Экспериментальное изучение процессов е + е- →е + е- γ , е + е- →е + е- γγ и конверсионных распадов φ → η е + е- , η →е + е- γ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

2 Детектор и эксперимент

2.1 Ускорительный комплекс ВЭПП-2М.

2.2 Детектор СНД.

2.2.1 Калориметр.

2.2.2 Трековая система.

2.2.3 Мюонная система.

2.2.4 Система сбора данных.

2.2.5 Первичный триггер.

2.3 Программирование первичного триггера.

2.4 Вычисление элементов первичного триггера при обработке данных.

3 Контроль детектора СНД

3.1 Общая организация программ контроля детектора

3.2 Контроль анодной части дрейфовой камеры.

3.3 Контроль за катодных полосок дрейфовой камеры.

4 Процессы КЭД е+е~ -» е+е~7 и е+е~ —> е+е~77.

4.1 Описание процессов е+е~ е+е~7 и е+е~ —» е+е~77 в квантовой электродинамике.

4.2 Начальный отбор событий

4.3 Экспериментальное изучение процесса е+е~ —> е+е~

4.4 Экспериментальное изучение процесса е+е~ —е+е~гуу

4.5 Обсуждение результатов.

5 Конверсионные распады ф —> 7)е+е~ л 7] —>

5.1 Теоретическое описание конверсионных распадов

5.2 Фон от конверсии фотонов на веществе перед дрейфовой камеры

5.3 Измерение вероятностей конверсионных распадов.

5.4 Изучение переходных электромагнитных формфакторов

5.5 Обсуждение результатов.

Эксперименты на встречных электрон-цозитронных пучках, благодаря высокой монохроматичности пучков, стабильности энергии и низкому уровню фона, являются наиболее подходящим методом для изучения распадов легких векторных мезонов р, ш) ф. В течении длительного времени единственной электрон-позитронной машиной, работающей в области низких энергий, являлся е+е~-коллайдер ВЭПП-2М[1, 2] в Новосибирске с предельной энергией 2Е = 1.4 ГэВ и светимостью ~ 10зосм~2с-1 при энергии 2Е > 1 ГэВ. Хотя основные каналы распадов легких векторных мезонов были измерены со сравнительно высокой точностью [3] до начала экспериментов с детекторами СНД и КМД-2, редкие моды распадов легких векторных мезонов были изучены еще недостаточно. Например, в эксперименте с детектором НД наблюдалось всего 5 событий распада ф —> г]е+е~ и его вероятность была измерена с 50%-ной точностью.

С началом экспериментов с детекторами СНД [4] и КМД-2 [5] на комплексе ВЭПП-2М появилась возможность увеличить экспериментальную статистику и повысить точность результатов, которая обеспечивается более высокой светимостью и усовершенствованной, по сравнению с предыдущим поколением экспериментов, конструкцией детекторов, обеспечивающей улучшенные характеристики, такие как телесный угол, энергетическое и угловое разрешения. Недавно начала работать ф-фабрика БАФКЕ [6, 7] в Национальной Лаборатории Фраскати в Италии. Начавшиеся эксперименты с детектором КЬОЕ [8] на БАФИЕ также позволят повысить статистику распадов ф мезона.

Кроме распадов легких мезонов в области энергии ВЭПП-2М представляют интерес нерезонансные процессы е+е~ аннигиляции в адроны и процессы квантовой электродинамики. Процессы квантовой электродинамики (КЭД) занимают важное место в экспериментах на встречных е+е~ пучках. КЭД является уникальной теорией, с высокой точностью описывающей широкий круг физических явлений с участием электронов, позитронов и фотонов. Процессы низшего порядка ~ а2, например, е+е~ —е+е~ и е+е~ —» 77, изучены с высокой точностью < 1% и используются, в частности, для измерения интегральной светимости при проведении экспериментов на е+е~ коллайдерах. Важность изучения неупругих процессов квантовой электродинамики, таких как е+е~ —>• е+е~7 и е+е~ -> е+е~77, несомненна, так как они являются процессами более высокого порядка. Кроме того, они часто представляют собой источник фона, который надо учитывать при анализе других процессов. Эксперименты на встречных пучках являются одним из методов проверки КЭД, поскольку сечения и дифференциальные распределения для процессов могут быть точно вычислены и экспериментально измерены. Если для проверки границы применимости КЭД на малых расстояниях нужны ускорители с максимально высокими энергиями, то для изучения структуры процессов высоких порядков (например, а3, о;4) удобно использовать установки с энергией ~ 1ГэВ, поскольку сечения процессов с вылетом частиц на большой угол с ростом энергии, как правило, падают как (2Е)~2, где 2Е - энергия в системе центра масс.

