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

Введение

1 Современное состояние проблемы рождения открытого чарма в адрон-ных взаимодействиях

1.1 Основные механизмы образования сс-кварков в адронных взаимодействиях.

1.2 Полные сечения образования очарованных частиц.

1.3 Дифференциальные распределения.

1.4 Корреляции в рождении очарованных частиц.

1.5 Модель "внутреннего чарма".

3.2 Принцип метода поиска и реконструкции треков.

3.3 Реализация метода для анализа данных с СВД-установки.

3.4 Точность определения координат.

3.5 Точность определения углов.

3.6 Импульсное разрешение спектрометра.

3.7 Эффективность регистрации пионов спектрометром.

3.8 Распределение по эффективным массам.

3.9 Заключение.

4 Экспериментальная оценка сечения образования очарованных частиц в рр-взаимодействиях при 70 ГэВ/с

4.1 Моделирование событий методом Монте-Карло и критерии отбора событий .

4.2 Экспериментальные результаты.

4.3 Определение полного сечения <т(сс).

4.4 Средние значения импульсных переменных мезонов.

4.5 Сравнение результатов эсперимента Е-161 с данными других экспериментов

Заключение Список рисунков Список таблиц Библиография

Введение

Эксперименты по рождению и изучению свойств очарованных частиц ведутся на крупнейших ускорителях мира, в частности, результаты, полученные на ускорителях ЦЕРН и ФНАЛ при энергиях выше 200 ГэВ, в основном неплохо согласуются с предсказаниями пертурбативной квантовой хромодинамики (КХД).

Однако в околопороговой области (piab ~ 70ГэВ) энергий ситуация иная. В силу ряда причин, приводящих к необходимости коррекций пертурбативной КХД вблизи порога, а также непертурбативных 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 при энергиях ускорителя Института физики высоких энергий (70 ГэВ) имелись первые результаты по образованию очарованных частиц в экспериментах двух типов: в эксперименте на спектрометре БИС, в котором идентификация регистрируемых частиц проводилась с помощью черенковского счетчика или по измерению их эффективных масс, а также в так называемом "beam-dump" эксперименте с использованием нейтринного канала и установки, регистрирующей "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 -т- 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 быстроциклирующая водородная пузырьковая камера (БЦПК). 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.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является изучение рождения очарованных частиц в протон-протонных взаимодействиях при энергии 70 ГэВ/с на установке СВД, состоящей из прецизионной быстроциклирующей водородной пузырьковой камеры и широкоапертурного магнитного спектрометра.

Актуальность темы диссертации связана с развитием в последние годы новых теоретических подходов для описания околопорогового образования тяжелых кварков и обусловлена отсутствием непротиворечивых экспериментальных данных о сечениях рождения очарованных частиц в области малых энергий адронов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. При обработке экспериментальных данных с СВД-установки впервые предложен и реализован эффективный метод поиска заряженных треков в магнитном спектрометре, т.н. "метод переменного импульса"; данный метод имеет более общее значение и может быть реализован 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.

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

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

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

Заключение

В диссертации представлены результаты первого этапа экспериментальных исследований околопорогового рождения очарованных адронов в рр-взаимодействиях, выполненных на ускорителе У-70 (ИФВЭ) при энергии пучка 70 ГэВ.

Эксперимент проводился в рамках сотрудничества ИФВЭ-НИИЯФ МГУ-ОИЯИ-ТГУ на установке СВД в 1990-1994 гг. В результате эксперимента было накоплено более 100 тысяч снимков неупругих взаимодействий с множественностью пзар. > 4, что соответствует статистике 4.96 соб./мкбн. Часть событий, имевших информацию в магнитном спектрометре, были восстановлены с помощью метода переменного импульса (программы TRAF).

В данной диссертации получены следующие основные результаты:

1. Сделан обзор и анализ экспериментальных данных по образованию очарованных частиц в адронных взаимодействиях, полученных на ускорителях высоких энергий. Из сравнения данных с современной теорией следует, что при энергиях начальных адронов более 200 ГэВ, все основные характеристики рождения неплохо опсиываются 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) реконстукции 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 может быть рекомендован при создании установок гибридного типа с использованием вершинного детектора, поскольку он приводит к упрощению конфигурации трековых детекторов магнитного спектрометра.

3. С помощью метода "переменного импульса" определены точностные характеристики установки СВД, такие как точность измерения углов (Афспек= 0,11 мрад, AAcneK. —

0,84 мрад ), импульсное разрешение, разрешение по эффективным массам странных частиц ( 0.6% для К^-мезонов и 0.3% для Л-гиперонов), 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 на быстроциклирую-щей пузырьковой камере СВД-установки, на которых зарегестрированно 109 тысяч неупругих рр-взаимодействий с множественностью пзар < 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 идентифицированны как распады D~-мезонов и два - как распады £>°-мезонов.

