Измерение инклюзивных сечений рождения кварк-антикварковых пар в e +e--столкновениях в эксперименте ДЕЛФИ на ускорителе ЛЭП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

2 Стандартная Модель

2.1 Теория электрослабых взаимодействий

2.2 Квантовая хромодинамика

3 Экспериментальная установка

3.1 Ускоритель ЛЭП.

3.1.1 Измерение энергии пучков

3.2 Детектор ДЕЛФИ.

3.2.1 Вершинный детектор VD.

3.2.2 Внутренний детектор ID.

3.2.3 Время-проекционная камера ТРС

3.2.4 Внешний детектор OD.

3.2.5 Передние камеры FCA и FCB

3.2.6 Центральный электромагнитный калориметр НРС

3.2.7 Передний электромагнитный калориметр FEMC

3.2.8 Адронный калориметр HCAL.

3.2.9 Время-пролетная система TOF.

3.2.10 Детекторы черенковского излучения RICH.

3.2.11 Мюонные камеры MUC.

3.2.12 Триггер.

3.2.13 Система приема данных.

3.2.14 Реконструкция событий.

3.2.15 Измерение светимости с помощью калориметра STIC

4 Основные типы физических событий на ЛЭП

4.1 Сечение процесса е+е~ —» //.

4.1.1 Радиационные поправки.

4.1.2 Программа ZFITTER.

4.2 Моделирование событий.

5 Измерение сечения е+е~ —> gg(7) на ЛЭП

5.1 Набор данных на ДЕЛФИ в период работы ЛЭП

5.2 Метод измерения сечения.

5.3 Отбор адронных событий

5.3.1 Отбор треков.

5.3.2 Критерии отбора событий. Подавление фонового вклада.

5.4 Поправки на эффективность восстановления треков в передней области детектора.

5.5 Поправки на нестабильности в работе трековых детекторов

5.6 Зависимость эффективности отбора адронных событий от энергии

5.7 Поправка на разброс энергии столкновения.

5.8 Коррекция фонового вклада.

5.9 Контроль качества данных.

5.9.1 Контроль стабильности сечения

5.9.2 Распределение числа Баба-событий между двумя последовательными адронными событиями.

5.10 Оценка систематической ошибки.

5.10.1 Ошибка измерения светимости.

5.10.2 Ошибка, связанная с поправками к сечению

5.10.3 Ошибка величины фонового вклада.

5.10.4 Ошибка эффективности отбора адронных событий

5.11 Общая ошибка измерения сечения.

6 Результаты измерения сечения на ЛЭП-1. Определение параметров Стандартной Модели

6.1 Результаты измерения сечения.

6.2 Определение параметров Z-резонанса.

6.3 Измерение пц и o;s.

6.4 Предел на парциальную ширину Гнеизвестных распадов Z-бозона

7 Второй период работы ускорителя — ЛЭП

7.1 Энергия столкновения и набранная светимость на ЛЭП

7.2 Основные типы физических процессов при энергиях ЛЭП

7.2.1 Эффективная энергия столкновения. "Радиационный возврат".

7.2.2 Четырехфермионные процессы.

7.2.3 WW-события.

7.3 Моделирование событий на ЛЭП-2.

8 Измерение сечения e+e~^-qq(nf) на ЛЭП

8.1 "Полное" и "нерадиационное" сечения.

8.2 Восстановление эффективной энергии столкновения

8.3 Вычисление сечения.

8.4 Критерии отбора треков и событий.

8.5 Эффективность отбора

8.6 Фоновый вклад.

8.6.1 Использование дополнительных критериев для подавления WW-фона.

8.7 Оценка систематической погрешности.

8.7.1 Погрешность эффективности отбора.

8.7.2 Погрешность, связанная с критерием отбора по у/Т'

8.7.3 Погрешность, связанная с вычитанием фона

8.7.4 Погрешность определения светимости.

8.7.5 Сводная таблица для систематической погрешности

9 Результаты измерения сечений на ЛЭП-2 и их интерпретация

9.1 Сравнение измерений с предсказаниями Стандартной Модели

9.2 Фитирование в рамках подхода S-матрицы.