В данной работе изучались процессы е+е~ е+е~7 и е+е~ -» е+е~77 в области энергий 2Е =980-1040 МэВ. Были измерены сечения этих процессов и проведено сравнение с теорией различных энергетических и угловых распределений и спектров инвариантных масс конечных частиц. Статистика некоторых предыдущих экспериментов и полученная в данной работе по изучению этих процессов приведена в таблице 1.

В этой работе также было проведено исследование конверсионных распадов ф и г) мезонов. Изучение радиационных распадов векторных (V) и псевдоскалярных (Р) мезонов (V —> Р7 и Р —> К7) делает возможным проверку кварковой модели, 811(3) симметрии и модели векторной доми

Эксперимент Ес.т.(ГэВ) N. событий е+е~ е+е~7

ОЛЯ[9] 0.6-1.4 1983

ADONE(WAD)[lû] 1.9-2.9 99

CELLO[ll] 14-46.8 934

JADE [12] 34.4 3227

СНД (эта работа) 0.98-1.04 73692 е+е~77

НД[13] 0.6-1.4 223

JADE[12] 34.4 176

СНД (эта работа) 0.98-1.04 649

Таблица 1: Число наблюдавшихся событий в некоторых экспериментах по изучению процессов е+е~ —» е+е7 и е+е~ —У е+е~"/1нантности (УБМ) [14]. Наряду с этими распадами существуют родственные процессы с виртуальным фотоном 7*, который переходит в лептонную пару 7* 1+1~ : V —)■ Р1+1~, или Р -»■ У1+1~, где I - электрон или мюон. Эти процессы называются конверсионными или далитц-распадами. В них вероятность испускания виртуального фотона с 4-импульсом определяется структурой электромагнитного перехода У-Р: которая описывается соответствующим электромагнитным переходным формфактором В данной работе рассматривались распады, в которых виртуальный фотон переходит в е+е~-пару. Следует отметить, что влияние переходного форм-фактора проявляется, в основном, в жесткой части спектра инвариантных масс е+е~-пар, тогда как полная вероятность распада определяется областью малых масс </2 ~ 4т2 (т — масса электрона), где отличие переходного формфактора от единицы пренебрежимо мало. По порядку величины вероятность конверсионного распада составляет ~ Ю-2 от соответствующего радиационного распада.

Среди конверсионных распадов легких мезонов в настоящее время лучше всего изучен распад 7Г° —> е+е~7. Вероятность этого распада и наклон формфактора хорошо согласуются с предсказаниями УБМ. В данной работе исследовались конверсионные распады ф —>• 7]е+е~, г] —> 27 и Ф ТЬ V е+е~7, имеющие конечное состояние е+е~77. Были измерены вероятности этих распадов, а также получены зависимости переходных формфакторов от инвариантной массы е+е~-пары и определены их наклоны. Распад ф —>• г\е+е~ впервые наблюдался в эксперименте с детектором НД [15] на ВЭПП-2М, а распад 77 —е+е~7 — в эксперименте с пузырьковой камерой [48]. Вероятности изучаемых процессов были также недавно измерены на детекторе КМД-2 с точностью ~ 20% [16]. Значения вероятностей этих распадов, полученные в данной работе, согласуются в пределах двух стандартных отклонений с результатами КМД-2. Спектр масс е+е~-пары и переходный формфактор были измерены в Резерфордовской Лаборатории [17] для распада т/ —е+е~7, причем измеренная величина наклона формфактора отличается от предсказания УБМ на два стандартных отклонения и имеет противоположный знак. Величина наклона, полученная в данной работе, согласуется с расчетом УБМ и, из-за большой статистической ошибки, не противоречит предыдущему измерению.

Основное содержание работы изложено в работах [18, 4,19, 20, 21, 22, 23, 24]. Материалы диссертации докладывались на международном рабочем совещании по е+е~ столкновениям от ф до 7/Ф в Новосибирске в 1999 году [25], на семинарах экспериментальных лабораторий ИЯФ СО РАН и опубликованы в физических журналах и препринтах ИЯФ.

Основные результаты данной работы суммированы в табл.9, из которой видно, что измеренные вероятности распадов ф —У г]е+е~ и 77 —> е+е~7 в

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 О,

0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0. а о 14,

----------- □ ^ ( > т? Р [ 1 т! 3

100

200

300

400

500 Мее(МеУ) зо

25 20 15 10 5 0. Ь о N¡5 1ЧЬ < >

I 1 1 .