5. Из сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования по программе PYTHIA получено следующее значение полного сечения образования сс-частиц во всей области фенмановской переменной Хр (—1 < Хр < +1): и (ее) = [1.б1^7(стат.) ± 0.3 (сист. )]мкбн

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

6. На основании эскпериментальных результатов найдены характеристики импульсных переменных очарованных D-мезонов, < \xF\ > и < > равные: >= 0.20 ± 0.07 и < рх >= 0.53 ± 0.13

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

Автор диссертации глубоко признателен своему научному руководителю профессору Павлу Федоровичу Ермолову за предоставление темы диссертации, постоянное внимание, полезные советы и поддержку.

Глубокую благодарность хотелось бы выразить JT.A. Тихоновой, A.M. Моисееву, С.А. Зоткину, С.И. Лютову, Е.К. Шабалиной и другим членам лаборатории физики элементарных частиц за интерес к работе, полезные советы и обсуждения. рисунков

Диаграммы образования сс-пар, соответствующие ведущему члену разложения по константе агДдд) .

Рождение тяжелых Q-кварков с последующей фрагментацией в Яд-адроны: а - рождение Q-кварков в результате жесткого взаимодействия партонов из начальных адронов; b - переход Q-кварков в Я<д-адроны.

Образование Яд-адронов в результате взаимодействия тяжелых кварков с валентными кварками из начальных адронов (рекомбинация).

Сечение парного образования с-кварков в рTV-взаимодействиях в сравнении с основными экспериментальными результатами в зависимости от импульса протонов (сплошная кривая - тс = 1.5ГэВ/с2, пунктирная тс =

1.2ГэВ/с2¡точечная тс = 1.8ГэВ/с2).

Сравнение da/dxp (а) и da/dpу (b) распределений для D/D-мезонов в рр-взаимодействиях при 400 ГэВ/с с предсказаниями модели слияния. Кривые соответствуют предсказаниям КХД в рамках кварк-партонной модели слияния (quark-gluon fussion) с фрагментацией счДв виде ¿-функции (штриховая линия) и с использованием схемы LUND (сплошная линия).

Распределение D-мезонов по ^ при р=250 ГэВ совместно с теоретическими предсказаниями в NLO-приближении, реализованными на основе работы [35] в виде программы Монте-Карло, в которой использовались те же параметры, что и при расчетах полных сечений .

Распределение по р\ для D-мезонов в эксперименте Е769 совместно с теорией в NLO-приближении .

Экспериментальные хр распределения для D-мезонов в 7гр-взаимодействиях в сравнении с NLO КХД; сплошные линии - тс = 1.5ГэВ; пунктирные -тс = 1.2ГэВ, точечные - тс = 1.8ГэВ.

1.9 Параметр асимметрии для заряженных D+(D )-мезонов в зависимости от xF (для экспериментов Е791 - тг~N, 500 ГэВ; WA82 - тг-ЛГ,340 ГэВ,Е769-1г±р,250 ГэВ.). 22

1.10 Параметр асимметрии А(х) для D-мезонов в зависимости от хр для ряда экспериментов в 7гр-взаимодействиях совместно с теоретическими предсказаниями (Лиходед, Слабоспицкий). 23

1.11 Распределение по углу ДФ и р\ (рр, 400ГэВ, эксп. ) - сплошная гистограмма. Пунктирная кривая - предсказания КХД (¿-функция для с —>• D фрагментации. Сплошная кривая включает в себя эффекты фрагментации по модели LUND с < Щ. >— 0.64(ГэВ/с)2. Правый рисунок - распределение событий для р?г пары DD в этом же эксперименте. Кривые аналогичны предыдущему рисунку. 24

1.12 Распределения по ДФ и р] (тгр, 350ГэВ, эксп. WA-92). Теоретические кривые указаны на рисунках. 25

1.13 Параметр асимметрии А для .D-мезонов в зависимости от хр для 7г~р-взаимодействий при .Е=500 ГэВ (эксп. Е-791) совместно с теоретическими зависимостями. . 27

2.1 Схема установки СВД. 32

2.2 Схема спектрометра СВД.С1-С6 - сцинтилляционные счетчики;М\¥РС- пропорциональные камеры;М80-микростриповые кремниевые детекторы;НВС-вершинный детектор - жидководородная пузырьковая камера. 35