9.3 Поиск Z'-бозона.

9.4 Фитирование общемировых данных с целью проверки Стандартной Модели.

Целью диссертационной работы являлось определение инклюзивного сечения реакции рождения кварк-антиварковой пары в результате е+е аннигиляции при энергиях столкновения от 89 до 207 ГэВ. Работа была выполнена на основе данных, набранных экспериментом ДЕЛ ФИ на ускорителе ЛЭП в период с 1995 по 2000 год.

Научная новизна исследования. Измерена величина сечения реакции е+е~ —qq(j) в широком диапазоне энергий — как вблизи Z-резонанса, так и при более высоких энергиях, которые для электрон-позитронных столкновений были достигнуты впервые в мире.

Практическая ценность. Полученные автором результаты использовались объединенной группой по электрослабой физике в ЦЕРН вместе с другими данными ЛЭП для проверки Стандартной Модели и определения ее параметров. Выполненная проверка подтвердила правильность предсказаний этой теории, а полученные значения ее параметров вошли в таблицы Particle Data Group.

В ходе анализа создан пакет программ для отбора адронных событий и определения сечения, контроля качества данных, расчета и приложения необходимых поправок к моделированию. Он может использоваться при дальнейшем анализе данных на ДЕЛФИ.

Результаты, выносимые на защиту:

- Измерение сечения реакции е+е~ —» qq^) в районе Z-резонанса в четырех точках на шкале энергии столкновения.

- Метод контроля качества данных с использованием, в том числе, сравнения частот рождения адронных и Баба-событий.

- Измерение сечения реакции е+е-—>gg(7) для десяти значений энергии столкновения, начиная от 161 и до 207 ГэВ. При этом, в каждом случае сечение было измерено для двух различных диапазонов эффективной энергии столкновения.

- Метод подавления фона от процесса рождения WW-пар при отборе адронных событий.

- Проверка предсказаний Стандартной Модели для сечения е+е~ —» gg(7). Интерпретация полученных результатов в рамках подхода S-матрицы. Проверка нескольких теоретических моделей, описывающих существование дополнительного тяжелого промежуточного бозона Z

Структура диссертации. Диссертация состоит из десяти глав, в том числе Введения и Заключения. Условно ее можно разбить на три основных части: вводная часть (главы 2-4), анализ данных и результаты ЛЭП-1 (главы 5-6), анализ данных и результаты ЛЭП-2 (главы 7-9). Далее следует краткое описание каждой из глав.

Во второй главе излагаются основные положения Стандартной Модели, а также краткая история создания и проверки теории электрослабых взаимодействий.

В третьей главе рассказывается об ускорителе ЛЭП и о методе, применяемом на нем для измерения энергии пучков. Также дано описание экспериментальной установки ДЕЛФИ, которое включает в себя описания основных компонент детектора, системы приема данных и алгоритма реконструкции событий. Описывается метод измерения светимости на ДЕЛФИ с помощью калориметра STIC.

В четвертой главе перечисляются основные типы физических процессов, имеющих место при е+е~ соударениях на ускорителе ЛЭП. Приводятся формулы для расчета сечения процесса рождения фермион-антифермионной пары е+е~ —> //(7) и обсуждается вклад от радиационных поправок. Рассказывается о моделировании событий.

Пятая глава содержит подробное описание проделанного автором анализа по определению сечения процесса е+е~ —> qq(7) при энергиях Z-резонанса. Описываются критерии отбора событий, определение фонового вклада и эффективности отбора, обсуждается внесение некоторых поправок к вычисляемой величине. Перечисляются составляющие общей систематической погрешности измерения.

В шестой главе приводятся полученные значения для сечения. Дается их сравнение с теоретическими предсказаниями и с результатами других экспериментов на ЛЭП. Говорится об использовании полученных результатов для фитирования параметров Стандартной Модели, для определения массы топ-кварка пгц и константы сильного взаимодействия as и для получения пределов на парциальную ширину возможных распадов Z-бозона на еще неизвестные частицы.

