Экспериментальное исследование адронных распадов Z0 на установке DELPHI на ускорителе LEP CERN и поиск закономерностей в образовании частиц в процессах е + е--ангиниляций и в адронных взаимодействиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

rocti

федерации

i

Присудил ученую степень ДОКТОРА

____наук

ИачяЯКник управления ВАК России

__:_^Хм.ЩЧЛЧ —.................................,.

Уваров Владимир Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДРОННЫХ РАСПАДОВ Z0 НА УСТАНОВКЕ DELPHI НА УСКОРИТЕЛЕ LEP ЦЕРН И ПОИСК ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ОБРАЗОВАНИИ ЧАСТИЦ В ПРОЦЕССАХ е+е~-АННИГИЛЯЦИИ И В АДРОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ

01.04.23 - физика высоких энергий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Протвино 1998

Содержание диссертации

Введение 4

Глава 1. Эксперимент DELPHI на ускорителе LEP 18

1.1 Трековые детекторы ...................................................20

1.2 Идентификация заряженных адронов.........................23

1.3 Электромагнитные и адронный калориметры .......................29

1.4 Идентификация электронов, фотонов и мюонов......................31

1.5 Триггер ........................................32

1.6 Системы сбора данных и реконструкции событий........ . 33

1.7 Моделирование эксперимента..........................................35

Глава 2. Множественности заряженных частиц при адронных распадах Z°-6030Ha 38

2.1 Основные характеристики распределений по множественности заряженных частиц при адронных распадах Z0 и их сравнение с другими данными.............................. 38

2.2 Распределения по множественности заряженных частиц в разных интервалах быстрот и при фиксированном числе струй при адронных распадах Z0............................. 51

2.3 Сравнительный анализ ширины распределений по быстроте, средних множественностей заряженных частиц и их зависимостей от энергии в процессах е+е_-аннигиляции и р±р-столкновениях ... 64

Глава 3. Распределения событий по коллективным переменным и угловые распределения в трехструйных событиях при адронных распадах Z0-бoзoнa

3.1 Распределения событий по коллективным переменным при адронных распадах Z0 и их сравнение с другими е+е~-данными при меньших энергиях............................

3.2 Угловые распределения в трехструйных событиях при адронных распадах Z0 ................................

Глава 4. Образование резонансов при адронных распадах Z0~бoзoнa и экспериментальные закономерности в выходах частиц в про-

цессах е+е~-аннигиляции 86

4.1 Методика определения сечений образования резонансов...... 87

4.2 Инклюзивное образование р°(770)-, /о(980)- и /2(1270)-мезонов при адронных распадах Z0.......................... 100

4.3 Инклюзивное образование странных К*±(892)-, К*°(892)- и (1430)-мезонов и </>(1020)-мезона со скрытой странностью при адронных распадах Z0................................ 113

72

72 80

4.3.1 Инклюзивное образование К*±(892)-мезона..................113

4.3.2 Инклюзивное образование К*°(892)- и </>(1020)-мезонов . . 118

4.3.3 Инклюзивное образование К2°(1430)-мезона..................133

4.4 Матрицы спиновой плотности /(770)-, К*°(892)- и <£(1020)-мезонов при адронных распадах Z0 ..........................138

4.5 Инклюзивное образование Д++(1232)-изобары при адронных распадах Z0 .......... . ........... ............ 152

4.6 Экспериментальные закономерности в выходах частиц в процессах

е+е--аннигиляции ............................ 160

Глава 5. Гипотеза локальной партон-адронной дуальности, когерентность мягких глюонов и экспериментальные импульсные спектры частиц 175

5.1 О систематике в свойствах струй, реконструированных алгоритмами выделения струй ......................... 175

5.2 Импульсные спектры частиц в процессах е+е_-аннигиляции в свете гипотезы локальной партон-адронной дуальности и когерентности мягких глюонов........................... 184

5.2.1 Форма ^-распределения .................... 185

5.2.2 Энергетическая зависимость положения максимума .... 188

5.2.3 Зависимость положения максимума от массы........ 194

5.2.4 ^-спектры и предсказания модифицированного приближения главных логарифмов.................... 198

Заключение 200

Список литературы 206

Приложение 223

Введение

Несмотря на несомненные достижения в квантовой хромодинамике (КХД) — общепризнанной теории сильных взаимодействий, она все еще не в состоянии описать "мягкие" процессы фрагментации (или адронизации) цветных партонов (кварков и глюонов) в наблюдаемые бесцветные адроны. В попытках понять эти процессы в последние десятилетия проведены многочисленные эксперименты, в которых инклюзивное образование частиц исследовалось в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях в широком диапазоне энергий. При отсутствии фундаментальной теории задача этих экспериментов состояла в установлении эмпирических закономерностей в образовании частиц, которые позволили бы создать и отъюстировать феноменологические модели процессов адронизации, постоянно развиваемые по мере накопления новых экспериментальных данных.