1 о 1 1 О

100

200

300

400 500

М (МеУ) ее

- с 1 ' 1 >

1 Г т О

100

200

300

400 500

Мер (МеУ) ш0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0. 1 . т

- г

1 1

I

100

200

300

400 500

М(МеУ)

Рис. 34: а) зависимости № и Иъ от инвариантной массы е+е~-пары для процесса ф —> г}е+е~\ Ь) тоже самое для процесса г] —> е+е~7; с) зависимость эффективности регистрации от инвариантной массы е+е~-пары для процесса ф —> г]е+е~; (!) тоже самое для процесса г) —» е+е 7. пределах двух стандартных отклонений согласуются как с расчетом, так и с предыдущим экспериментом[16]. Систематическая ошибка наших измерений в 1.3 раза ниже, чем в эксперименте КМД-2[16]. Вследствие этого, несмотря на большую статистическую ошибку, наши результаты для вероятностей распадов имеют такую же суммарную точность.

Наклон формфактора Ьф^ в распаде ф —> г)е+е~ был измерен впервые. Хотя величина наклона ЪфП = 3.8 =Ь 1.8ГэВ~2 превышает расчетное значение, но из-за большой статистической ошибки явного противоречия с \Т)М нет.

Измерение наклона формфактора Ьп в распаде 77 —> е+е~гу дает резуль

Настоящая Теоретическое другие работа предсказание эксперименты

В(ф ->• г]е+е~) 1.19 ±0.19 1.04 1.01 ±0.14

•ю-4) ±0.12 ±0.15[16]

В(т) -> 7е+е~) 5.15 ±0.62 6.3 6.85 ±0.60

•ю-3) ±0.74 ±1.00[16]

Ьфг,, ГэВ~2 3.8 ±1.8 1.0 —

Ъп, ГэВ-2 1.6 ±2.0 1.8 -0.7 ± 1.5 [17]

6 Заключение

В представленной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработана система программ для работы с первичным триггером в системе сбора данных. Эта программа позволяет создавать и редактировать конфигурацию триггера, сохранять ее на диске в виде файла, а также заносить всю информацию в блоки электроники первичного триггера.

2. Разработана система программ для вычисления аргументов и масок первичного триггера при обработке экспериментальных данных и моделированных событий.

3. Создано программное обеспечение для контроля состояния детектора по экспериментальным событиям. Написаны программы контроля анодной части и катодных полосок дрейфовых камер.

4. Экспериментально изучены процессы квантовой электродинамики е+е~ —> е+е~7 и е+е~ —»• е+е~77. Измерены сечения этих процессов, проведено сравнение энергетических и угловых распределений и спектров инвариантных масс с теоретическими предсказаниями. Наблюдается хорошее согласие между измерениями и квантовоэлектро-динамическим расчетом.

5. На основе процесса е+е~ е+е~7 была изучена конверсия фотонов на веществе перед дрейфовой камерой. Проведено сравнение с моделированием этого процесса. Показано что моделирование конверсии фотона на веществе согласуется с экспериментальными данными и может быть использовано при анализе других процессов с рождением фотонов.

-806. Измерены вероятности конверсионных распадов ф —> г]е+е~ и 77 —>• е+е~7. Для обоих распадов получены зависимости формфакторов от инвариантной массы е+е~-пары. Впервые измерен наклон формфак-тора Ьфг! в распаде ф —г]е+е~. Измерен наклон формфактора Ъц в распаде 77 —е+е~у.

В заключение я хочу выразить признательность всем своим коллегам, принимавшим участие в создании детектора СНД и в проведении экспериментов, за совместную работу, Ю.М.Шатунову и всем сотрудникам группы ВЭПП-2М, которые обеспечили работу накопителя. Я благодарна своему научному руководителю В.Б.Голубеву за постоянное внимание и руководство работой. Хочется выразить глубокую благодарность С.И.Середнякову за поставленные задачи и постоянное внимание и поддержку данной работы. Я хочу поблагодарить своего отца В.Н.Байера за полезные обсуждения и всю семью за многолетнюю поддержку.

1. A.N.Skrinsky. VEPP-2M status and prospects and ^-factory project at Novosibirsk // Proc. of Workshop on physics and detectors for DA<£>NE 95, INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, 1995. Frascati physics series. v.IV, p.3.

2. Г.М.Тумайкин, Электрон-позитронный накопитель с высокой светимость ВЭПП-2М. Труды 10-ой международной конференции по ускорителям заряженных частиц высокой энергии, Серпухов, 1977, v.l, с.443.

3. C.Caso, G. Conforto, A. Gurtu et al, Review of particle physics. Particle Data Group. Eur. Phys. J. 1998, v.C3, p.775.

