Измерение двухфотонных ширин эта-, эта'-, альфа2-мезонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

институт ядерной физики

На правах рукописи

УНДРУС Александр Евгеньевич

ИЗМЕРЕНИЕ ДВУХФОТОННЫХ ШИРИН ц-, г]'-, а2-МЕЗОНОВ

01.04.16— физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК-1990

Работа выполнена в Институте ядерной физики Сибирского отде ления Академии Наук СССР.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Онучин Алексей Павлович

Тельнов Валерий Иванович

-доктор физико-математических наук, профессор, Институт ядерной физики СО АН СССР, г. Новосибирск -кандидат физико-математических наук, Институт ядерной физики СО АН СССР, г. Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Сербо Валерий Георгиевич

Пешехонов Владимир Дмитриевич

Ведущая организация:

-доктор физико-математических наук, профессор, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск -доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна

Физический институт Академии наук СССР г. Москва

2О » 1990 г. I

» часов на заседании специализированного совет.

Защита диссертации состоится

Д.002.24.01 при Институте ядерной физики СО АН СССР.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СС АН СССР

/2. „ ОХ/Г1

Автореферат разослан

1990 г.

Ученый секретарь

специализированного совета _

доктор физ.-мат. наук С^/-и*"""* В.С. Фади

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксперименты на установках со встречными электрон-позитронными пучками вносят большой вклад в развитие физики элементарных частиц. Значительный интерес здесь представляет изучение двухфотонных реакций е+е~-*-е*е~Х. В этих процессах электрон и позитрон испускают виртуальные фотоны, при столкновении которых образуется система X из лептонов или адронов. В конечном состоянии присутствуют также рассеянные электрон и позитрон.

Важную роль в исследовании физики сильного взаимодействия играет изучение двухфотонного рождения резонансов с положительной зарядовой четностью. Двухфотонные ширины мезонов, измеряемые при изучении таких реакций, позволяют судить о внутренней структуре частиц, проверять предсказания кварковой модели, вычислять углы смешивания между изоскалярными членами Би (3) -октетов и 8и(3)-синглетами.

Целью работы являлось измерение двухфотонных ширин г]-, ц'-, аг-мезонов с регистрацией хотя бы одного рассеянного электрона.

Научная новизна работы. 1. Впервые проведен эксперимент по изучению рождения г]-, т|'-, аг-мезонов при столкновении квази-эеальных фотонов с регистрацией хотя бы одного рассеянного электрона. В пределах точности измерений наблюдается согласие с данными, полученными в других экспериментах.

2. Разработан алгоритм нахождения энергий фотонов для многослойных калориметров на основе пропорциональных камер. В детекторе МД-1 при энергиях фотонов меньше 500 МэВ получен шигрыш в энергетическом разрешении почти в 2 раза по сравне-<ию с методом простого суммирования амплитуд.

Научная и практическая ценность работы. Особенностью дан-

ного эксперимента является регистрация и измерение энергии и углов вылета рассеянного электрона. Это стало возможным благодаря особой конструкции детектора МД-1, специально предназначенного для изучения двухфотонных реакций. При такой постановке эксперимента уменьшается количество фоновых событий, связанных с космическими частицами и с взаимодействием пучков на остаточном газе, а также от реакций, в которых не все продукты зарегистрированы детектором. Использование энергии н. углов вылета рассеянного электрона позволило восстановить кинематику изучаемых реакций без прямого измерения энергии фотонов, при этом точность восстановления массы резонансов существенно увеличилась.

Методика изучения двухфотонных процессов в детекторе МД-1 имеет существенные отличия по сравнению с другими экспериментами. Опыт данной работы будет полезен при дальнейшем изучении двухфотонных реакций.

Для вычисления эффективности регистрации двухфотонного рождения резонансов было проведено монте-карловское моделирование. При этом была учтена поправка, связанная с испусканием фотона рассеянным электроном. Это особенно важно при проведении в будущем более точных экспериментов.

Метод определения энергии фотона, развитый в ходе обработки результатов данного эксперимента, позволяет уменьшить влияние больших флуктуации ионизационных потерь в пропорциональных камерах на точность измерения. Разработанный метод применим для других многослойных калориметров на основе пропорциональных камер.

