Измерение энергии пучка ускорителя ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ Иван Борисович

ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПУЧКА УСКОРИТЕЛЯ ВЭПП-4М МЕТОДОМ РЕЗОНАНСНОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 О ДЕК 2012

НОВОСИБИРСК - 2012

005047426

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

БЛИНОВ - кандидат физико-математических наук,

Владимир Евгеньевич Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КОЖЕВНИКОВ - доктор физико-математических наук, доцент,

Аркадий Алексеевич Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт математики им. С.Л. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, ведущий научный сотрудник. КООП - доктор физико-математических наук,

Иван Александрович Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, главный научный сотрудник.

ВЕДУЩАЯ - Физико-технический институт Томского

ОРГАНИЗАЦИЯ политехнического университета, г. Томск.

Защита диссертации состоится « ££ » ^Эекл^рц? 2012 г. в « /3 » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. р

Автореферат разослан « 2,! » Н/З&о 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор J B.C. Фадин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в Институте ядерной физики имени Г.И. Будке-ра (ИЯФ СО РАН) ведутся эксперименты с универсальным магнитным детектором КЕДР на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М. Физическая программа детектора нацелена на изучение Ф- и Т-мезонов и двухфотонной физики, а также на измерение массы т-лептона.

Прецизионное измерение масс узких резонансов Ф и Т семейства создает прецизионные реперы в энергетической шкале ускорителей, работающих в области энергии от 1-го до 5.5 ГэВ, а также дает возможность проверить ряд теоретических моделей квантовой хромодинамики, предсказывающих значения масс этих частиц. Ошибка измерения масс ограничена точностью определения энергии пучков и составляла в предыдущих экспериментах (14-5) х Ю-5. Для повышения точности в несколько раз, необходима калибровка энергии пучков с точностью 10_6.

Значение массы т-лептона вместе с его временем жизни и вероятностью распада в evv может быть использовано для проверки гипотезы лептонной универсальности — одного из постулатов Стандартной модели элементарных частиц. Табличное значение массы тт = 1777.991°'26 МэВ до недавнего времени определялось лишь одним экспериментом колла-борации BES. Поэтому требовалось новое независимое измерение массы т-лептона.

Всё вышеперечисленное указывает на актуальность прецизионного измерения энергии сталкивающихся пучков с точностью Ю-6 (1 кэВ) на ускорителе ВЭПП-4М. Для решения этой задачи в данной работе применён метод резонансной деполяризации, который позволяет измерять энергию релятивистских пучков с рекордной точностью.

Цель диссертационной работы

Создание системы прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации для проведения экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М.

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на завету, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, при этом вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Научная новизна

Впервые в мире создана распределённая система регистрации частиц внутрисгусткового рассеяния с рекордной эффективностью регистрации.

С использованием созданной системы получена точность однократной калибровки энергии 0.9 х Ю-6 (2 кэВ), что в несколько раз превышает точность достигнутую ранее методом резонансной деполяризации.

Впервые в мире реализован режим двукратных калибровок энергии на одном пучке со сканированием в разных направлениях по частоте, позволяющий исключить потенциально опасные источники систематических ошибок метода резонансной деполяризации.

Впервые измерена зависимость интенсивности внутрисгусткового рассеяния в большом диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

Научная и практическая ценность

Рекордные по точности калибровки энергии пучка ускорителя ВЭПП-4М позволили измерить массы ]¡ф-, •¡/>(25)-, ф(3770)-, £>+-мезонов и т-лептона с лучшей в мире точностью.

Значения масс и 1/)(25)-мезонов могут быть использованы как реперы для калибровки энергетической шкалы ускорителей, работающих в области энергии 1-2 ГэВ, таких как ВЕРС-П (Китай), СЕБЯ-С (США) и будущих Бирег-с-г-фабрик, а также будут востребованы для проверки решеточных и потенциальных моделей квантовой хромодинамики.

Значение массы т-лептона вместе с его временем жизни и вероятностью распада в еии может быть использовано для проверки гипотезы лептонной универсальности.

Созданная система прецизионного измерения энергии может быть использована на ВЭПП-4М для проверки СРТ-теоремы путём сравнения частот прецессии спина электронов и позитронов.

