Экспериментальные исследования редких распадов заряженных каонов и феноменологический анализ множественных процессов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

]И

ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

в ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

э

НЕР1

2013-12

На правах рукописи

Чикилев Олег Гаврилович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ РАСПАДОВ ЗАРЯЖЕННЫХ КАОНОВ И ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МНОЖЕСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

01.04.23 — физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 г сен гам

Протвино 2013 005533046

005533046

УДК 539.1.07

М-24

Научный консультант - доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН РФ В.Ф. Образцов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А.К. Лиходед (ОТФ, ИФВЭ), доктор физико-математических наук Л.Н. Смирнова (НИИЯФ МГУ, г. Москва), доктор физико-математических наук В.Н. Ройнишвили (ЛВЭ, ОИЯИ, г. Дубна).

Ведущая организация - Лаборатория Ядерных Проблем Объединенного Института Ядерных Исследований (г. Дубнаа).

Защита диссертации состоится "_"_2013 г.

в-часов на заседании диссертационного совета К 034.02.01

при Институте физики высоких энергий по адресу: 142281, Протвино Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_" _2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 034.02.01 Ю.Г. Рябов

© Государственный научный центр Российской Федерации Институт физики высоких энергий, 2013

Целью диссертационной работы является представление результатов экспериментальных исследованих редких распадов заряженных каонов, полученных автором в эксперименте ИСТРА на ускорителе ИФВЭ [1-3] и феноменологического анализа множественного образования частиц [4-21].

Актуальность и научная новизна затронутых в диссертации проблем заключаются в следующем:

Исследования редких распадов открывают возможность проверки ряда предсказаний Стандартной Модели, уточнения матрицы кваркового смешивания, поисков новых типов взаимодействий и новых очень тяжёлых калибровочных бозонов, которые могут приводить к нарушениям Стандартной Модели (несохранению лептонных зарядов, появлению правых токов и другим отступлениям от V —А теории и т.д.). Массы этих новых бозонов могут быть столь велики, что они не будут рождаться даже на суперколлайдерах следующих поколений. В этом случае они могут быть обнаружены только косвенным образом при наблюдении редких аномальных распадов и новых типов слабых взаимодействий. Поэтому поиски таких явлений являются одной из самых фундаментальных проблем физики элементарных частиц.

Распады каонов представляют собой прекрасную лабораторию ля исследования также сильных взаимодействий в наиболее чи-

стых условиях, что открывает широкие перспективы для изучения КХД-эффектов, киральных пертурбативных моделей и других теорий, связанных с сильными взаимодействиями. Значение этого направления трудно переоценить из-за его связи с фундаментальной концепцией конфайнмента.

В диссертации представлено первое наблюдение радиационного распада каона К~ -» Измерены парциальные ширины рас-

пада, согласующиеся с теоретическими предсказаниями. Измеренная асимметрия в угловом распределении отличается на два стандартных отклонения от предсказания киральных моделей.

В диссертации приведены результаты поиска легкого псевдоскалярного сголдстино в трехчастичном распаде

к- —> 7г 7г°Р. Сигнала образования сголдстино не обнаружено. Получены верхние границы на вероятность распада, ~ 10~5 в интервале эффективнык масс тР от 0 до 200 МэВ. Интерес к подобным поискам связан и с недавним наблюдением узкого димюонного сигнала Сотрудничеством НурегСР в распаде Е+ -> рц+уГ в районе 214 МэВ.

На установке ИСТРА-Ь были проведены пучковые испытания прототипа мюонной вето системы (МВС), предназначенной для подавления мюонного фона при исследованиях ультраредкого распада К+ тг+иТ>. В диссертации прдставлены результаты анализа данных испытаний. Измеренные уровни подавления мюона ~ 6.0 х 10~б удовлетворяют требованиям эксперимента.

В диссертации также представлен феноменологический анализ множественных процессов. Актуальность такого анализа связана с отсутствием теорий сильных взаимодействий, дающих прямые предсказания для эксперимента, а существующие Монта-Карло модели имеют очень большое число юстируемых параметров.

Проведён феноменологический анализ распределений по множественности в широком диапазоне энергий. Для процессов е+е~ аннигиляции в адроны и лептон-нуклонного рассеяния получено хорошее описание модифицированным отрицательным биномиальным распределением. Для мезон-протонных и протон(антипротон)-протонных взаимодействий получено хорошее описание с помощью

суммы Пуассоно-подобных распределений.

При исследовании тг+р, К+р и рр-взаимодействий в эксперименте НА22 на Европейском Гибридном Спектрометре (ЕГС) показано, что максимальная плотность заряженных частиц в заданном интервале быстрот линейно растет с ростом множественности, не зависит от типа пучковой частицы и практически не зависит от энергии, Обнаружено аномальное тг+р-событие с 10 заряженными частицами внутри очень узкого интервала быстрот.

Проведён анализ инклюзивного образования дейтронов во взаимодействиях К+ и 7Г+ мезонов с ядрами алюминия и золота при 250 ГэВ/с.

Практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что описанные в ней результаты могуть быть использованы при планировании будущик экспериментов. Например, результаты тестов прототипа МВС уже использованы при подготовке эксперимента НА62 в ЦЕРНе. Данные результаты могут быть использованы и в дальнейшем развитии теорий и теоретических моделей.

Структура диссертации: диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

В первой глае представлено первое наблюдение радиационного К~3 распада.

Вторая глава посвящена результатам экспериментальных поисков сголдстино.

В третьей главе описан анализ тестов прототипа МВС.

Четвёртая глава посвящена феноменологическому анализу рас-пределний по множественности заряженных частиц.

В разделе 4.1 описано общее решение для ветвящегося процесса чистого рождения с возможностью множественного образования кластеров во время ветвления. Показано, что при описании данных е+е~ аннигиляции в адроны доля кратного рождения не превышает 0.1. Получены указания на логарифмическую зависимость параметра эволюции от с.ц.и. энергии.

В разделе 4.2 представлены решения для некритических ветвящихся процессов с поглощением и процессов с иммиграцией.

В разделе 4.3 приведено описание имеющихся распределений по множественности в лептон-нуклонном рассеянии модифицированным отрицательным биномиальным распределением.

В разделе 4.4 представлено феноменологическое описание распределений по множественности в ограниченных интервалах быстрот для е+е~ аннигиляции в адроны и е+р рассеяния на ускорителе HERA.

В раздел 4.5 представлено описание распределений по множественности в адронных процессах при высоких энергиях суммой Пуассоно-подобных распределений.

В главе 5 описано наблюдение на Европейском Гибридном Спектрометре (ЕГС) события с аномально высокой плотностью частиц в пространстве быстрот.

В главе 6 приведены результаы анализа инклюзивного образования дейтронов в мезон-ядерных взаимодействиях при 250 ГэВ/с на ЕГС.

Работы опубликованы в журналах Ядерная Физика, Z.Physik С, Physics Letters В и Physical Review D. Некоторые работы были представлены на Международной Европейской Конференции по физике высоких энергий, Лиссабон (Португалия), 2005, Симпозиуме по многочастичной динамике, Тихани(Венгрия), 2000, 8-ой Международной Конференции по инструментовке физики на встречных пучках, Новосибирск, 2002.

В первой главе представлено первое наблюдение радиационного распада каона К~ —> /х~7c°~fv. Измерены парциальные ширины распада, согласующиеся с теоретическими предсказаниями. Измеренная асимметрия в угловом распределении отличается на два стандартных отклонения от предсказания киральных моделей.