Структура работы. Основной текст диссертации состоит из вве дения, четырех глав и заключения. Текст диссертации содержит 2$ рисунка, 12 таблиц и список литературы из 87 наименований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались I обсуждались на семинарах экспериментальных лабораторш Института ядерной физики СО АН СССР, на Рабочем совегцанш по программе экспериментов на встречных пучках в Дубне (1983) на III Международной конференции по методике экспериментов н; встречных пучках в Новосибирске (1984), на сессиях Отделенш ядерной физики АН СССР (1988 и 1990), на 20 весеннем симпози уме по физике высоких энергий в ГДР (1989), были представлеш на Международный симпозиум по лептонным и фотонным взаимо действиям при высоких энергиях в Гамбурге (1987).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится краткое изложение основных понятий двухфотонной физики. Подчеркивается значение изучения двухфо-тонных реакций для развития физики сильного взаимодействия.

Первая глава посвящена краткому обзору экспериментов по измерению двухфотонных ширин г|-, ц'-, а2-мезонов. Анализируются источники систематических ошибок в этих измерениях. Обсуждается важность результатов этих экспериментов для проверки различных теоретических рассчетов и определения внутренней структуры мезонов.

Во второй главе приведено описание накопителя ВЭПП-4 и детектора МД-1. Здесь же даются сведения об организации обра-эотки данных на детекторе МД-1 и методике нахождения энергии ротонов.

Накопитель ВЭПП-4 работал при энергиях электронных и гозитронных пучков до 2X5.3 ГэВ. При энергиях пучков 2X5 ГэВ максимальная светимость накопителя составляла 6-Ю30 см~2-с~', зремя жизни пучков 5 часов.

Детектор МД-1 (рис. 1) был установлен на накопителе ЗЭПП-4 в 1980 году. Магнитное поле в детекторе направлено пер-тендикулярно плоскости орбиты пучков и составляет 12 кГс при шергиях пучков 2X5 ГэВ. Магнит представляет собой закрытый :оленоид с объемом поля около 10 м3, внутри которого расположе-ш координатные камеры, сцинтилляционные счетчики, черенковс-ше счетчики и ливнево-пробежные камеры. За обмоткой магнита )асположены мюонные камеры.

С обеих сторон от основного магнита расположены доворотные лагниты, за которыми установлены системы регистрации рассеян-шх электронов. Они содержат по 7 пропорциональных камер и 3 :цинтилляционных счетчика, максимально приближенных к пучку : внутренней стороны орбиты, а также сверху и снизу. Радиальная соордината измеряется индукционными камерами с кабельной шнией задержки с точностью Р\\^НМ/2.36=0.2 мм. Вертикальная соордината измеряется пропорциональными камерами со съемом :игнала с анодных проволочек (шаг 4 мм). Импульс электронов, (ылетающих из места встречи под нулевыми углами, измеряется в щапазоне (0.5-Ь0.9)£„ с точностью о£/£=1.3% (Ев—энергия |учков).

Благодаря поперечному магнитному полю детектор МД-1 имеет

Рис. 1. Детектор МД-1: 1—вакуумная камера; 2 — координатные камеры; 3 —сцинтилляционные счетчики; 4—газовые черенковские счетчики; 5 — ливнево-пробежные камеры; 5 —обмотка магнита; 7 —ярмо магнита; 8 — отклоняющий магнит; 9—система регистрации рассеянных электронов; 10 — монитор светимости; 12 — сцинтилляционный сэндвич.

повышенную эффективность регистрации двухфотонных процессов, в которых продукты реакции вылетают в основном под малыми углами к оси пучков.

Регистрация заряженных частиц и измерение их импульсов производится с помощью 38 пропорциональны камер. Разрешение по имульсу составляет ор/р— (4-=- 10)р(ГэВ/с) %.

Фотоны в детекторе МД-1 регистрируются системой ливне-во-пробежных камер, состоящей из 14 блоков. Каждый блок представляет собой сэндвич из 10 пропорциональных многопроволочных камер и пластин из нержавеющей стали толщиной 13 мм. Толщина блока составляет 7.3 радиационных длин. Телесный угол регистрации 0.8-4л. Точность измерения угла вылета фотона из места встречи составляет 1—2°.