Методические наработки и технологии, освоенные при создании системы прецизионного измерения энергии ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации, могут быть использованы в системах измерения энергии пучка будущих ускорителей частиц в России и за рубежом.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Создана система регистрации тушековских электронов поляриметра ВЭПП-4М, предназначенная для прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации со скоростью счёта около 1 МГц. Деполяризационный эффект определяется с достоверностью до 70 стандартных отклонений. Система позволяет проводить многократные калибровки энергии на одном пучке и исключить потенциально опасные источники систематических ошибок в измерении энергии.

2. Создана система сбора данных и программное обеспечение для автоматизации процесса калибровки энергии методом резонансной деполяризации. Впервые в мире процесс калибровки энергии был полностью автоматизирован. За время экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М проведено более 3500 калибровок энергии, что превышает суммарное число измерений энергии, про-, веденных в мире, с использованием этого метода.

3. Проведён анализ систематической ошибки в измерении частоты прецессии спина. Относительная ошибка измерения энергии для однократной калибровки энергии составляет 0.9 х Ю-6 (2 кэВ), что в несколько раз лучше точности, достигнутой ранее методом резонансной деполяризации.

4. Выполнен численный расчёт скорости счета частиц внутрисгуст-кового рассеяния и величины деполяризационного эффекта в двумерном релятивистском приближении по модели Байера-Каткова-Страховенко.

5. Измерена интенсивность внутрисгусткового рассеяния в диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

6. Развита методика интерполяции энергии пучка ВЭПП-4М между калибровками энергии методом резонансной деполяризации с использованием измеряемых параметров ускорителя. Достигнута точность (8 -т-15) ■ 10_6 (15 -г- 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

7. Проведён цикл прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М, в которых для измерения энергии пучка использовался тушековский поляриметр. С лучшей в мире точностью в них измерены массы -ф{2Б)-, гр(3770)-, 1)+-мезонов и т-лептона.

Апробация работы

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИЯФ СО РАН (Новосибирск), а также на следующих российских и международных конференциях: IEEE Particle Accelerator Conference (Чикаго, 2001), 8th European Particle Accelerator Conference (Париж, 2002), 9th European Particle Accelerator Conference (Lucerne, Switzerland, 2004) на Научной сессии-конференции секции ЯФ ОФН РАН Физика фундаментальных взаимодействий (г. Москва, 2005), 33 International Conference on High Energy Physics (Москва, 2006), IX International Workshop on Tau Lepton Physics (Пиза, 2006), Instrumentation For Colliding Beam Physics (Новосибирск, 2002, 2008), XI International Workshop on Tau Lepton Physics (Манчестер, 2010), 35th International Conference of High Energy Physics (Париж, 2010), Particle Accelerator Conference (Нью-Йорк, 2011).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано более 20 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и библиографии. Общий объем диссертации 118 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков, 3 таблицы и библиографию из 81 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель работы, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе диссертации представлен обзор методов измерения энергии релятивистских пучков и методов измерения поляризации. Обоснован выбор метода резонансной деполяризации и внутрисгустково-го рассеяния (эффекта Тушека) для калибровки энергии.

Метод резонансной деполяризации основан на зависимости частоты прецессии спина заряженной частицы (О) в магнитном поле ускорителя от энергии (Е) этой частицы.

S1=w0 fl + —— ) ,

V Mo mj 6

где и>о — частота обращения пучка в ускорителе, /х', ßo — аномальная и нормальная части магнитного момента частицы, т — масса частицы. Частота прецессии спина определяется по резонансному разрушению поляризации пучка в поле электромагнитной ТЕМ-волны с частотой ui<i при выполнешш условия

ii ±LJd = ПШо,

где п — целое число. Поляризация измеряется по интенсивности процесса внутрисгусткового рассеяния.

Вторая глава посвящена подробному изложению идеи метода резонансной деполяризации. Обсуждается ширина спиновой линии, ограничивающая абсолютную точность метода, которая для ВЭПП-4М составляет 5 х Ю-7 (1 кэВ). Рассмотрена феноменологическая модель вынужденной деполяризащш и выведена формула, описывающая процесс деполяризации, которая необходима для оценки систематической погрешности определения частоты спиновой прецессии. Найдены режимы работы деполяризатора, позволяющие с заданной шириной спиновой линии проводить непрерывное сканирование по частоте.