4. M.N.Achasov,V.M.Aulchenko, S.E.Baru et al, Spherical Neutral Detector for VEPP-2M collider. Nucl. Inst, and Meth. V.A449, vol. 1-2, p.125.

5. E.V.Anashkin, V.M.Aulchenko, S.E.Baru et al, General Purpose Cryogenic Magnetic Detektor CMD-2 for Experiments at The VEPP-2M Collider, ICFA Instrumentation Bulletin, 1988, v.5, p. 18.

6. G.Vignola. Status report on DA<i>NE. Proc. of Workshop on physics and detectors for DA<i>NE 95, INFN Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, 1995. Frascati physics series, v.IV, p.19.

7. J.Lee-Franzini. Status of DA<£NE and KLOE. The second DA<i>NE physics handbook, INFN Laboratory Nazionali di Frascati, 1995, v.II, p.761.

8. J. Lee-Franzini. Status report on KLOE. Proc. of Workshop on Phys. and Detec. for DA<£NE, Frascati, 1995, v.IV p. 31.

9. A.D.Bukin, L.M.Kurdadze, M.Yu.Lelchuk et al, Investigation of the process E+ Е- -> E+ E- GAMMA in the energy region 0.64 GEV 1.40 GeV. Ядерная Физика, 1982, т.35, с. 1444.

10. C.Bacci, R.Baldini-Celio, G.Capon et al, Electron positron bremsstrahlung at ADONE: a new limit for the existence of a heavy electron. Phys.Lett. 1977, V.B71, p.227.

11. H.-J.Behrend, J.Burger, L.Criegee et al, An investigation of the processes e+e~~ ¡jl+ii~7 and e+e~ -4 e+e~7, Phys.Lett. 1985, V.B158, p.536.

12. B.Naroska, e+e~ physics with the JADE detectorat PETRA, Phys.Rep. 1987, v.148, p.67.

13. S.I.Dolinsky, V.P.Druzhinin, M.S.Dubrovin et al, Summary of experiments with the Neutral Detector at e+e~ storage ring VEPP-2M., Phys.Rep. 1991, v.202, p.99.

14. P.J.O'Donnell, Radiative decays of mesons, Rev.Mod.Phys. 1981, 53, p. 673.

15. V.P.Druzhinin, M.S.Dubrovin, S.I.Eidelman et al., Receny results of experiments with the Neutral Detector at VEPP-2M, Preprint BINP 84-93, Novosibirsk, 1984.

16. A.I.Milstein et al, Status of experiments and recent results from CMD-2 detector at VEPP-2M, hep-ex/0001049 (2000).

17. M.R.Jane, P.Grannis, B.D.Jones et al, A measurement of the electromagnetic form factor of the eta meson and of the branching ratio for the eta dalitz decay, Phys.Lett. 1975, v.B59, p.103.

18. D.A.Bukin, T.V.Dimova, V.P.Druzhinin et al, Data acquisition system of SND experiment. Proc. of the International conference on computing in high energy physics, Berlin, 1997.

19. V.M.Aulchenko, M.N.Achasov, T.V.Baier et al, Beginning of the experiments with SND detector at e+e" collider VEPP-2M. Preprint BINP 95-56, Novosibirsk, 1995.

20. M.N.Achasov, M.G.Beck, P.M.Beschastnov et al, Status of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk. Preprint BINP 96-47, Novosibirsk, 1996.

21. M.N.Achasov, M.G.Beck, K.I.Beloborodov et al, First physical results from SND detector at VEPP-2M, Preprint BINP 97-78, Novosibirsk, 1997.

22. M.N.Achasov, V.M.Aulchenko, S.E.Baru et al, Experiments at VEPP-2M with SND detector, Preprint BINP 98-65, Novosibirsk, 1998.

23. M.N.Achasov, S.E.Baru, A.Y.Bozhenok, et al, Study of the QED processes e+e~ e+e~7, e+e~77 with the SND detector at VEPP-2M. Eur.Phys.J. 2000, v.C12, pp.369-374.

24. В.М.Аульченко, М.Н.Ачасов, К.И.Белобородов и др., Изучение конверсионных распадов ф —ь г)е+е~ и rj —> е+е~7 в эксперименте с детектором СНД на е+е~-коллайдере ВЭПП-2М. Препринт ИЯФ 00-60, Новосибирск, 2000.

25. M.N.Achasov, S.E.Baru, A.V.Bozhenok et al, Study of QED processes e+e~ e+e~7, e+e~77 with SND detector at VEPP-2M. Proc. of The Inter. Workshop on e+e~ Collis. from ф to J/ф, Novosibirsk, BINP, p.199.

