимодействий с множественностью п;ир < 4, что соответствует статистике 4.96 соб./мкбн. С использованием критериев отбора, измерений треков и их импакт-параметров в БЦПК, измерений треков в магнитном спектрометре и при дальнейшем кинематическом анализе было отобрано 5 событий с образованием очарованных частиц в конечном состоянии, три из которых идеитифицироиатшы как распады 2?~-мезонов и два - как распады £>°-мезонов.

5. Из сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования по программе РУТША получено следующее значение полного сечения образования сс-

частиц во всей области фепмановской переменной жр (—1 < хр < +1): сг(сс) = [1.б1^;у(стат.) ± 0.3(сист.)]м1сбн

Полученное значение сечения не противоречит как результатам других экспериментов при более высоких энергиях, так и теоретическим предсказаниям квантовой хро-модинамики в КЬО+Г'ЛА-приближении при массе с-кварка, равной 1.5ГэВ/с2.

6. На основании эскперимептальных результатов найдены характеристики импульсных переменных очарованных £)-мезонов, < [хр\ > и < > равные:

< Ы >= 0.20 ± 0.07 и < рх >= 0.53 ± 0.13

Эти значения согласуются с ожидаемыми расчетными значениями, проведенными по программе РУТША.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Лрдашев E.H., ... , Кубаровский A.B. и др. (СВД-кодлаборация), Препринт НИИЯ<" МГУ 97-40/491,1997.

2. Ермолов П.Ф., Кубаровский A.B., Левицкий М.С., ПТЭ, 1998, V.5, стр. 39.

3. Воголюбский М.Ю., Кубаровский A.B. и др.,Препринт ИФВЭ 97-50. Протвино, 199

4. Кубаровский A.B. Препринт НИИЯФ МГУ 98-50/551., М.,1998.

5. Ардашев E.H., ... , Кубаровский A.B. и др. (СВД-коллаборашш), Препринт НИИЯ9 МГУ-99-27/585, М.,1999. (ЯФ, в печати).