Третья глава посвящена внутрисгустковому рассеянию (эффекту Тушека). Для оценю! эффективности системы регистрации необходимо рассчитать вклад поляризации в интенсивность внутрисгусткового рассеяния. В связи с этим были проанализированы формулы релятивистской теории внутрисгусткового рассеяния с кулоновскими поправками В.М. Страховенко для двумерного распределения поперечных импульсов в пучке.

Для понимания характера зависимости интенсивности внутрисгусткового рассеяния и величины деполяризационного эффекта от энергии получены ультрарелятивистские формулы. Ультрарелятивистский случай соответствует большим по сравнению с массой электрона поперечным импульсам в пучке.

С учётом условий регистрации рассеянных внутри сгустка частиц конкретным счётчиком, находящимся в определённом месте ускорителя ВЭПП-4М, выполнен численный расчёт количества регистрируемых счётчиком тушековских электронов в единицу времени в зависимости от расстояния от счётчика до пучка. Расчётная загрузка счётчика составляет порядка 10 кГц, а величина деполяризационного эффекта - около 1%.

В разделе 3.4 получены формулы зависимости относительной разни-

цы скоростей счёта тушековских частиц от поляризованного и неполя-ризованного пучка от времени (деполяризационный эффект), которые необходимы для интерполяции экспериментальных данных и определения момента деполяризации.

В разделе 3.3 рассмотрены фоновые процессы, уменьшающие величину деполяризационный эффекта. Описана методика подавления фоновых событий, основанная на регистрации совпадений сигналов с двух счётчиков, находящихся внутри и снаружи орбиты пучка.

В четвёртой главе приведено описание экспериментальной установки: деполяризатора, системы регистрации тушековских электронов, системы сбора данных.

На ВЭПП-4М применён деполяризатор на ТЕМ-волне. Он состоит из пары размещённых внутри вакуумной камеры и разнесённых по вертикали проводящих пластин, согласованно подключённых к ВЧ генератору с перестраиваемой частотой. Стабилизация частоты ВЧ ВЭПП-4М, опорной частоты генератора и опорной частоты блока для измерении ведущего поля накопителя осуществляется от рубидиевого стандарта частоты с относительной точностью Ю-10.

Система регистрации рассеянных внутри пучка электронов состоит из восьми подвижных сцинтилляционных счётчиков. Система сбора данных реализована на основе электроники, выполненной в стандарте КА-МАК. Она позволяет регистрировать события от четырёх одновременно циркулирующих в ускорителе сгустков. Программное обеспечение дает возможность рядовому оператору ВЭПП-4М осуществлять калибровку энергии автоматизируя рутинные операции: управление деполяризатором, выбор диапазона сканирования, подгонку результатов калибровки, сохранение и распечатку результатов. За время работы системы было проведено более трех тысяч калибровок энергии.

При характерном токе пучка в ВЭПП-4М равном 2 мА скорость счёта тушековских частиц составляет около 1 МГц, эффективность регистрации тушековских частиц — 75%, величина деполяризационного эффекта — 1.5 -т- 2.5% в зависимости от энергии. Высокая эффективность регистрации позволяет проводить два измерения энергии на одном поляризованном пучке.

С целью изучения возможности использования тушековского поляриметра для калибровки энергии методом резонансной деполяризации в области энергии Т-мезонов, была измерена зависимость интенсивности

внутрисгусткового рассеяния в диапазоне энергии от 1.85 до 4 ГэВ. Нормированная на квадрат тока пучка интенсивность тушековских событий пропорциональна Е~2У~г, где Е— энергия а V — эффективный объем пучка.

Пятая глава посвящена процедуре калибровке энергии: получение поляризованного пучка, выбор оптимальных параметров деполяризатора и системы сбора данных, определение момента времени деполяризации и частоты деполяризатора. Проведён анализ статистических и систематических погрешностей однократной калибровки энергии. Точность однократной калибровки энергии составляет 0.9 х Ю-6 (таблица 1). Достигнута предельная статистическая погрешность определения частоты спиновой прецессии 2 х Ю-9.