Во второй главе представлен поиск легкого псевдоскалярного сголдстино в трехчастичном распаде К~ 7Г~7Г°Р, проведённый на установке ИСТРА+, Сигнала образования сголдстино не обнаружено. Получены верхние границы на вероятность распада, ~ Ю-5 в интервале эффективнык масс тр от 0 до 200 МэВ. Интерес к подобным поискам связан и с недавним наблюдением узкого димю-онного сигнала Сотрудничеством НурегСР в распаде £+ —> pft+fi~

в районе 214 МэВ.

В третьей главе приведено описание пучковые испытаний прототипа мюошгой вето системы (МВС), предназначенной для подавления мюонного фона при исследованиях ультраредкого распада К+ я+1/1/, проведённых на установке ИСТРА+. Измеренные уровни подавления мюона ~ 6.0 х Ю-6 удовлетворяют требованиям эксперимента.

Четвёртая глава посвящена распределениям по множествнно-сти заряженных частиц. Проведён феноменологический анализ распределений по множественности в широком диапазоне энергий. Для процессов е+е~ аннигиляции в адроны и лептон-нуклонного рассеяния получено хорошее описание модифицированным отрицательным биномиальным распределением. Для мезон-протонных и протон (антипротон)-протонных взаимодействий получено хорошее описание с помощью двух параметрической суммы Пуассоно-подобных распределений Гупты-Сармы.

В пятой главе предствлен анализ максимальных плотностей частиц в пространстве быстрот. При исследовании тг+р, К+р и рр-взаимодействий в эксперименте НА22 на ЕГС показано, что максимальная плотность заряженных частиц в заданном интервале быстрот линейно растет с ростом множественности, не зависит от типа пучковой частицы и практически не зависит от энергии. Обнаружено аномальное 7г+р-событие с 10 заряженными частицами внутри очень узкого интервала быстрот.

В шестой главе представлен анализ инклюзивного образования дейтронов во взаимодействиях К+ и 7г+ мезонов с ядрами алюминия и золота при 250 ГэВ/с.

В главе 1 представлено: Наблюдение радиационного распада К~ —> ^~7г°71/

Представлено первое наблюдение распада, до этого были известны только верхние пределы (1973г.). Измерены относительные вероятности распада по отношению к К^ в области энергий фотона от 5 до 30 МэВ и в области энергий от 30 до 60 МэВ. Эти вероятности согласуются с теоретическими ожиданиями(СЬРТ). Измерена асимметрия в Т-нечётной переменной

£ = р7 • (рм х ря)/т%, предложенной В. Брагутой, А. Чаловым и А. Лиходедом (Phys.Rev.D65(2002)054038 и Phys.Rev.D68(2003)09 для поиска эффектов вне стандартной модели.

Для отбора событий используются следующие критерии отбора:

0) Один хороший трек и три ливня в SP1.

1) z-координата вершины от 400 до 1600 см.

2) Недостающая энергия больше нуля.

3) гп(77) в пределах ±20МэВ от массы пиона.

4) Квадрат недостающей массы к тт°тг~ системе меньше 0.025 (ГэВ/с2)2.

5) Недостающий импульс указывает в апертуру SP 1.

6) Нет сигнала выше порога в SP2.

7) Для подавления фона от Кж2 используются обрезания cos(0) > -0.96 и <р < 3.0.

На Рис.1 показан спектр эффективной массы на разных стадиях отбора. Видно, что сигнал от распада становится заметен на последних стадиях.

На Рис. 2 показан спектр эффективной массы двухфотонной системы. На Рис. 3 и 4 показаны спектры эффективной массы M(/i~7r°7i/) для двух областей энергий дополнительного фотона.

В главе 2 представлены результаты поиска сголдстино :

(O.G.Tchikilev et al, Phys.Lett. B602(2004) 149-156)

В суперсимметричных моделях со спонтанным нарушением симметрии должны существовать суперпартнёры голдстоунов-ского бозона — голдстино: скалярное S и псевдоскалярное Р. При сохранении чётности во взаимодействиях кварк-сголдстино и малой массе сголдстино Р может наблюдаться в трёхчастичных распадах К—> тгтгР ( D.S.Gorbunov and V.A.Rubakov, Phys.Rev. D64(2001)054008). Диаграмма образования сголдстино приведена на Рис. 5. Предсказания на относительную вероятность распада: 1.5 х Ю-6—4 х 10~4, экспериментальные ограничения: 4х 10~5 (Е787, BNL).

М(|1~7С у V), веУ/с Рис. 1. Спектры М(^-7Г°7Х/) при уровнях обрезаний 1, 4, 6 и 7.

200 175

гъ

¡>150 о £

и С ^ 100 о

75 50

25 -

0.12

0.14 0.16

М (у у), веУ/с2

Рис. 2. Спектр ш(77) при уровне отбора 7 и энергии дополнительного фотона в системе покоя каоиа меньше 30 МэВ. Центральный интервал ±20 МэВ используется для оценки сигнала, боковые полосы — для оценки фона.

81.03 / 64

Р1 383.7

Р2 0.4940

РЗ 0.1628

Р4 0.2162

Р5 1.000

М(ц к0 у V), СеУ/с2

Рис. 3. Спектр М(д-7Г°72/) при энергии дополнительного фотона в системе покоя каона от 5 до 30 МэВ. Штриховкой показан фон. Отдельно показаны вклады К^з (левый фоновый пик) и Км3 (правый фоновый пик). Первый параметр — число событий, второй — положение пика, третий, четвёртый и пятый — нормировки вкладов Ка3 , Км3 и оставшегося фона. Вг(Км37)/Вг(К^3)=(2.70± 0.29 ±0.26) х 10~3, теоретическое предсказание равно 2.1 х 10~3. Относительная вероятность распада равна (8.82 ± 0.94 ± 0.86) х Ю-5.

зо

25

«и

£

Ü

s 20

in

Й

■■ tí

о 15

>

о

10

xVndf 42.62 / 54

р 1 152.7

Р2 0.4940

РЗ 0.6100Е-01

Р4 0.4290Е—01

Р5 1.000

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

M (fi~K° y v), GeV/c2

Рис. 4. Область ЗО < E7 < 60 МэВ.

Рис. 5. Диаграмма образования сголдстино.

Используемая статистика: 363 миллиона триггеров (сеанс 1, Март-Апрель 2001г.) и 350 миллионов триггеров (сеанс 2, Ноябрь-Декабрь 2001г.).

Исследуется эффективная масса т(77) (см. Рис.б) в каждом интервале недостающих масс к дипионной системе(тг° : т(77) в интервале 85-185 МэВ), и вычисляется сигнал от 7Г°. Верхний предел вычисляется из формулы Nul = max(Nsig, 0)-f 1.28-сг с последующей нормировкой на распад КТ,2. На Рис.7 представлена статистика для второго сеанса после применения последовательных критериев отбора для реальных данных, фоновых Монте Карло событий и сигнальных Монте Карло событий. На Рис.8 слева показаны верхние пределы, справа показаны ограничения на модуль матричного элемента. Эти результаты улучшают данные Сотрудничества Е787 и перекрывают коридор теоретических ожиданий.

m(g£. GeV/c

Рис. 6. Эффективная масса двухфотонной системы.

Cut real data AW N, BGMC MC mp = 90 MeV ад-іМ

(0) 1 п~, m(77) near т(5г") 9943046 5512890 98289

(1) по (е,/») 7771606 1.28 4545059 1.19 93470 1.05

(2) Еяй > 3.0 GeV 1123220 6.92 588735 7.78 82602 1.17

(3) МН filter 939052 1.20 516922 1.19 74744 1.09

(4) conv. gammas 722622 1.30 426286 1.22 56513 1.25

(5) по Кй fit 458338 1.58 201580 2.27 35906 1.69

(6> р-(тг-) < 180 MeV 326935 1.40 134706 1.28 35698 1.01

(7) тт~ identification 122804 2.66 68380 2.06 33401 1.06

(8)10 <rr <60 cm 108992 1.13 60698 1.12 31431 1.06

(9)Veto 31451 3.47 18674 3.58 31104 1.01

Рис. 7. Статистика для второго сеанса.