Совершенствование таких феноменологических моделей важно не только с теоретической точки зрения, как этап на пути создания фундаментальной теории адронизации, но и практически. Современные экспериментальные установки в физике высоких энергий, особенно на действующих или создаваемых ускорителях на встречных пучках, состоят из многочисленных сложных детекторов и характеризуются отнюдь не идеальными аксептансом и эффективностями в регистрации частиц. Достаточно, например, упомянуть о "мертвых зонах" вдоль направления сталкивающихся пучков на коллайдерах. Поэтому восстановление сечений и тех или иных распределений из полученных "сырых" экспериментальных данных возможно только путем их корректировки с помощью сложнейших компьютерных программ моделирования установок. От качества этих программ, включающих в себя те или иные феноменологические модели, описывающие процессы образования частиц в конечных состояниях в исследуемых реакциях, от их способности как можно более детального воспроизводства данных зависит степень достоверности полученных поправленных данных.

К концу восьмидесятых годов большинство экспериментов по изучению инклюзивного образования частиц было проведено на ускорителях протонов. Широкий диапазон энергий в системе центра инерции (с.ц.и.), от нескольких ГэВ до сотен ГэВ в р±р-реакциях, эксперименты в пучках различных частиц, тоже в достаточно широком диапазоне энергий, позволили накопить обширный материал о механизмах и динамике образования частиц в адронных реакциях, выявить роль валентных кварков сталкивающихся частиц в этих процессах. Некоторые из результатов таких исследований в К+р- и 7г+р-экспериментах, проведенных с участием автора, будут фрагментарно затронуты и в настоящей диссертации.

Разработанные для описания адронных реакций феноменологические кварк-партонные модели позволили воспроизвести многие закономерности как в выходах частиц, так и в их инклюзивных распределениях (см., например, [1]-[6] и приведенные там ссылки). Использование для интерпретации экспериментальных данных разработанного Фейнманом партонного подхода [7] позволило существенно продвинуться, по крайней мере, в качественном объяснении многих зако-

номерностей в образовании частиц в адронных реакциях. Достигнутый прогресс особенно очевиден по сравнению с ситуацией, существовавшей в шестидесятые и начале семидесятых годов, когда для интерпретации данных использовалась модель полюсов Редже.

Конечно, значительно более удобным полем деятельности для изучения процессов фрагментации партонов в адроны, по сравнению с адронными реакциями, являются процессы образования частиц в е+е~-аннигиляции. Процесс е+е~ —> qq с очень высокой точностью описывается современной версией электрослабой теории — так называемой стандартной моделью, а последующее развитие кварк-глюонного каскада неплохо воспроизводится КХД (о современной ситуации с экспериментальной проверкой КХД смотри, например, [8]-[11]). Таким образом, в е+ е~-аннигиляции не описывается теорией только последняя фаза этого процесса — превращение партонов пертурбативной (относящейся к теории возмущения) КХД в реально наблюдаемые в эксперименте частицы, т. е. фрагментация или адронизация. Хорошо известной и очень популярной попыткой обойти эту проблему является так называемая гипотеза локальной партон-адронной дуальности (ЛПАД) [12], фактически констатирующая неспособность КХД на сегодня решить эту проблему и просто предполагающая, что характеристики адронов в среднем воспроизводят (с некоторым, вообще говоря, неизвестным нормировочным коэффициентом) характеристики партонов на последней стадии эволюции кварк-глюонного каскада КХД. Гипотеза ЛПАД действительно оказалась полезной для описания некоторых явлений в процессах е+е~-аннигиляции в адроны, таких, например, как эффекта струны (см. [13] и приведенные там ссылки) и, может быть, эффекта когерентного излучения мягких глюонов [14]. Однако и в этих случаях отнюдь не все проблемы еще полностью решены (подробности см. в главе 5 настоящей диссертации). В большинстве же других случаев, таких, например, как определение выходов частиц или их фрагментационных функций, гипотеза ЛПАД оказывается беспомощной. Так что и в процессах е+е~-аннигиляции поиск закономерностей в образовании адронов все еще остается актуальной задачей экспериментальной физики. Но и здесь положение к концу восьмидесятых годов выглядело не блестящим из-за достаточно ограниченной статистики выполненных к тому времени е+е~-экспериментов и сравнительно небольшого интервала доступных энергий.