Сцинтилляционные счетчики перекрывают телесный угол 0.9-4л и предназначены для измерения времени пролета и ионизационных потерь частиц. Их амплитуды используются при измерении энергии фотонов.

Дано описание эксперимента с детектором МД-1 на накопителе ВЭПП-4, выполненного с апреля 1984 по июнь 1985 года. В этот

период энергия пучков менялась в диапазоне 3.6 — 5.2 ГэВ, интегральная светимость составила 20.8 пб-1.

За указанный период на детекторе было записано 700 первичных магнитных лент, содержащих информацию о 30 млн. событий. После предварительного отбора событий с помощью разработанного в ИЯФ СО АН СССР универсального процессора АП-20 производительностью 10 млн. операций в секунду производилась реконструкция событий на ЭВМ ЕС-1061, которые записывались на вторичные ленты. Такая двухэтапная процедура позволила уменьшить затраты процессорного времени ЕС-1061 в 6 раз.

В процессе обработки данных был развит метод определения энергии фотонов, позволяющий наиболее оптимально использовать информацию об амплитудах ливнево-пробежных камер. При энергиях фотонов меньше 1000 МэВ дисперсия амплитуд в камерах определяется в основном флуктуациями ионизационных потерь. Точность измерения энергии таких фотонов была существенно повышена путем обрезания аномально больших амплитуд от камер ЛПК- В качестве среднего уровня использовалась расчетная каскадная кривая. Описанный метод позволил улучшить точность измерения энергий фотонов с £~500 МэВ почти в 2 раза по сравнению с методом простого суммирования амплитуд.

В третьей главе приведен анализ экспериментальных данных по двухфотонному рождению ц'- и аг-мезонов. Регистрировались реакции:

ц'

1-«-зт^я^у.

е+е~е~ а-2

'-»-ге^я-у? •

При. отборе событий требовалось наличие двух противоположно заряженных частиц, одного или двух фотонов в центральной части аетектора, а также регистрация хотя бы одного рассеянного электрона.

Для подавления фона от других реакций налагались дополнительные условия, учитывающие кинематические особенности двухсотенных процессов. В частности, использовался малый попереч-*ый импульс образующегося резонанса. Для уменьшения коли-гества событий пучкового фона не принимались во внимание фото-1ы, зарегистрированные вблизи плоскости орбиты.

Для улучшения точности восстановления инвариантной массы

резонансов проводилась процедура кинематической реконструкции. В качестве измеренных переменных брались импульсы я-мезонов и рассеянного электрона, углы фотона и рассеянных электронов. Энергия незарегистрированного рассеянного электрона и фотона вычислялись из уравнений сохранения энергии и импульса. Угол вылета незарегистрированного рассеянного электрона полагался равным нулю.

В случае наличия двух фотонов в событии, как это имеет место для «г-мезона, в рассмотрение брался фотон, с которым параметры частиц лучше подгонялись в процедуре кинематической реконструкции. Игнорирование одного фотона немного уменьшает вычисляемую инвариантную массу аг-мезона, причем его резонансная структура сохраняется.

При моделировании двухфотонного рождения х\'- и аг-мезонов использовался метод эквивалентных фотонов. Учитывалась поправка, связанная с испусканием фотона рассеянным электроном. Принималась во внимание интерференция между распадами аг-мезона на р+л~ и Для определения двухфотонной ширины аг-ме-

зона были использованы известные экспериментальные данные о вкладе в сечение состояния со спиральностью 2.

Впервые был учтен вклад от фоновой реакции

'-

при измерении двухфотонной ширины аг-мезона. В нашем случае он составляет около 5%. Результаты обработки показаны на рис. 2. Здесь изображен спектр инвариантных масс ллу. В результате сравнения данных эксперимента с моделированием были получены следующие результаты:

ГТ11(г)')=4.6±1.1±0.6 кэВ, Гп(а2) =1.26±0.26±0.18 кэВ.

В четвертой главе приведен анализ экспериментальных данны> по двухфотонному рождению г^-мезона. Регистрировалась реакция:

I-гуу

При отборе событий требовалось отсутствие заряженных час

| ' » '-I 1 |-'-I-Г

400 800 1200 1600 2000 2400

Мтг^МэВ

Рис. 2. Спектр инвариантных масс ллу. Сплошной линией показана подгоночная кривая, штриховыми — вклады резонансов и фона.