Таблица 1. Основные источники ошибки измерения энергии методом резонансной деполяризации.

Источник Погрешность, эВ Относительная погр.

Статистика 1000 6.5 х 10" -7

Ширина спиновой линии 900 5.8 х 10" -7

Масса электрона 50 2.5 х 10" -8

Аномальный магнитный момент 0.4 2.4 х 10- -10

Частота обращения 0.05 2.5 х 10- ■ 11

частота деполяризатора 0.05 2.5 х 10- ■11

Итого 1350 8.7 х 10" -7

При калибровке энергии применяется компенсационная схема измерений с двумя одновременно циркулирующими в ускорителе сгустками. Один из них поляризованный, другой — неполяризованный. Радиационная поляризация пучка осуществляется в ускорителе ВЭПП-3, после чего поляризованный пучок перепускается в ВЭПП-4М. Нормировка скоростей счёта от поляризованного и неполяризованного сгустка позволяет подавить влияние нестабильности скорости счета, связанной с изменением размеров и орбиты пучка, в качестве нормировочного используются второй неполяризованный сгусток. Для исключения деполяризации на боковой спиновой гармонике (±50 Гц) использовалась частичная деполяризация с двумя калибровками энергии на одном поляризованном сгустке со сканированием в разных направлениях по частоте. Типичная калибровка энергии изображена на рис. 1.

Nро1 j Nипро1

2008-10-18-02:36:02 Нип 3136 _

0.02

0.01

0

Х2/П(И

т

0Е1-ТА ССМЭТ вЮРЕ!

59.14/30 371.4 ±0.4485 0.01371+0.0002082 0.005489 + 0.0001431 5.965е-06 ± 6.456е-07

вЮРЕ2 3.1629-06 ± 7.994е-07

Д = 1.37 ±0.02% Е = 1851.6564 ± 0.00014 МеУ и = 653405.44 ± 0.25 Нг

8а8888К8883Я888888888|8888!а

О

200

400

600

800 вес

Рис. 1. Зависимость относительной разности скоростей счёта поляризованного и неполяризованного сгустков от времени. Момент деполяризации совпадает с моментом изменения скорости счёта поляризованного пучка. Приведена статистическая ошибка определения энергии. Подписи под точками показывают соответствующую частоте деполяризатора энергию в МэВ.

Знание разницы энергий электронов и позитронов, полученное методом резонансной деполяризации, чрезвычайно важно для прецизионного измерения масс узких резонансов. Поляриметр позволяет измерять энергию электронов и позитронов как по отдельности, так и одновременно. В разделе 5.5 описан эксперимент по сравнению энергий электронов и позитронов. Измеренная разница их энергий составляет около 1 кэВ.

В шестой главе описаны эксперименты по измерению масс 3/■ф-, ■¡/>(25)-, -0(3770)—, £>0-, £>+-мезонов и т-лептона, в которых использовалась система измерения энергии методом резонансной деполяризации.

В экспериментах по физике высоких энергий необходимо знать энергию пучка во время набора статистики, а калибровки энергии проводятся тогда, когда набор статистики не ведётся. Поэтому энергия пучка во время набора статистики определялась интерполяцией калибровок энергии с использованием параметров ускорителя: основного магнитного поля и поля корректоров, измеряемых методом ЯМР; температур кольца, стенок и воздуха тоннеля, охлаждающей воды; положения орбиты пучка. Достигнута точность восстановления энергии равная (8 Ч- 15) ■ 10~6 (15 -=- 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

В эксперименте по измерению массы т-лептона в связи с невозможностью получить поляризованный пучок на энергии 1.7 ГэВ применялась специальная процедура калибровки энергии пучка. Поляризация и ин-жекция пучка осуществлялась на энергии 1.85 ГэВ, выше порога рождения г-лептона, затем энергия ВЭПП-4М понижалась до 1.78 ГэВ, где осуществлялась стандартная двукратная калибровка энергии (рис. 2).

07:00 19:00 07:00 19:00 07:00 19:00 07:00 19:00 07:00

время, 4-7 апреля 2006 г.