Ситуация изменилась в лучшую сторону после запуска в 1989 г. в ЦЕРН нового ускорителя LEP со встречными пучками электронов и позитронов. Новая область энергий и высокая светимость LEP, большая скорость набора данных и улучшенные, по сравнению с предшествовавшими экспериментами, возможности в регистрации частиц в четырех экспериментальных установках (ALEPH, DELPHI, L3 и OPAL), наконец, чистое, хорошо определенное начальное состояние е+е~-аннигиляции (Z°-6o3oh) сделали LEP 1 идеальным инструментом для детального исследования конечных адронных состояний и попыток описания адронных распадов Z°-6030Ha феноменологическими моделями, построенными на базе

кхд.

Институт Физики Высоких Энергий (ИФВЭ) в Протвино принял активное участие в эксперименте DELPHI, включая проработку его концепции, разработку и создание установки. В ИФВЭ создан передний мюонный годоскоп (HOF), проведена основная работа по разработке и созданию прецизионного детектора светимости — электромагнитного калориметра в области малых углов (STIC) и, совместно с ОИЯИ, сооружены структуированное ярмо магнита и адронный калориметр (HCAL). Группа ИФВЭ в DELPHI много сделала для создания, развития и поддержания базового on-line и off-line программного обеспечения ЭВМ (включая такие его основные элементы, как создание базы данных и лент суммарных результатов), для успешного проведения эксперимента на ускорителе LEP 1 в 1989 - 1995 гг., в ходе которого зарегистрировано около 4,5 миллионов распадов Z°-6030Ha, внесла серьезный вклад в обширную и разнообразную программу исследований по физике.

Целью диссертационной работы является представление результатов экспериментальных исследований характеристик инклюзивного образования частиц и резонансов при адронных распадах Z°-6030Ha, полученных автором в эксперименте DELPHI на ускорителе LEP [15]-[26], и результатов поиска закономерностей в образовании частиц и их сопоставления в процессах е+ е~-аннигиляции и в адронных реакциях, также полученных автором [27]-[34]. В диссертации также фрагментарно (из-за ограничений на объем) представлены некоторые из результатов, полученных автором в К+р-эксперименте при 32 ГэВ/с на пузырьковой камере Мирабель в ИФВЭ [35, 36] и в К+р- и 7г+р-экспериментах при 250 ГэВ/с на Европейском Гибридном Спектрометре (ЕГС) в ЦЕРН [37]-[42].

Актуальность и научная новизна затронутых в диссертации проблем определяются, прежде всего, получением основанных на большой статистике результатов исследований адронных распадов Z0-6o3OHa в эксперименте DELPHI на ускорителе LEP в ЦЕРН [15]-[26].

В работах по исследованию характеристик множественного образования заряженных частиц в е+е~-столкновениях [16]-[21], в отличие от результатов, полученных в р±р-реакциях, обнаружено выполнение KNO-скейлинга [43] в широком диапазоне энергий от 14 - 22 до 91 ГэВ, проявляющегося в независимости от энергии отношения (nch)/D (средней множественности заряженных частиц к дисперсии) и более высоких нормированных моментов распределения по множественности. Впервые в е+е~-реакциях получены и проанализированы распределения по множественности заряженных частиц в ограниченных интервалах быстрот и для событий с фиксированным числом струй. Показано, что обнаруженная структура (плечо) в распределениях по множественности в центральных интервалах быстрот связана с наложением распределений для двухструйных событий с относительно небольшими множественностями и для трех- и четырехструйных событий с большими множественностями.