тиц и наличие двух фотонов в центральной части детектора, а также регистрация хотя бы одного рассеянного электрона.

Для подавления фона от других реакций налагались дополнительные условия. Важнейшим из них является требование близости к л угла между фотонами в перпендикулярной к пучку плоскости, вытекающее из малости поперечного импульса г)-мезона.

При восстановлении инвариантной массы двух фотонов проводилась процедура кинематической реконструкции, аналогичная описанной в гл. 3.

Основным источником фона для изучаемой реакции являются события двухфотонного рождения пар электронов, р.- и л-мезонов, в которых обе заряженные частицы не зарегистрированы координатными камерами.

CQ

О ^

§ 20 \

=S

vj

о ° 10 о

0

0 300 600 900 1200

Mff, Л1эВ

Рис. 3. Спектр инвариантных масс уу. Сплошной линией показана подгоночная кривая, штриховыми —вклады резонанса и фона.

Результаты обработки показаны на рис. 3. Здесь изображен спектр инвариантных масс двух фотонов. В результате сравнения данных эксперимента с моделированием был получен следующий результат:

Г„(т))=0.51±0.12±0.05 кэВ.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе.

1. Впервые проведен эксперимент по изучению двухфотонного рождения резонансов при столкновении квазиреальных фотонов с регистрацией рассеянного электрона. Получены следующие значе-

ния двухфотонных ширин:

Гтт(ц')=4.6±1.1±:0.6 кэВ, rYÏ(a2) =1.26±0.26±0.18 кэВ, Г„(т)) =0.51 ±0.12 ±0.05 кэВ.

•

Эти результаты в пределах ошибок согласуются с предыдущими экспериментами. Показано, что при требовании рассеянного электрона уменьшается количество фоновых событий, связанных с космическими частицами и с взаимодействием пучков на остаточном газе, а также от реакций, в которых не все продукты зарегистрированы детектором. Использование энергии и углов вылета рассеянного электрона позволило восстановить кинематику изучаемых реакций без прямого измерения энергии фотонов, при этом точность восстановления массы резонансов существенно увеличилась.

2. Развит алгоритм для определения энергий фотонов в многослойных калориметрах на основе пропорциональных камер. При энергиях фотонов, характерных для двухфотонных реакций, получен выигрыш почти в два раза по сравнению с методом простого суммирования.

3. Разработана программа моделирования двухфотонного рождения резонансов, учитывающая возможность испускания фотона рассеянным электроном.

4. Проведено моделирование реакций

I->.уу.

Отдельно рассмотрены случаи рождения а2-мезона со спираль-ностью 0 и 2. Учтена интерференция в распадах аг-мезона на р+л~ и

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. An Experiment on Measurement of Two-Photon Width of the rj' and At/A.E. Blinov, V.E. Blinov, A.E.■ Bondar ,..., A.E. Undrus et ai — Novosibirsk, 1987. —11 p.—(Preprint INP 87-92, пред-

ставлен на Международный симпозиум по лептонным и фотонным взаимодействиям при высокой энергии, Гамбург, 1987).

2. Measurement of Two-Photon Widths of the аг, rj' and y]/S.E. Ваги, A.E. Blinov, V.E. Blinov A.E. Uncirus et al.— Novosibirsk, 1990. —16 p.—(Preprint INP 90-53, будет опубликовано в журнале Zeitschrift fur Physik).

3. Регистрация фотонов в детекторе МД-1 /А.И.Воробьев, А.П. Онучин, В.А. Таюрский, В.И. Тельное, А.Е. Ундрус. — Новосибирск, 1990, —14 е. —(Препринт ИЯФ 90-84).

4. Детектор МД-1/С.Е. Бару, А.Е. Блинов, А.Е. Бондарь, ..., А.Е. Ундрус и др. — Новосибирск, 1983.— 27 с.— (Препринт ИЯФ 83-39; в кн.: Рабочее совещание по программе экспериментов на встречных пучках, Дубна, 1983, с. 29).

5. Specific features of the MD-1 detector for 77-processes /S.E. Ваги, A.E. Blinov, A.E. Bondar ,..., A.E. Undrus et al. — В кн.: Ill Международная конференция по методике экспериментов на встречных пучках. — Новосибирск, 1984.— с.262 —264.