6 л

»> 100 I» ю

Я^оШто тк« (МсУ/с1)

ЗрЯШм таіі (МеУ/с )

Рис. 8. Верхние пределы для вероятности распада К- 7г-7г°Р в зависимости от массы сголдстшю и верхний предел доя модуля матричного элемента |Ьі2І-

В главе 3 представлены тесты МВС( С.А.Акименко и др. N1 А494(2002)509-513).

В экспериментах по поиску редкого распада К+ -> тг+и (СКМ,МА62) требуется подавление мюона на уровне 10~5 —10" Цель данного эксперимента — показать, что это возможно.

Прототип МВС состоит из 27 пластин железа и 26 слоев сци тиллятора. В каждом 12 счётчиков, шаг 10мм. Счётчики в поел дующих слоях сцинтиллятора расположены поочерёдно верт кально и горизонтально. МВС поставлен после охранной сист мы установки ИСТРА. Следом поставлен большой сцинтилля ционный счётчик V для таггирования частиц прошедших МВ Использовались пучки: пионный, мюонный с малой интенсивн стью и мюонный с большой интенсивностью. Используются пере менные: пі — число слоёв с одним хитом (см. Рис.9), отношени Еш энергии в последних 4 слоях к полной энергии (для п давления распадов мюона до МВС) и поперечная ширина ливн

У* = (см- Рис.10). На Рис.11 показан при

мер инициированного мюоном ливня с фоновым мюоном идущи около края МВС. На Рис.12 приведена таблица влияния наші критериев отбора на мюонные данные с высокой интенсивность! (сеансы 104-117), мюонные данные с низкой интенсивностью (се ансы 135 и 136) и пионные данные (сеансы 128-132). Достигнут желаемые факторы подавления мюонов при эффективности от бора пионов около 87%.

12 -

10

8 -

Рис. 9. Распределение переменной щ для а) мюонов и Ь) пионов.

Рис. 10. Распределение переменной го£ для мюонных сеансов с низкой и высокой интенсивностью и для пионных сеансов.

и ъ.

і 117 20001114 193021

403734 2256

1 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 52 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0

0 0 12 0 3 0 0 0 0 0 107 32 0

0 0 5 0 0 0 0 81 0 0 236 0 0

0 0 О 0 0 0 0 38 96 0 0 65 0

0 0 0 0 0 0 266 149 69 0 282 3315 0

88 122 89 224 72 0 305 2932 2508 266 0 0 0

0 0 0 0 0 0 24 329 1747 150 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 38 147 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 54 118 0

0 0 0 0 0 0 0 15 0 0 154 0 0

0 0 0 0 83 0 127 42 42 59 56 70 142

Ми ЇЄГ

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 О 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 166 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1213 42 0 0

0 0 0 0 0 0 0 77 7 170 0 0 0

91 105 114 76 191 114 0 3250 607 15 142 6 0

0 0 0 0 0 4 150 660 493 595 72 51 0

0 0 0 0 0 89 0 517 464 123 82 0 0

0 0 0 0 0 0 0 17 0 204 0 0 0

0 141 0 0 0 0 218 118 187 0 179 115 0

42 485 56 137 176 125 0 26 0 0 0 0 0

Рис. 11. Пример инициированного мюоном ливня с фоновым мюоном, идущим около края МВС. Пучок идёт слева.

Runs 104-117 136 135 128-132(тг~)

Nread 1595894 2654965 1065118 3139913

Ntr 309315 1480664 624489 2366359(-65448)

Nlg 160474 1327330

Veto <15 1799 114 176 2155952

ni < 9 1104 29 144 2047796

wt > 0.55 512 13 42 1999368

Ei/Etat < 0.7 210 6 4 1996800

Efficiency 5.8 x 10-6 4.5 x 10~6 6.4 x 10~6 86.8%

Рис. 12. Числа событий после последующих обрезаний для высокоинтенсивных мюонных сеансов (первая колонка), низкоинтенсивных мюонных сеансов(следующие две колонки), и гаюнных се-ансов(последняя колонка). показывает число событий после отборок пучкового трека, а N/,0 — после сепарации мюона с помощью ЬС отклика.

В главе 4 представлен феноменологический анализ распреде лений по множественности заряженных частиц.

В работах [5,6,8] показано, что регулярности в распредел ниях по множественности, типа формулы Врублевского и КНО скэйлинга, легко объясняются ветвящимися процессами. Поэт му целый цикл работ связан с моделями, связанными с этим процессами.

Для описания распределений для е+е~ аннигиляции в адр ны и в лептон-адронном взаимодействии предложено модифици рованное отрицательное биномиальное распределение МОБР, производящей функцией М{г) = £ Рпгп = ((1 + Д(1 - х))/{1 г(1 - х)))^. Модель: в ветвящемся процессе чистого рождени (процесс Фарри-Юла) образуются нейтральные кластеры, рас падающися в пару заряженных пионов с вероятностью -Д и пару нейтральных пионов с вероятностью 1 + Д. N — число начальных источников. Также предложена модель с кратным образованием кластеров, разработан математический формализм для всевозможных переходов с дифференциальными вероятностями о^. Ниже рассмотрено описание ЬЕР2 данных при ненулевых а2 и а3 (а=а2/(о;2+аз)). На Рис.13 показана энергетическая зависимость параметров N и Д для процесса е+е~ аннигиляции в адроны. Оба параметра с ростом энергии выходят на асимптотические значения.

Для адронных процессов предложено: при высоких энергиях исходные кварки q взаимодействуют независимо друг от друга с вероятностью б, каждое дц взаимодействие приводит к одинаковому распределению по множественности с производящей функцией ф(х). Тогда для мезон-нуклонных взаимодействий М(г) = (1 -€ + еф(г))2 и для нуклон-нуклонных взаимодействий М{г) = {1-е + еф{г))\

Используется ф(г) = ехр(—5(1 - г)/{1 + г( 1 - г)) (распределение Гупты-Сармы, переходит в распределение Пуассона при г = 0). Для М+р и рр взаимодействий используется обрезанное в нуле распределение с ф' = (ф(г)-р(0))/(1 -р(0)), чтобы учесть

ненулевой заряд исходной qq пары.

во 100 у/я. ОчУ

Рис. 13. Энергетическая зависимость параметров N и Д.

Ветвящиеся процессы: Вероятность перехода 1 г равна ai5t, а — £ с^.

f(x) = -ах. (1)

Прямое и обратное уравнения Колмогорова:

бт/йЬ = /(т),

(2)

и

дт/<9£ = /(х)дт/дх. (3)

Решение для процессов чистого рождения определяется следующим: рх = ехр(-аЬ). Последующие вероятности находятся из уравнения Шрёдера:

Щгп)=Р1(г)К(х),

(4)

его общее решение есть:

т = Я(Р1 К{х)).

(5)

С bi — оц/ а и степени функций Ка(х) и Qa(x) определяются из следующих уравнений:

Ka(x) = x«(l + Y;tj(a)¿)> (6)

ntn(a) = Y^ (а + п ~ 3)bjtn-j(a) , ío = 1 » h = M, (7) j=i

№=/(1 + 2^), (8)

n

nsn(a) = -aj^bjín-iío + i) , s0 = 1 , Si = -6aa. (9) i=i

Эти уравнения дают рекурсивное решение для любого однородного во времени ветвящегося процесса. Это может быть использовано при компьютерных расчётах.