Рис. 2. Энергия ВЭПП-4М при работе на пороге рождения г-лептона. Изображена восстановленная энергия, энергия измеренная методом резонансной деполяризации (МРД) и энергия измеренная по обратному комптоновскому рассеянию (ОКР).

В результате проведённых экспериментов с лучшей в мире точностью измерены массы •//-!/>-, тр&Б)-, -0(3770)—, £>+-мезонов и г-лептона.

В заключении перечислены основные результаты диссертации.

Создана высокоэффективная система регистрации рассеянных внутри сгустка (тушековских) электронов поляриметра ВЭПП-4М, предназначенная для прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации.

Система позволяет измерять величину деполяризационного эффекта с рекордной достоверностью до 70 стандартных отклонений.

Высокая эффективность регистрации тушековских электронов дает возможность проводить многократные калибровки энергии на одном пучке и исключить потенциально опасные источники систематических ошибок в измерении энергии.

Точность однократной калибровки энергии составляет 0.9 х Ю-6 (2 кэВ), что в несколько раз лучше точности достигнутой ранее методом резонансной деполяризации.

Впервые измерена интенсивность внутрисгусткового рассеяния в большом диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

Развита методика интерполяции энергии пучка ВЭПП-4М между калибровками энергии методом резонансной деполяризации с использованием измеряемых параметров ускорителя. Достигнута точность (8 -=-15) • Ю-6 (15 -i- 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

Проведён цикл прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М, в которых для измерения энергии пучка использовался тушековский поляриметр. С лучшей в мире точностью в них измерены массы J/ф-, ф{25)-, ф(3770)-, £>+-мезонов и т-лептона.

В приложении приведены: расчёт влияния синхротронных колебаний на частоту прецессии спина; вывод формулы для интенсивности внутрисгусткового рассеяния в поляризованном пучке; поправки к скорости счёта при частоте срабатывания счётчика сравнимой с частотой обращения пучка.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] V. Blinov, A. Bogomyakov, I Nikolaev et al. Polarization measurement system on the VEPP-4 collider at low energy range. // Proceedings of the Second Asian Particle Accelerator Conference. - Beijing, China: 2001.

[2] V. Blinov, A. Bogomyagkov, I Nikolaev et al. Linux based toolkit in the VEPP-4 control system. // Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2001). - San Jose, California, USA: 2001. - P. 334-336.

[3] V.E. Blinov, A.V. Bogomyagkov, I.B. Nikolaev et al. High-efficiency po-larimeter based on intra-beam scattering. // 8th European Particle Accelerator Conference (EPAC 2002). - Paris, France: 2002. - Jun. - P. 1954.

[4] V.E. Blinov, A.V. Bogomyagkov, I.B. Nikolaev et al. Absolute calibration of particle energy at VEPP-4M. // Nucl. Instrum. Meth. - 2002. -Vol. A494, P. 81-85

[5] V. M. Aulchenko, S.A Balashov, I.B Nikolaev et al. New precision measurement of the J/ip- and ip' - meson masses. // Phys. Lett. - 2003. -Vol. B573. - P. 63-79.

[6] A. Bogomyagkov, S. Nikitin, I. Nikolaev et al. Research of Possibility to use Beam Polarization for Absolute Energy Calibration in High-precision Measurement of Tau Lepton Mass at VEPP-4M. // 9th European Particle Accelerator Conference (EPAC 2004). - - Lucerne, Switzerland: 2004.

- 5-9 Jul.

[7] K. Yu. Todyshev, V.V Anashin, I.B. Nikolaev et al. Precision measurements of masses of charmonium states. // Proceedings of Science. - 2006.

- Vol. HEP2005. - P. 115.

[8] S.A. Nikitin, I.B. Nikolaev. Dependence of the electron beam polarization effect in the intra-beam scattering rate on the vertical beam emittance. // Proceedings of European Particle Accelerator Conference (EPAC 06). - Edinburgh, Scotland: 2006. - - 26-30 Jun. - P. 1184-1186.

[9] S Nikitin, I Nikolaev et al. Record-high resolution experiments on comparison of spin precession frequencies of electron bunches using the resonant depolarization technique in the storage ring. // European Particle Accelerator Conference (EPAC 06). - Edinburgh, Scotland: 2006. -P. 2787-2789 (THOBFI03).