26. В.В.Анашин, И.Б.Васерман, В.Г.Вещеревич и др., Электрон-позитронный накопитель-охладитель БЭП. Препринт ИЯФ 84-114, Новособирск, 1984.

27. Рабочие материалы, Накопительное кольцо БЭП, Препринт ИЯФ 8398, Новособирск, 1983.

28. M.N.Achasov, A.D.Bukin, D.A.Bukin et al., Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using cosmic muons. Nucl. Instr. and Meth. 1997, V.A401, p.179.

29. M.N.Achasov, D.A.Bukin, T.V.Dimova et al., Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using e+e~ —e+e~ events. Nucl. Instr. and Meth. 1998, V.A411, p.337.

30. D.A.Bukin, V.P.Druzhinin, V.B.Golubev, S.I.Serednyakov. Scintillation counter with WLS readout. // Nucl. Instr. and Meth. 1996, V.A384, p.360.

31. D.A.Bukin, T.V.Dimova, V.P.Druzhinin et al, The SND calorimeter first level trigger, Proc. of the Sixth international conference on instrumentation for experiments at e+e- colliders, Novosibirsk, 1996, Nucl Instr and Meth. 1996. V.A379, n.3., p.545.

32. Д.А.Букин, Ю.С.Великжанин, В.Б.Голубев et al, Первичный триггер детектора СНД на ВЭПП-2М. Препринт ИЯФ 98-29, Новосибирск, 1998.

33. Д.А.Букин, Ю.С.Великжанин, Т.В.Димова et al., Логика трека (трековый процессор) для СНД. Препринт ИЯФ 98-15, Новосибирск, 1998.

34. V.M.Aulchenko, B.O.Baibusinov, S.E.Baru et al, Data acquisition systems and triggers for the detectors in INP, Nucl. Instr. Meth. 1998, A409, p.639.

35. В.Н.Иванченко. СОСНА пакет программ для структурирования экспериментальных данных. Препринт ИЯФ 94-25, Новосибирск, 1994.

36. А.А.Король. Архив экспериментальных данных. Препринт ИЯФ 9462, Новосибирск, 1994.

37. I.A.Gaponenko, A.A.Salnikov. Information management system for SND experiment. Preprint BINP 98-39, Novosibirsk, 1998.

38. А.Д.Букин, В.Н.Иванченко. Гистограммная программа GIST. Препринт ИЯФ 93-81, Новосибирск, 1993.

39. С. Boissat, W. Bozzoli, P. Burkimsher, et al, MODEL: a software suite for Data Aquisition, Comput.Phys.Commun. 1989, v.57, p.343.

40. В.М.Аульченко, Б.О.Байбусинов, В.М.Титов, Информационные платы ТП, Т и Т2А системы сбора данных КЛЮКВА, Препринт ИЯФ 88-22, Новосибирск, 1988.

41. V.N.Baier, E.A.Kuraev, V.S.Fadin, V.A.Khoze, Inelastic processes in quantum electrodynamics at high-energies. Phys. Rep. 1981, v.78, p.293.

42. A.B.Arbuzov, E.A.Kuraev, B.G.Shaikhatdenov, Violation of the factorization theorem in large angle radiative bhabha scattering, J.Exp.Theor.Phys. 1999, v.88, p.213.

43. F.A.Berends, R.Kleiss, P.De Causmaecker, et al, Multiple bremsstrahlung in gauge theories at high-energies. 2. Single bremsstrahlung, Nucl.Phys. 1982, V.B206, p.61.

44. E.A.Kuraev, A.N.Peryshkin, The processes e+e~ ¿£+^~77 and e+e~ —»• e+e~77 with emission of particles at large angles in the limit of high energies. Ядерная Физика 1985, т.42, с.1195.

45. L.G.Landsberg, Electromagnetic decays of light mesons, Phys.Rep 1985, v.128, p.301.

46. В.М.Буднев, В.А.Карнаков, Распад ?/-мезона на ув модели векторной доминантности, Письма ЖЭТФ 1979, т.29, с.439.

47. Н.Н.Ачасов, А.А.Кожевников, Редкие распады ^»-мезона, запрещенные по OZI и G-четности. Ядерная физика 1992, т.55, с.809.

48. A.Kotlewski, Measurement of the eta form factor in eta —> e+ e- gamma and search for eta —> e+ e- piO. Preprint Columbia University, NEVIS-201, New York, 1973.

49. В.Н.Байер, В.М.Катков, В.С.Фадин, "Излучение Релятивистских электронов", Москва, Атомиздат, 1973г.