На Рис.14 представлен пример параметризации данных Сотрудничества OPAL с ненулевой вероятностью кратного образования кластеров. На Рис.15 показана энергетическая зависимость параметра N для лептон-адронных взаимодействий. %clearpage

На Рис. 16 и 17 представлены результаты описания UA5 данных и предсказание для LHC энергии.

В главе 5 обсуждаются максимальные плотности частиц в пространстве быстрот в тг+р , К+р и рр взаимодействиях при 250 ГэВ/с.

В связи с горячей адронной материей и столкновениями тяжё-дых ионов возрастает интерес к флуктуациям с высокой плотностью в пространстве быстрот. Сотрудничество UA5 представило события с 15 или более заряженными частицами, образованными в интервале 0.5 по псевдобыстроте. Это наблюдение привело к гипотезе, что такие замечательные всплески(пики, спайки) могут быть связаны с образованием в адрон-адронных взаимодействиях горячего пятна материи, возможно в кварк-глюонной фазе. С другой стороны, события с такими плотностями частиц

Vs = 189 GeV

t

®

*

О data

A fit with g = 0.987 BU fit with a = 0.8

0

Рис. 14. Параметризации данных Сотрудничества OPAL при а=0 987 а=0.8.

р1 { 1

П°-..... 1 п

1 Г** !

г*4 1 * '«*--* X

- ¿си

^ !

А Гм>г>имм И о».

>91) 1110 20

Ж (СеУ)

я 1

й 1 N.

> в

с V

т 4 %

1 г

I

г •*#*-> X О Н*в. Ал-ш*« « М.

■ *Л2а. «I <

У^(СвУ)

10

Рис. 15. Сравнение N для Ш и е+е~ процессов.

вУеШБ ■Д (СеУ) с 5 г

N50 200 0.456 5.965±0.076 0.170±0.056 19.7/29

0.264±0.038 7.441±0.304 0.297±0.084 9.2/28

N30 546 0.456 8.429±0.053 0.468±0.030 61.3/45

0.352±0.018 9.453±0.187 0.558±0.038 32.6/44

те1. 546 0.456 7.410±0.091 11.071±0.458 0.832±0.075 39.4/44

0.536±0.027 6.743±0.067 11.811±0.326 0.794±0.067 29.9/43

N30 900 0.456 10.400±0.100 0.703±0.065 77.0/52

0.304±0.029 12.213±0.391 0.823±0.095 20.9/51

Рис. 16. Результаты подгонки распределений по множественности для данных иА5 Сотрудничества.

ч/s = 546 GeV

s с

a"

,o"- inel. events

\

20 «0 60 80 100 »20

X Vs = 900 GeV

NSD events

■ ■ ■

Vs = 546 GeV

M eo 100

NSD events %

NSD events

Рис. 17. Описание UA5 данных и предсказание для LHC энергии.

воспроизводятся со сравнимыми скоростями выходов в UA5 МС генераторе, так что такие всплески(спайки) можно ожидать на основе наблюдаемых множественностей и распределения быстрот совместно с эффектом кластеризации.

Тем не менее, вдохновлённые наблюдением флуктуаций с большой плотностью и необходимостью калибровки для столкновений тяжёлых ионов, мы провели поиск спайко-подобных событий на данных эксперимента НА22, ЦЕРН. В этом эксперименте используется Европейский Гибридный Спектрометр (ЕГС), с быстроциклирующей пузырьковой водородной камерой (RCBC), в качестве вершинного детектора, экспонированной в пучке положительно заряженных частиц с импульсом 250 ГэВ/с, обогащенном каонами. В наборе данных использовался триггер с минимальным байесом.

Нами отбираются события со всеми восстановленными заряженными частицами и соблюдением баланса заряда. Всем заряженным частицам, за исключением идентифицированных по ионизации медленных протонов, приписывается пионная масса. Выборка состоит из 37127 7г+р , 44587 К+р и 7366 рр событий, соответственно.

Максимальная плотность внутри события < (6п/Srj) > определяется сканированием окошком с фиксированной длиной интервала по (псевдо)быстроте по всему диапазону . Среднее этой величины < (бп/6г})тах > при фиксированной множественности nch приведено на Рис.18 для 7г+р данных в зависимости от rich , в сравнении с UA5 данными при с.ц.и. энергии 540 ГэВ. В обоих случаях окно по псевдобыстроте равно 0.5 . В данных UA5, < (8п/5г])тах > приблизительно пропорциональна nch и независима от энергии между 200 до 900 ГэВ. Наши данные поддерживают это наблюдение приблизительной энергетической независимости до более широкого диапазона энергий 22-900 ГэВ. Более того, они подтверждают приблизительную линейную зависимость от псн .

. На Рис.19 сравниваются наши результаты для 7Г+р , К+р и

о)

■ тт+р Vs= 22 GeV □ FP Vs = 540 GeV

■ a

P . ■ " ■

m В

■ □

■ * □

0 —i—i_i_i_l_i_i_i_i_I_i_i_i_i_l_i_i ■ i i i ■ i

10

15

20

П

ch

25

Рис. 18. Максимальная плотность частиц < (ôn/ôti)max > в зависимости от множественности заряженных частиц для 7г+р данных в сравнении с UA5 данными для интервала псевдобыстроты, равного 0.5.

рр взаимодействий при 22 ГэВ с окном 0.1 . Максимальная плотность частиц становится больше для меньших 5т], но остаётся линейной по nCh ■ В пределах ошибок она не зависят от типа пучковой частицы. Таким образом, наши данные, совместно с

40

35

30

< л"

25

£

\ & 20

V

15 -

10

Рис. 19. Максимальная плотность частиц < (5п/5г))тах > в зависимости от псн Для я"+Р , К+р и рр данных для интервала псевдобыстроты, равного 0.1.

11А5 данными, показывают, что максимальная плотность заряженных частиц возрастает с ростом множественности заряженных частиц, независимо от типа пучковой частицы, и практически независящей от с.ц.и. энергии в очень широком диапазоне энергий.

При сравнении с иА5 данными мы ограничились псевдобыстротой. Спектрометр ЕГС позволяет использовать быстроту у, более естественно связанную с проблемами горячей адронной материи. В анализе < (5п/5г))тйх > было найдено несколько событий с очень большой локальной плотностью частиц в узком интервале псевдобыстроты 77 . Поэтому был предпринят анализ зависимости числа событий от максимального числа частиц в интервале ¿у—0.1 . Такая зависимость, показанная на Рис.20 демонстрирует экспоненциальную форму йМ/йп = аехр(-Ьп) . Подгонки дшот для наклона практически одно и тоже значение для 7г+р , К+р и рр взаимодействий, т.е. 2.22±0.05 , 2.28±0.05 и 2.17±0.10, соответственно. Существующие модели для взаимодействий с небольшими поперечными импульсами описывают такое поведение. Однако одно из 7г+р событий не согласуется с такой гладкой зависимостью. В событии имеется 10 заряженных частиц в интервале <5у—0.098, т.е. с локальной плотностью 100 частиц на единицу быстроты, что значительно превышает плотности, наблюдённые Сотрудничеством 11А5 . Из экстраполяции экспоненциальной зависимостью ожидается 10~3 событий с 10 треками в ¿у=0.1 для суммарной выборки, а наблюдается одно событие. Эта вероятность возрастает до Зх10~3 для окна по быстроте равного 0.2 . Аномальное событие — это одно из 20 событий с псН = 26 в суммарной тг+р , К+р и рр выборке, оно соответствует сечению 0.2 мкбн. Его вершина хорошо видна в центре пузырьковой камеры, все 26 треков хорошо измерены в камере или реконструированы в спектрометре. Заряженные треки уносят 57% полной энергии. Примерно половина нейтральной энергии восстановлена в электромагнитных калориметрах.