[10] A. Bogomyagkov, V. Blinov, I. Nikolaev et al. Beam energy calibration in experiment on precise tau lepton mass measurement at VEPP-4M with KEDR detector. // European Particle Accelerator Conference (EPAC 06). - Edinburgh, Scotland: 2006. - 26-30 Jun. - P. 625-627.

[11] A. Bogomyagkov, S Nikitin, I Nikokiev et al. Central Mass Energy Determination in High Precision Experiments on VEPP 4M. // Particle Accelerator Conference PAC07 Jun 2007,. - Albuquerque, New Mexico: 2007. - P. 63-65.

[12] V. V. Anashin, V.M. Aulchenko, I.B. Nikolaev et al. Measurement of the tau lepton mass at the KEDR detector // JETP Lett. - 2007. - Vol. 85.

- P. 347-352.

[13] A. G. Shamov, V.V. Anashin, I.B. Nikolaev et al. Tau mass measurement at KEDR. // Nucl. Phys. Proc. Suppl. - - 2008. - Vol. 181-182. - P. 311313.

[14] V. E. Blinov, А. V. Bogomyagkov, I. В. Nikolaev et al. Review of beam energy measurements at VEPP-4M collider: KEDR/VEPP-4M. // Nucl. Instrum. Meth. - 2009. - Vol. A598, no. 1. - P. 23-30.

[15] V. Blinov, A. Bogomyagkov, I. Nikolaev et al. Study of the possibility of increasing the accuracy of CPT Invariance Test at electron-positron storage rings. // ICFA Beam Dynamics Newsletter. - - 2009. - Vol. 48. -P. 207-217.

[16] A. G. Shamov, V. V. Anashin, I. B. Nikolaev et al. Tau mass measurement at KEDR. // Nuclear Physics В - Proceedings Supplements. - 2009. - Vol. 189. - P. 21-23. - 10th International Workshop on Tau Lepton Physics.

[17] O.V. Anchugov, B.E. Блинов, И.Б. Николаев и др. Эксперименты по физике пучков заряженных частиц на электрон-позитронном кол-лайдере ВЭПП-4М. // ЖЭТФ. - 2009. - Т. 136, X» 4. - С. 690-702.

[18] С.А. Никитин, И.Б. Николаев. Расчёт интенсивности тушековских электронов в накопителе ВЭПП-4М. // Препринт ИЯФ 2010-42. -

2010. - Т. 42.

[19] V. V. Anashin, V. М. Aulchenko, I. В. Nikolaev et al. Measurement of D° and D+ meson masses with the KEDR detector // Physics Letters B. - 2010. - Vol. 686, No. 2-3. - P. 84-90.

[20] K.Yu. Korneliy, V.V. Anashin, I.B. Nikolaev et al. Measurement of ■0(3770) parameters with KEDR detector at VEPP-4M. // 35th International Conference of High Energy Physics. - Vol. ICHEP2010. - Paris, FVance: Proceedings of Science, 2010. - P. 218.

[21] Vladimir Blinov, Vladimir Kiselev, Ivan Nikolaev et al. Measurement of The Energy Dependence of Touschek Electron Counting Rate. // Proceedings of 2011 Particle Accelerator Conference. - New-York, USA:

2011. - April. - P. MOP 182.

НИКОЛАЕВ Иван Борисович

Измерение энергии пучка ускорителя ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 27.04.2012 г. Подписано в печать 28.04. 2012 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.8 печ.л., 0.7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ №11_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Введение

Глава 1. Обзор методов измерения энергии пучка в ускорителях частиц.

1.1. Определение энергии пучка по интегралу магнитного поля

1.2. Измерение энергии пучка по комптоновскому рассеянию

1.3. Метод резонансной деполяризации

Глава 2. Метод резонансной деполяризации

2.1. Идея метода резонансной деполяризации.

2.2. Радиационная поляризация.

2.3. Точность метода резонансной деполяризации

2.4. Резонансная деполяризация

Глава 3. Внутрисгустковое рассеяние.