2.3 Распределение первичных взаимодействий по множественности вторичных заряженных треков в рр-взаимодействиях при 70 ГэВ/с (точки), найденное на снимках с БЦПК, в сравнении с аналогичными данными "Мирабели" (гистограмма) и результатами моделирования (плавные кривые) по программе PYTHIA. 38

2.4 Распределение по расстоянию между первичной и различными типами вторичных вершин, зарегестрированных на снимках с БЦПК. 39

2.5 Интегральная вероятность распада очарованных адронов D±, D° и Л+ как функция расстояния от первичной вершины Lo (программа PYTHIA) . . 40

2.6 Распределение по промахам ó на снимках с БЦПК, полученное для треков в первичной вершине. 42

2.7 Интегральное распределение по Lt (нормированное на единицу) для распадов очарованных (сплошные линии) и странных (пунктир) частиц, смоделированных по программе PYTHIA. 43

1 Графический интерфейс программы TRAF реконструкции и распознования треков в спектрометре.

2 Распределение треков по величине R для <тх=900 мкм. Пунктирная кривая-приведенное ^-распределение (x2/NDF) со средним экспериментально найденным значением числа степеней свободы равным 10.

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

4 Распределения по ошибкам в измерении углов Афсиек и АЛспек в результате фитирования треков в спектрометре .

5 Распределения по углам регистрации треков Ли ф.

6 Распределение по импульсам пучковых треков, найденное из фита траекторий треков при р—70 ГэВ/с. 61

7 Распределение отрицательных частиц по быстроте в с.ц.м. из событий со странными частицами (гистограмма). Пунктирная линия - аналогичное распределение, полученное на пузырьковой камере Мирабель в рр-взаимодействиях при 70 ГэВ/с. 63

8 Распределение отрицательных частиц по переменной Фейнмана в с.ц.м. ( гистограмма). Пунктирная линия - аналогичное распределение, полученное на пузырьковой камере Мирабель в рр-взаимодействиях при 70 ГэВ/с . . .

9 Событие рр-взаимодействия, зарегистрированное в БЦПК и восстановленное в спектрометре .

10 Распеделения по инвариантным массам для нейтральных вторичных вершин ДЛЯ 7Г7Г и 7тр пар.

1 Сечения образования очарованных частиц в протон-нуклонных взаимодей-' ствиях. Кривые - теоретические расчеты по КХД[3], верхние кривые относятся к ц = гас, нижние - к ß = 2mc.

1. Ардашев Е.Н., Кубаровский А.В. и др., Препринт НИИЯФ МГУ 99-27/585.

2. Ермолов П.Ф., Кубаровский А.В., Левицкий М.С., ПТЭ, 1988, V.5, стр. 39.

3. Боголюбский М.Ю., Кубаровский А.В. и др.,Препринт ИФВЭ 97-50. Протвино, 1997

4. Кубаровский А.В. Препринт НИИЯФ МГУ 98-50/551., М.,1998.

5. Ардашев Е.Н., Кубаровский А.В. и др., Препринт НИИЯФ МГУ-99-27/585, М.,1999.

6. The SVD Collaboration "Charm production at 70 GeV/c in proton-proton interactions", Proc. of XXVII Inter. Conf. on High Energy Physics, Glasgow, UK, 1994,p.l029.

7. L. Tikhonova " Studies of charm production at the Serpukhov accelerator; an experimental data review", 8th International Symposium on Heavy Flavour Physics University of Southampton, UK, July 1999.

8. L. Tikhonova "The estimation of the charm production cross section in pp-interaction at 70 Gev/c", XVIII Physics in Collision, Frascati, Italy, June,1998.

9. Mangano M., Nason P., Ridolfi G, Nucl. Phys B405(1993)507.

10. S. Frixione, M.Mangano, P.Nason, G.Ridolf, Preprint CERN-TH/97-16(1997).

11. V.N. Gribov abd L.N.Lipatov, Sov.J.Nucl.Phys.,15(1972)438,675; L.N.Lipatov, Sov.J.Nucl.Phys. 20(1975)95; Yu.L.Dokshiter, Sov.Phys.JETP 46(1977)298.

12. A.D.Martin, W.J.Stirling and R.G.Roberts, Phys.Rev. D50(1994)6734; Phys.Rev. D51(1995) 4765.

13. M.Gluck, E.Reya and A.Vogt, Z.Phys. C53(1992)127. Phys.Lett. B306(1993)391; Z.Phys.C67(1995)433.

14. V.A.Bumaschnov et al., Phys. Lett., v.50B, p.283 (1974).

15. HIGZ-High Level Interface to Graphics and Zebra, CERN Program Library Long Writeup Q120(1993)

16. И.В.Богуславский и др. Препринт ОИЯИ Р1-90-247, 1990.