Ю-5

а >

V

ФК+р Оп+р О РР

а>

Е 10:

з с

с х>

•о

10 г

А

-I_11 1

1

Anomalous п*р event

4-

I

4 6

п(Ду<0.1)

10

Рис. 20. Распределение числа событий N с максимальным числом части п в интервале быстроты, равном 0.1, для К+р , 7Г+р и рр даннь ;

7Т+р еуеґгі 0І 250 СеУ/с

3 : о) »

2 » < « 0

• , < Ф

1 •

_ 0 -

СЯ - ф

С о

'"5 « •

) •

•

-2 - • О

-3 1. педа^уе ® роэШуе О 1-і—и—і—:—1—1—.—1.. ,,!.,,,

—і—і—і—і—'—і—і—і— Ід 1.11—і—і—:—і_І_,_. . . І , , . . І

-2-10123

У

Рис. 21. Двухмерный плот азимутального угла фи зависимости от быстроты удля всех заряженных частиц в аномальном 7г+р событии.

10

о 8

со о

о а.

.о Е

э с

I

с <3

6 -

Рис. 22. Проекция двухмерного плота, Рис.21, на ось быстроты у.

Двухмерный плот азимутального угла ф в зависимости от быстроты у для всех заряженных частиц в событии показан на Рис.21, его проекция на ось быстроты показана на Рис.22. Спайк виден при небольшом отрицательном значении быстроты у. Он никаким образом не ассоциирован с образованием струй. Частицы в спайке распределены случайным образом по азиму-тальномы углу вокруг пучкового направления(Рис.4). Средний поперечный импульс всех заряженных частиц в событии и и для частиц в спайке практически один и тот же и составляет 0.25 ГэВ/с. Полный заряд десяти частиц в интервале ¿у—0.1 равен -2. Эффективная масса десяти частиц составляет 2.46 ГэВ/с2.

Пять частиц из десяти в спайке были однозначно идентифицированы в спектрометре как пионы. С неидентифицированны-ми массами других пяти частиц, мы не можем исключить возможности, что некоторые из них не пионы и следовательно имеют быстроту, отличающеюся от положения спайка. Эта возможность менее вероятна для 7г+р выборки, где обнаружен спайк. Оценки, основанные на модельных вычислениях, указывают, что возможная примесь каонов уменьшила бы статистическую значимость спайка до нескольких 10~3.

Если всё же все частицы в спайке пионы, то интерпретация не очевидна. Мы уже упоминали объяснение больших флукту-аций в плотности быстрот как горячее пятно материи в кварк-глюонной фазе. Существование таких спайков также предсказывается в подходе Дрёмина, предлагающем когерентное излучение глюонов, аналогичное Черепковскому излучению. Этот подход был стимулирован наблюдением (статистически незначимых) спайков в распределении псевдобыстрот вторичных заряженных частиц трёх событий в космических лучах при энергиях 1013, 1015 и 1016 эВ. Согласно работе Дрёмина, этот процесс глюонного излучения валентным кварком исходного адрона ожидается, однако, при более высоких энергиях и при больших поперечных импульсах.

В главе б обсуждается инклюзивное образование дейтронов (N.М. А^аЬаЬуап et а1., г.РЬуз.С52(1991)231) Для выделения дейтронов используется соотношение между пробегом и импульсом, следующая линейная комбинация логарифмов позволяет разделить протоны и дейтроны Я = 0.961940.27328 I, для выделения с1 используется условие —0.69 < Я < —0.53. Распределение этой переменной приведено на Рис.23.

Зависимость средней множествнности протонов и дейтронов от множественности заряженных частиц показана на Рис.24.

На Рис.25 приведены спектры эффективных масс ¿к систем.

Рис. 23. Распределения Л.

л

г

V

«•А-» (> + Х.250С«У/е

0.2 <|ч4р)<1.2С«У

ся1>0

ч

! ( . . 1

20 40 п. 60

МЧ -* а X, 250 С«У/с

4

Рис. 24. Зависимости средних множествеиностей протонов (слева) и дейтронов (справа) от множественности заряженных частиц.

я-(к*)*и-^<)л± +Х, 2Ь0 СеЧ/с 0.1 < аГ(.М) < 0.4

(чМ>0 Р.(я)<0

и

а) 4гГ

н]

1Л

А.

2.1 2.2 2.3

М(<М), С«У

2.* 2.5

Рис. 25. Спектры эффективной массы ¿ж системы: ¿к" слева и с1ж+ справа.

В этой главе представлены данные по образованию дейтронов в пучке положительно заряженных мезонов при максимальной энергии. Среднее число дейтронов существенно ниже чем для протон-ядерных взаимодействий (НА23). Распределение по числу дейтронов экспоненциальное. Средняя множественность дейтронов растёт линейно с числом протонов, это позволяет отбросить ряд теоретических моделей адрон-ядерных взаимодействий. Отношение средних множественностей для дейтронов и протонов растёт с ростом числа заряженных частиц для ядер золота и практически постоянно для ядер алюминия. Обнаружены узкие пики в спектре эффективной массы М(сЬг~) с небольшим числом стандартных отклонений.

Таким образом, проведены экспериментальные исследования редких распадов заряженных каонов; впервые зарегистрирован радиационный распад Кмз7 распад, получены верхние пределы на вероятности образования сголдстино, улучшающие данные Сотрудничества Е787 и проведён анализ тестов прототипа МВС, показавший возможность достижения высоких факторов подавления мгоона. Проведён феноменологический анализ распределений по множественности в доступном диапазоне энергий. Получено хорошее описание для е+е~ аннигиляции в адроны и лептон-адронного рассеяния с помощью Модифицированного Отрицательного Биномиального Распределения, а для адронных процессов - с помощью суммы распределений Гупты-Сармы. Зарегистрировано аномальное событие с большой плотностью частиц в узком интервале по быстроте. Проведён анализ инклюзивного образования дейтронов при максимальной энергии для мезон-ядерных столкновений, получены указания на существование узких структур в спектрах эффективной массы сЬг~ системы.

Список литературы

[1] O.G. Tehikilev et al. (ISTRA+ Collaboration), Observation of the radiative kaon decay K~ /i~7r°7z/, ЯФ 70 (2007) 29-34.

[2] O.G. Tehikilev et al, (ISTRA+ Collaboration), Search for light pseudoscalar sgoldstino in K~ decays, Phys.Lett B602 (2004) 149-156.

[3] S.A. Akimenko,..., O.G. Tehikilev et al, Beam test studies of the prototype Muon Veto System (MVS), NIM A494 (2002) 509-513.

[4] P.V.Chliapnikov and O.G.Tchikilev, Negative binomial distribution and stationary branching processes, Phys Lett B222 (1989) 152-154.

[5] P.V.Chliapnikov and O.G.Tchikilev, Some regularities of charged particle multiplicity distributions and branching processes, Phys.Lett. B223 (1989) 119-122.

[6] P.V. Chliapnikov and O.G. Tehikilev, KNO scaling as a property of stochastic branching processes, Phys.Lett. B235 (1990) 347-350.

[7] P.V.Chliapnikov and O.G.Tchikilev, A new regularity for multiplicity distributions in place of the negative binomial Phys.Lett. B242 (1990) 275-278.

[8] О.Г. Чикилёв, П.В. Шляпников, Формула Врублевского как следствие стационарного ветвящегося процесса, ЯФ 52 (1990) 580-582.

[9] О.Г. Чикилёв, П.В. Шляпников, Еще одна параметризация распределения по множественности в неупругих рр и рр взаимодействиях, ЯФ 53 (1991) 1374-1385.