3.1. Теория внутрисгусткового рассеяния

3.2. Скорость счёта тушековских частиц.

3.3. Фоновые процессы.

3.4. Извлечение коррелированных событий

Глава 4. Поляриметр

4.1. Деполяризатор.

4.2. Система регистрации тушековских электронов.

4.3. Система сбора данных и программное обеспечение

4.4. Эффективность регистрации тушековских частиц.

4.5. Зависимость интенсивности внутрисгусткового рассеяния от энергии.

Глава 5. Калибровка энергии ВЭПП-4М.

5.1. Получение поляризованного пучка

5.2. Процедура калибровки энергии

5.3. Определение момента деполяризации.

5.4. Погрешности определения энергии

5.5. Сравнение энергий электронов и позитронов.

5.6. Предельная статистическая погрешность определения частоты спиновой прецессии

Глава 6. Измерение энергии в экспериментах с детектором

6.1. Восстановление энергии между калибровками

6.2. Измерение масс 3¡ф- и ф(23)-мезояов.

6.3. Измерение массы т-лептона

6.4. Измерение массы ^(3770)-мезона

6.5. Измерение массы и мезонов

Понимание фундаментальных законов природы невозможно без проведения экспериментов. В физике элементарных частиц наиболее важным является определение массы элементарной частицы, её спина, заряда и других параметров. Эксперименты в физике элементарных частиц, как и положено в квантовой механике, проводятся по следующей схеме: приготовление начального состояния системы, затем происходит её свободная квантоме-ханическая эволюция и, наконец, измерение её конечного состояния [1]. В экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках приготовление начального состояния осуществляется при помощи ускорителя, затем, после свободной эволюции системы (столкновения), измерение конечного состояния системы выполняется детектором элементарных частиц. Чем лучше известно начальное состояние сталкивающихся частиц, тем более определённо конечное состояние системы. Главными характеристиками описывающими состояние сталкивающихся частиц являются их энергия, импульс и поляризация. Поэтому измерение энергии частиц имеет первостепенное значение для прецизионного определения их масс. Диссертационная работа посвящена калибровке энергии пучков сталкивающихся частиц в ускорителе.

В настоящее время в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) ведутся эксперименты с универсальным магнитным детектором КЕДР [2] на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М [3]. Кол-лайдер ВЭПП-4М состоит из бустерного накопителя ВЭПП-3 с энергией от 0.5 ГэВ до 2 ГэВ и основного кольца с энергией пучка от 1 до 5.5 ГэВ. Физическая программа детектора нацелена на изучение Ф- и Т-мезонов и двухфотонной физики, а также на измерение массы т-лептона.

Прецизионное измерение масс узких резонансов Ф и Т семейства дает возможность проверить ряд теоретических моделей квантовой хромодина-мики, предсказывающих значения масс этих частиц, создает прецизионные реперы в энергетической шкале ускорителей, работающих в области энергии от 1-го до 5.5 ГэВ. Точность измерения масс ограничена точностью определения энергии пучков и составляла (1 -=-5) х Ю-5 в предыдущих экспериментах [4-7]. Для увеличения точности в несколько раз, необходима калибровка энергии пучков с точностью 106.

Значение массы т-лептона вместе с его временем жизни и вероятностью распада в evv может быть использовано для проверки гипотезы лептонной универсальности [8] — одного из постулатов Стандартной модели элементарных частиц. Табличное значение массы тт = 1777.99íg; 2б МэВ до недавнего времени определялось лишь одним экспериментом коллаборации BES [9]. Поэтому требовалось новое независимое измерение массы т-лептона.

Таким образом, всё вышеперечисленное подчеркивает важность прецизионного измерения энергии сталкивающихся пучков с точностью 10б (1 кэВ) на ускорителе ВЭПП-4М. Самым точным методом измерения энергии релятивистских пучков является метод резонансной деполяризации [10]. Целью данной работы является создание системы прецизионного измерения энергии пучка ускорителя методом резонансной деполяризации для для проведения экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М.

Основные результаты выносимые на защиту

1. Создана система регистрации тушековских электронов поляриметра ВЭПП-4М, предназначенная для прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации со скоростью счёта около 1 МГц.