Во второй с начала эксперимента работе DELPHI [15] по измерению распре-

делений по таким переменным, как траст, сферисити и т. д., характеризующим общую форму адронного события в целом, сделан первый важный шаг на пути к дальнейшему использованию этих переменных для точной юстировки фрагментационных моделей и для измерения энергетической зависимости константы связи сильных взаимодействий as.

Исследование угловых ориентаций струй в трехструйных адронных событиях [22], в результате которого было получено хорошее согласие экспериментальных распределений с предсказаниями КХД, позволило исключить теорию со скалярным глюоном.

Применение разработанной автором для экспериментов на камере Мирабель и на ЕГС методики определения сечений образования (выходов) резонансов (см. [35]-[42] и приведенные там ссылки) и ее развитие для существенно более сложных условий эксперимента DELPHI (с использованием корректных процедур учета несовершенства установки и остаточных корреляций Бозе - Эйнштейна) позволили измерить полные выходы и дифференциальные сечения нескольких ме-зонных резонансов и А++(1232)-изобары при адронных распадах Z0 [23]-[25]. При этом выходы таких векторных мезонов, как К*±(892), К*°(892), /(770) и <£(1020), даже не на полной статистике DELPHI, определены с намного лучшей точностью, чем это было сделано в е+е~-экспериментах при меньших энергиях. Характеристики образования /(770)-, /о(980)- и /2(1270)-мезонов были получены в DELPHI впервые среди четырех экспериментов на LEP. До получения результатов по инклюзивному образованию Д++(1232)-изобары в экспериментах DELPHI и OPAL аналогичное исследование было проведено незадолго до этого только в эксперименте ARGUS. Установление одинаковой формы инклюзивных жр-распределений (т. е. дифференциальных сечений (1 /сгд) • da¡dxp, где хр = 2 p/y/s, a a h — сечение реакции е+е~ —У hadrons) для /(770)- и /О(980)-мезонов в эксперименте DELPHI [23] поставило под сомнение предположение [44, 45] об особой роли /О(980)-мезона в динамике конфайнмента кварков. Обнаружение достаточно больших сечений образования тензорных мезонов сделало необходимым их включение в популярные феноменологические модели, претендующие на описание адронных распадов Z0, хотя в этих моделях и не удалось до настоящего времени преодолеть проблем, связанных с троекратно большим выходом Д++(1232)-изобары и вдвое большим выходом К2(1430)-мезонов, чем это следует из измерений DELPHI [24, 25].

В диссертации представлены результаты измерения матриц спиновой плотности /(770)-, К*°(892)~ и <£(1020)-мезонов в системе спиральности [26], полученные на полной статистике, накопленной DELPHI на LEP 1. Вместе с результатом OPAL для самых энергичных <£(1020)-мезонов [46] — это первое измерение матриц спиновой плотности векторных мезонов в е+е~ -столкновениях. В результате этого исследования обнаружена заметная выстроенность спинов этих векторных мезонов с предпочтительной спиральностью А = 0, когда они образуются при фрагментации первичных кварков в процессах Z° —у qq. Впервые проведено сравнение выстроенностей спинов векторных мезонов в е+е~ -аннигиляции и в

адронных реакциях К+р -»• К*°(892) +1итг+рЧ р°(770) + X при 250 ГэВ/с, также исследованных автором диссертации в эксперименте на ЕГС [42]. Оно показало наличие качественно одинаковой — поперечной — выстроенности спинов К*°(892)- и /5° (770) -мезонов, образующихся в области фрагментации первичных кварков в процессах е+е~-аннигиляции и в области фрагментации валентных кварков налетающих мезонов в адронных реакциях.

К числу актуальных результатов диссертации следует отнести и установление нескольких достаточно общих закономерностей в образовании адронов в е+ е~-аннигиляции и в адронных реакциях.

Экспериментальное обнаружение сравнительно больших сечений образования барионов, а также приблизительного подобия форм инклюзивных распределений мезонов и барионов в реакциях при больших энергиях часто приписывается исследованиям, выполненным в е+е~-экспериментах на ускорителе РЕР. В действительности, этот вывод был впервые сделан в К+р-эксперименте на камере Мирабель при сравнении характеристик инклюзивного образования странных Л- и Ё±(1385)-антибарионов и странных Кд- и К*(892)-мезонов [36]. Близкие по форме инклюзивные спектры этих частиц (несмотря на некоторые их отличия, обусловленные ограничениями