[10] О.Г. Чикилёв, П.В. Шляпников, Новое описание распределений по множественности в неупругих мезон-протонных взаимодействиях, ЯФ 54 (1991) 820-825.

[11] О.Г. Чикилёв, П.В. Шляпников, Простая модель для описания распределений по множественности в неупругих р^р и мезон-протонных взаимодействиях, ЯФ 55 (1992) 779-783.

[12] P.V. Chliapnikov and O.G. Tchikilev, Pull multiplicity distributions for e+e~ annihilation into hadrons and the modified negative binomial, Phys.Lett. B282 (1992) 471-474.

[13] P.V. Chliapnikov, O.G. Tchikilev and V.A. Uvarov, Regularities in multiplicity distributions for e+e~ annihilation into hadrons, Phys.Lett. B352 (1995) 461-466.

[14] O.G. Tchikilev, Multiplicity distributions at LEP1.5 and LEP2 energies, modified negative binomial and evidence for asymptotic number of clusters, Phys.Lett. B382 (1996) 296298.

[15] O.G. Tchikilev, Modified negative binomial description of . the multiplicity distributions in lepton-nucleon scattering, Phys.Lett. B388 (1996) 848-852.

[16] O.G. Tchikilev, Phenomenological parametrization of the charged particle multiplicity distributions in restricted rapidity intervals in e+e~ annihilation into hadrons and e+p scattering at HERA, Phys.Lett. B393 (1997) 198-204.

[17] O.G. Tchikilev, Multiplicity distributions at high energies as à sum of Poissonian-like distributions, Phys.Rev. D59 (1999) 094008.

[18] O.G.Tchikilev, Multiplicity distributions in e+e~ annihilation into hadrons and pure birth branching processes, Phys.Lett. B471 (2000) 400-405.

[19] O.G. Tchikilev, Branching processes and Koenigs function, Phys.Lett. B491 (2000) 36-39.

[20] M. Adamus,..., O.G. Tchikilev et al. ( EHS-NA22 Collaboration) Maximum particle densities in rapidity space of 7T+p, K+p and pp collisions at 250 GeV/c, Phys.Lett. B185 (1987) 200-204.

[21] N.M. Agababyan,... ,0. G .Tchikilev et al. (EHS-NA22 Collaboration) Deuteron production in collisions of 250 GeV/c 7T+ and K+ mesons with Al and Au nuclei, Z.Phys. C52 (1991) 231-238.

Автореферат отпечатан с оригинала-макета, подготовленного автором. О.Г. Чикилев

Экспериментальные исследования редких распадов заряженных каонов и феноменологический анализ множественных процессов.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы ЬМ^Х-

Подписано к печати 28.08.2013. Формат 60 х 84/16.

Цифровая печать. Печ.л. 2,63. Уч.-изд.л. 3,74. Тираж 100. Заказ 29. Индекс 3649.

Рукопись поступила 27 августа 2013 года.

ФГБУ ГНЦ ИФВЭ

142281, Протвино Московской обл.

Индекс 3649

АВТОРЕФЕРАТ 2013-12,

И Ф В Э, 2013

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ

РАСПАДОВ

ЗАРЯЖЕННЫХ КАОНОВ И ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ МНОЖЕСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Чикилёв Олег Гаврилович

01.04.23-физика высоких энергий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Протвино 2013

Цель диссертационной работы — экспериментальные исследования редких распадов каонов и феноменологический анализ множественного образования частиц.

Актуальность и научная новизна затронутых в диссертации проблем заключаются в следующем:

Исследования редких распадов открывают возможность проверки ряда предсказаний Стандартной Модели, уточнения матрицы кваркового смешивания, поисков новых типов взаимодействий и новых очень тяжёлых калибровочных бозонов, которые могут приводить к нарушениям Стандартной Модели (несохранению лептонных зарядов, появлению правых токов и другим отступлениям от V — А теории и т.д.). Массы этих новых бозонов могут быть столь велики, что они не будут рождаться даже на суперколлайдерах следующих поколений. В этом случае они могут быть обнаружены только косвенным образом при наблюдении редких аномальных распадов и новых типов слабых взаимодействий. Поэтому поиски таких явлений являются одной из самых фундаментальных проблем физики элементарных частиц.

Распады каонов представляют собой прекрасную лабораторию для исследования также сильных взаимодействий в наиболее чистых условиях, что открывает широкие перспективы для изучения КХД-эффектов, киральных пертурбативных моделей и других теорий, связанных с сильными взаимодействиями. Значение этого направления трудно переоценить из-за его связи с фундаментальной концепцией конфайнмента.

В диссертации представлено первое наблюдение радиационного распада каона К~ —> д~7г°7*л Измерены парциальные ширины распада, согласующиеся с теоретическими предсказаниями. Измеренная асимметрия в угловом распределении

отличается на два стандартных отклонения от предсказания киральных моделей.

В диссертации приведены результаты поиска легкого псевдоскалярного сголдстино в трехчастичном распаде К~ —> тг~7г°Р. Сигнала образования сголдстино не обнаружено. Получены верхние границы на вероятность распада, ~ Ю-5 в интервале эффективных масс тр от 0 до 200 МэВ. Интерес к подобным поискам связан и с недавним наблюдением узкого димюонного сигнала Сотрудничеством НурегСР в распаде £+ —> рц^уГ в районе 214 МэВ.

На установке ИСТРА+ были проведены пучковые испытания прототипа мюонной вето системы (МВС), предназначенной для подавления мюонного фона при исследованиях ультраредкого распада К+ —> 7г+гЛл В диссертации прдставлены результаты анализа данных испытаний. Измеренные уровни подавления мюона ~ 6.0 х 10~6 удовлетворяют требованиям эксперимента. '

В диссертации также представлен феноменологический анализ множественных процессов. Актуальность такого анализа связана с отсутствием теорий сильных взаимодействий, дающих прямые предсказания для эксперимента, а существующие Монта-Карло модели имеют очень большое число юстируемых параметров. 1

Проведён феноменологический анализ распределений по множественности в широком диапазоне энергий. Для процессов е+е~ аннигиляции в адроны и лептон-нуклонного рассеяния получено хорошее описание модифицированным отрицательным биномиальным распределением. Для мезон-протонных и протон(антипротон)-протонных взаимодействий получено хорошее описание с помощью суммы Пуассоно-подобных распре-

делений.

При исследовании 7г+р, К+р и рр-взаимодействий в эксперименте НА22 на Европейском Гибридном Спектрометре (ЕГС) показано, что максимальная плотность заряженных частиц в заданном интервале быстрот линейно растет с ростом множественности, не зависит от типа пучковой частицы и практически не зависит от энергии. Обнаружено аномальное тг+р-событие с 10 заряженными частицами внутри очень узкого интервала быстрот.

Проведён анализ инклюзивного образования дейтронов во всаимодействиях К+ и 7Г+ мезонов с ядрами алюминия и золота при 250 ГэВ/с.

Практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что описанные в ней результаты могуть быть использованы при планировании будущик экспериментов. Например, результаты тестов прототипа МВС уже использованы при подготовке эксперимента НА62 в ЦЕРНе. Данные результаты могут быть использованы и в дальнейшем развитии теорий и теоретических моделей.

Структура диссертации: диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

В первой глае представлено первое наблюдение радиационного К~3 распада.

Вторая глава посвящена результатам экспериментальных поисков сголдстино.

В тртьей главе описан анализ тестов прототипа МВС.

Четвёртая глава посвящена феноменологическому анализу распределений по множественности заряженных частиц.