Деполяризационный эффект определяется с достоверностью до 70 стандартных отклонений. Система позволяет проводить многократные калибровки энергии на одном пучке и исключить потенциально опасные источники систематических ошибок в измерении энергии.

2. Создана система сбора данных и программное обеспечение для автоматизации процесса калибровки энергии методом резонансной деполяризации. Впервые в мире процесс калибровки энергии был полностью автоматизирован. За время экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М проведено более 3500 калибровок энергии, что превышает суммарное число измерений энергии, проведенных в мире, с использованием этого метода.

3. Проведён анализ систематической ошибки в измерении частоты прецессии спина. Относительная ошибка измерения энергии для однократной калибровки энергии составляет 0.9 х 106 (2 кэВ), что в несколько раз лучше точности, достигнутой ранее методом резонансной деполяризации.

4. Выполнен численный расчёт скорости счета частиц внутрисгусткового рассеяния и величины деполяризационного эффекта в двумерном релятивистском приближении по модели Байера-Каткова-Страховенко.

5. Измерена интенсивность внутрисгусткового рассеяния в диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

6. Развита методика интерполяции энергии пучка ВЭПП-4М между калибровками энергии методом резонансной деполяризации с использованием измеряемых параметров ускорителя. Достигнута точность (8-г-15) • 10~6 (15 -ь 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

7. Проведён цикл прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М, в которых для измерения энергии пучка использовался тушековский поляриметр. С лучшей в мире точностью в них измерены массы J/ф-, ф(23)~, ф{3770)-, 1)+-мезонов и т-лептона.

Основные результаты настоящей работы

1. Создана система регистрации тушековских электронов поляриметра ВЭПП-4М, предназначенная для прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации со скоростью счёта около 1 МГц. Деполяризационный эффект определяется с достоверностью до 70 стандартных отклонений. Система позволяет проводить многократные калибровки энергии на одном пучке и исключить потенциально опасные источники систематических ошибок в измерении энергии.

2. Создана система сбора данных и программное обеспечение для автоматизации процесса калибровки энергии методом резонансной деполяризации. Впервые в мире процесс калибровки энергии был полностью автоматизирован. За время экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М проведено более 3500 калибровок энергии, что превышает суммарное число измерений энергии, проведенных в мире, с использованием этого метода.

3. Проведён анализ систематической ошибки в измерении частоты прецессии спина. Относительная ошибка измерения энергии для однократной калибровки энергии составляет 0.9 х 10~6 (2 кэВ), что в несколько раз лучше точности, достигнутой ранее методом резонансной деполяризации.

4. Выполнен численный расчёт скорости счета частиц внутрисгусткового рассеяния и величины деполяризационного эффекта в двумерном релятивистском приближении по модели Байера-Каткова-Страховенко.

5. Измерена интенсивность внутрисгусткового рассеяния в диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

6. Развита методика интерполяции энергии пучка ВЭПП-4М между калибровками энергии методом резонансной деполяризации с использованием измеряемых параметров ускорителя. Достигнута точность (8 15) • 10~6 (15 -т- 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

7. Проведён цикл прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М, в которых для измерения энергии пучка использовался тушековский поляриметр. С лучшей в мире точностью в них измерены массы З/ф-, ф(28)-, ф(3770)-, Х)+-мезонов и т-лептона.

В заключение автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю В.Е. Блинову за предложение принять участие в работе по калибровке энергии ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации, а также всестороннюю поддержку и чуткое руководство; С.А. Никитину за плодотворную совместную работу, в особенности за всё, что касается поляризации частиц и внутрисгусткового рассеяния; Г.М. Тумайкину за основополагающий вклад в данную работу; A.C. Старостину и А.И. Микайылову за создание системы регистрации; В.М. Страховенко за прояснение теории внутрисгусткового рассеяния; Г.В. Карпову и Е.И. Шубину за создание системы измерения магнитного поля по ЯМР и синтезатор частоты; Н.И. Зи-невичу и В.П. Черепанову за создание деполяризатора; В.А. Киселёву за создание соленоида для сохранения поляризации позитронов; A.B. Богомяг-кову за вычисление энергии пучков в системе центра масс, а также за обес

99

Заключение