В разделе 4.1 описано общее решение для ветвящегося по-цесса чистого рожденя с возможностью множественного об-

разования кластеров во время ветвления. Показано , что при описании данных е+е~ аннигиляции в адроны доля кратного рождения не превышает 0.1. Получены указания на логарифмическую зависимость парамета эволюции от с.ц.и. энергии.

В разделе 4.2 представлены решения для некритических процессов с поглощением и процессов с иммиграцией.

В разделе 4.3 приведено описание имеющихся распределений по множественности в лептон-нуклонном рассеянии с модифицированным отрицательным биномиальным распределением.

В разделе 4.4 представлено феноменологическое описание распределений по множественности в ограниченных интервалах быстрот для е+е~ аннигиляции в адроны и е+р рассеяния на ускорителе HERA.

В раздел 4.5 представлено описание распределений по множественности в адронных процессах при высоких энергиях суммой Пуассоно-подобных распределений.

В главе 5 описано наблюдение на Европейском Гибридном Спектрометре (ЕГС) события с аномально высокой плотностью частиц в пространстве быстрот.

В главе 6 приведены результаы анализа инклюзивного образования дейтронов в мезон-ядерных взаимодействиях при 250 ГэВ/с на ЕГС.

Работы опубликованы в журналах Ядерная Физика, Z.Physik С, Physics Letters В и Physical Review D. Некоторые работы были представлены на Международной Европейской Конференции по физике высоких энергий, Лиссабон (Португалия), 2005, Симпозиуме по многочастичной динамике, Тихани(Венгрия), 2000, 8-ой Международной Конференции по аппаратуре физики на встречных пучках, Новосибирск, 2002.

Глава 1

Наблюдение радиационного распада каона К~ —>

На основе данных спектрометра "ИСТРА+", набранных в 2001 г., обнаружен радиационный распад каона К~ —> /¿~7Г°7&\ Относительная вероятность распада составляет BR(A"M37,5 <Е* < 30 МэВ) / ВЩКцз) = 0.270 ± 0.029(stat.) ± 0.026(syst.)% и BR(^s7,30 <Е; < 60 МэВ )/BR(К^) = 0.0448±0.0068(stat.)± 0.0099(syst.)%. Эти вероятности согласуются с теоретическими предсказаниями 0.21% and 0.047% . Асимметрия углового распределения в области 5 <Е* < 30 МэВ, составляет A(cos0*7) = 0.093 ± 0.141, и на два стандартных отклонения отличается от теоретического предсказания 0.354. Измеренная асимметрия Т-нечётной переменной £ = р7 • (рм х =

равна -0.03 ± 0.13.

1.1 Введение

Изучение радиационных распадов каонов даёт ценную информацию о каонной структуре и позволяет протестировать различные теории, для примера, Киральную Теорию Возмущений

(СЬРТ). До сего момента исследования радиационных распадов К1 з ограничивались электронными модами либо исследованиями распадов Кь [23,24]. Только в одной работе [26], датированной 1973 г., опубликован верхний предел на вероятность распада К+Зт

В теоретических работах в распадах Кщ предлагается искать эффекты новой физики используя Т-нечётную переменную £ = р7 • (рг х ~рж)/т3к [27,28]. В Стандарной Модели асимметрия в этой переменной для распада К~37

— ЛГ(£>О)+лг(£<О)

составляет 1.14 х Ю-4 [27], а в расширениях Стандартной Модели она может достигать 2.6 х 10~4 [28].

1.2 Установка и отбор событий

Эксперимент проведён на протонном синхротроне ИФВЭ. Установка ИСТРА+ детально описана в работах, посвященных распадам Кез [29,30], К^з [31,32] и ті-А0 [33]. Здесь мы вкратце напомним характеристики, имеющие отношение к данному анализу. Установка ИСТРА+ расположена на канале 4А в несепарированном пучке. Импульс пучка равен ~ 25 ГэВ/с с Ар/р ~ 1.5%. Примесь каонов К~ в пучке составляет ~ 3%, интенсивность равна ~ 3 • 106 на сброс длиной 1.9 сек. Схематический план установки ИСТРА+ показан на Рис. 1.1.

і

Рис. 1.1: Схема установки ISTRA+ . Mi и М2 — магниты, Q — Черен-ковские счётчики, BPCj — пучковые пропорциональные камеры, PQ — спектрометрические пропорциональные камеры, SPj — электромагнитные калориметры, DCj — дрейфовые камеры, БТг — дрейфовые трубки, НС — адронный калориметр, Sj — триггерные сцинтилляционные счётчики, МН — сцинтилляционный годоскоп и MuH — сцинтилляционный мюонный годоскоп.

Частицы пучка отклоняются магнитом Мх и измеряются четырьмя пропорциональными камерами ВРС1—ВРС4 с шагом между проволочками 1 мм, каоны идентифицируются тремя пороговыми Черенковскими счётчиками, 60—62. Распад-ный объём длиной 9 м окружён восемью кольцами из блоков свицового стекла, предназначенными для ветирования низкоэнергетических фотонов. Калориметр БРг из 72 блоков также служит как вето. Продукты распада отклоняются магнитом М2 с интегралом поля 1 Тш и измеряются пропорциональными камерами РС1—РСз с шагом 2 мм, дрейфовыми камерами БСх—БСз с шагом 1 см и дрейфовыми трубками БТ1— БТ4 с шагом 2 ст. Широкоапертурные пороговые Черенков-ские счётчики 63 ,64 , заполненные гелием, служат для отбора электронов и не используются в данном анализе. ЭРх это электромагнитный калориметр состоящий из 576 блоков, далее следует НС, адронный калориметр. МН это сцинтил-ляционный годоскоп из 11x11 ячеек, служит для улучшения временного разрешения трековой системы, МиН это мюонный годоскоп из 7x7 ячеек.

Триггер задаётся сцинтилляционными счётчиками 81—85, пучковыми Черенковскими счётчиками и аналоговой суммой амплитуд с шследних динодов калориметра 8Рх : Т = 81 • 82 • 83 • 84 • С1 • С2 • Сз • §5 • Е(8Р1),

здесь 84 это счётчик с дыркой для подавления гало пучка, 85 это счёчик за установкой, расположенный в фокусе пучка, и Е(8Р1) требует, что аналоговая сумма превышает сигнал от М1Р (минимально ионизирующей частицы).

Во время осеннего сеанса 2001 г. получено 350 миллионов триггеров в пучке с большой интенсивностью. Было смоделировано 150 М Монте Карло (МС) событий программой Сеап13

[34] для доминирующих распадных мод К~, 100 М из них это смесь мод с вероятностью распада более 1 %, 30 М это распады К~ ¿Г А (Кцз) и 20 М это распады К~ -> 7Г_7Г°7Г° (К*3). Эффективности сигнала были оценены из 5.7 М МС событий радиационного распада К, взвешенных с помощъю матричного элемента, вычисленного в ведущем приближении (вплоть до членов 0(р4)) киральной теории возмущений [27,35]).

Информация об обработке данных и процедурах реконструкции приведена в работах [29-33], здесь мы напомним лишь некоторые детали.

Идентификация мюонов основана на (см. работы [32,33]) 8Р1 и НС. Энергия в БРх должна быть сравнима с сигналом от М1Р. Сумма амплитуд в ячейках НС, ассоциированных с заряженным треком также должна быть сравнима с сигналом от М1Р. Также требуется, чтобы отношение Гз энергии НС в последних трёх слоях к полной энергии НС превышало 5 %. Эти критерии те же, что и в работе [34].

Отбираются события с одним треком и тремя ливнями в калориметре БРь Эффективная масса 111(77) выбирается в интервале ±40 МеУ/с2 от Шя-о. Центральная полоса ±20 МеУ/с2 служит для поиска сигнала, боковые полосы, 95 — 115 МеУ/с2 и 155 —175 МеУ/с2 — для изучения фона, ^-координата точки распада должна быть меньше 1650 ст. Отобрано и записано 183672 событий с ослабленным обрезанием на гз выше 1 %.

1.3 Сигнал и измерения

Для выделения сигнала от распада К^з7 используются последовательно следующие критерии отбора:

0) Заряженный трек должен иметь две реконструирован-

ные проекции (х — z and у — z) и число хитов в МН не превышает 5. Квадрат недостающей массы к системе 7Г°7) лежит в интервале abs(m2(/x~7r°7)) < 0.05 (ГэВ/с2)2. 50804 событий прошло через эти отборки.

1) Отбираются события с вершиной распада в интервале 400 < z < 1600 см .

2) Измеренная недостающая энергия EmiS = Еьеат — — Ежо — Е1 больше нуля.

3) Эффективная масса 111(77) лежит в ±20 МэВ/с2 от шяо.

4) Квадрат недостающей массы к 7Г_7Г° системе меньше 0.025 (ГэВ/с2)2 ( т2(7г~7г°) < 0.025 ), при этом мюону припи-сыватся масса пиона.

5) Недостающий импульс смотрит в рабочую область SPi, чтобы подавить фон от 7Г-7Г°7 ( б < г < 60 см, здесь г есть расстояние от точки попадания недостающего импульса и центра

SPi ).

6) Энергия фотона Е* в системе покоя каона меньше 60 МэВ.

Кж2 распады давятся следующим:

7) cos(0) > —0.96 , где 9 угол между 7г~ и 7г° в системе покоя каона;

8) <р < 3.0, где <р есть угол между тг~ и тг° в лабораторной системе в плоскости перпендикулярной к пучку.

9) требуется отсутствие сигнала в SP2.

Вычисляется эффективная масса М(^-7г°7г/), с четырёхим-пульсом и вычисленным в предположении m,, = 0. Распределения эффективой массы для уровней 1, 4, 6 и 9 показаны на Рис.1.2.

900 800 700 600 500 400 300 о 200

|1 I Еп1пя 41853

Е- 1| г Л, а)

Г 1 \

н.

- 1 I- / \ \

Г / н» ^ , 1 , , \ V 1 1 1 1 1

- I ЕлМез 20413

1 1 1 | 1 1 1 1 | Т Т 1 I | 1 1 \ Ь) н

1 : 1 - 1 : |

Г / Ий)

- V

- 1» 1 , . '^-'Лн.'-ч. 1 1 1 1 1 1

0.8

М(|1 71° у V), веУ/с

Рис. 1.2: Спектры масс М(/л на уровнях обрезаний 1, 4 , 6 и 9

соответственно.

Пик в районе тх становится заметен после уровня 6. 1.3.1 Область ниже 30 МэВ.

Сигнал ясно виден при Е* < 60 МэВ, наиболее чётко он виден при энергии фотона менее 30 МэВ. Фон здесь связан с распадами К^з (со случайным наложившимся фотоном) и распадами . Поэтому для оценок фона использовались специальные выборки МС событий: 20 М Кжз и 30 М К^ . Фон был разделён на три категории:

1) Вклад не-7г° оценен из хвостов распределения М(77) , см. Рис. 1.3 .

2) Вклад К-хз задан формой из выборки МС , нормировка фиксирована наблюдаемым Кжз сигналом в выбранной области т2(7Г-7Г°) .

3) К^з также задан выборкой МС, но со свободной нормировкой.

Формы распределений для трёх вкладов получены с помо-щъю программы сглаживания НС^иАБ из пакета НВООК [36]. Для сигнала использовалась сумма двух Гауссов с ширинами и относительными вкладами взятыми из выборки МС . Результаты подгонок показаны на Рис. 1.4 и Рис. 1.5 для М(//7Г7г/) и т2(/л7Г7). Первый параметр здесь (и ниже) это число наблюдаемых событий, второй параметр — положение пика, остальные три параметра — это нормировки вкладов Кпз, Кмз и не-

х2/^ 11.42 / 14

р1 105.0

р2 0.1362

рз 0.8150е—02

р4 -104.0

р5 2946.

р6 -0.1247е+05

0.1

0.12

0.14

0.16

М (у у), СеУ/с

Рис. 1.3: Спектр эффективных масс М(77) для событий с Е* < 30 МэВ на уровне обрезания 9. Сплошная кривая показывает результат подгонки суммой Гаусса и полиномиального фона.

х7п<н 81.03 / 64

р1 383.7

р2 0.4940

рз 0.1628

р4 0.2162

р5 1.000

0.8

М(ц 7с° у v) , веУ/с2

Рис. 1.4: Спектр эффективной массы М(/л_7г°7г/) для событий с 5 <Е* < 30 МэВ. Заштрихованная область показывает суммарный фон, левый фоновый пик показывает вклад К^3 , правый фоновый пик показывает вклад . Первый параметр здесь и на следующих рисунках есть число сигнальных событий, второй параметр есть положение сигнального пика, третий параметр - нормировка вклада Кп3, четвёртый параметр -нормировка вклада и пятый параметр - нормировка вклада от фона

под-7г0.

хупск 79.05 / 64

_р1 412.9

Р2 —0.7718е-03

рз 0.1628

р4 0.2268

р5 0.7751

т2(ц~/у), (СеУ/с2)2

Рис. 1.5: Квадрат недостающей массы т2(/г_7г°7) к ^-7г°7 системе для событий с 5 <Е* < 30 МэВ. Обозначения фона, как на рис. 1.4. Отрицательные ш2 объясняются экспериментальным разрешением и разбросом в импульсе пучка.

Число наблюдаемых событий равно 383.7±40.9 для Рис. 1.4 и 412.9±36.2 для Рис. 1.5. Разница (29.2) даёт оценку систематики из-за неточного знания фонов. Полиномиальные оценки также согласуются с этой неопределённостью.

Распад Кмз был использован для нормировки. Число Kß3 событий с 400< г < 1600 cm, поправленное на аксептанс и эффективность измерения получено с использованием критериев отбора работы [33]. Оно равно N(K^) = 5536000. Независимая нормировка на распады К^2 даёт вероятность распада ниже на 6.2%. Похоже эта разница объясняется триггер-ным неопрделённостью в эффективности триггера. Эта разница включена в нашу оценку систематики.

Сигнальная эффективность определена из MC событий для сигнала взвешенных с матричным элементом в приближении О(р4) ChPT. Она равна 2.6 %.

Отношение R = BR(Kß37) /BR(К„3) равно R = (2.70±0.29( stat ) ± 0.26( syst )) х 10~3. Теоретическое ожидание равно 2.1х10~3. Вероятность распада равна BR = (8.82±0.94(stat)± 0.86(syst)) х Ю-5. Теоретическое прдсказание равно 6.86х Ю-5. Мы используем при вычислениях ВЩКмз) = 3.27 % [37].

1.3.2 Асимметрии в области 5 <Е* < 30 МэВ.

В этой области мы измеряем асимметрию вылета фотона по отношению к мюону в системе покоя каона А(собО*^)

АГрочЯ* Ї -

и асимметрию в А(£). Спектры масс приведены на Рис. 1.6 для положительных и отрицательных соэ#*7 и на Рис. 1.7 для положительных и отрицательных

50

40

30

20

10

Ь)

хУгх* 37.93 / 46 Р1 161.1 Р2 0.4940 РЗ 0.1561 Р4 0.4805 Р5_0.3655

Ши

0.4 0.5 0.6 0.4 0.5

М(|1"я°уу), СеУ/с2

0.6

Рис. 1.6: Спектры эфф