Седьмая глава открывает раздел диссертации, посвященный анализу данных набранных при энергиях выше Z-резонанса. Обсуждаются особенности физических процессов в этом диапазоне энергий, а также их моделирование.

В восьмой главе дано описание методики измерения сечения на ЛЭП-2. Рассказывается о методе вычисления сечения, об оценке систематической погрешности.

В девятой главе приводятся результаты измерения сечения на ЛЭП-2 и их интерпретация.

Результаты работы кратко суммируются в Заключении. Они были опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах [1-3], а также неоднократно докладывались на международных научных конференциях [4-5, и др.], в том числе самим автором.

2 Стандартная Модель

Стандартная Модель — это теория, описывающая взаимодействие элементарных частиц на основе математического аппарата квантовой теории поля. За последние десятилетия она прошла многочисленные проверки на экспериментах и все ее предсказания успешно подтверждались.

Фундаментальными частицами в Стандартной Модели являются леп-тоны и кварки, а также бозоны — переносчики взаимодействия трех типов — электромагнитного, слабого и сильного. Ими являются фотон, Z-и Ш^-бозоны, и глюоны, соответственно.

Физика сильных взаимодействий существенно отличается от слабого и электромагнитного, и поэтому эти два сектора описывают разные теории. Сектор сильных взаимодействий относится лишь к кваркам и описывается квантовой хромодинамикой. Слабое и электромагнитное взаимодействие объединены в теории электрослабых взаимодействий.

Выводы и результаты работы

1. Автором определены сечения реакции е+е~ —» qq(7) для четырех различных значений энергии столкновения в районе Z-резонанса на основе данных, набранных на установке ДЕЛФИ в 1995 году.

Для обеспечения высокой точности этого измерения были рассчитаны и применены поправки к моделированию, а также произведена многосторонняя проверка качества данных. В результате, систематическая погрешность выполненного измерения составила 0.15%, при статистической точности порядка 0.25-0.35%. Найденные значения сечения, наряду с результатами других измерений в ДЕЛФИ, были использованы для определения параметров Z-резонанса.

2. Проанализированы данные, набранные ДЕЛФИ на этапе ЛЭП-2 при энергиях столкновения от 161 до 207 ГэВ, и определено сечение реакции е+е~ —> qq(7) в этом диапазоне энергий. При этом автором был разработан и применен метод эффективного подавления фона от событий рождения W.+W~~ пар.

3. Сравнение экспериментальных и теоретических данных показало, что имеется хорошее согласие между предсказаниями Стандартной Модели и измерениями. С использованием полученных результатов были проверены несколько теорий, построенных на гипотезе о существовании дополнительного тяжелого Z'-бозона. Фитирование не дало подтверждения данной гипотезы и в результате выведен нижний предел на массу Z', равный 300 ГэВ/с2. Результаты были также проинтерпретированы в рамках формализма S-матрицы. В этом исследовании тоже было найдено хорошее согласие со Стандартной Моделью.

4. Результаты измерения сечения, полученные автором, стали составной частью данных, используемых объединенной группой по электрослабой физике в ЦЕРН для проверки Стандартной Модели и фитирования ее параметров. С их помощью были определены с высокой точностью основные параметры Стандартной Модели, и найденные значения опубликованы в таблицах Particle Data Group. А также показано, что данная теория успешно описывает процессы взаимодействия элементарных частиц в диапазоне энергий, достижимых на сегодняшний день.

Благодарности

Автор искренне благодарен А.Г.Ольшевскому и М.Винтеру за руководство и помощь в проделанной работе и за разъяснение многих теоретических вопросов.

Автор благодарен В.Николаенко и Т.Тодорову за значительную помощь, которую они ему оказали в освоении анализа данных на ДЕЛФИ.

Автор благодарен Г.А.Шелкову за всяческую поддержку.

Автор благодарен своим коллегам по ST1 группе в ДЕЛФИ Д.Делла Рике, Т.Майклбусту и И.Бойко за интересное и результативное сотрудничество в течение нескольких лет.

10 Заключение

1. P.Abreu,. M.Nikolenko,. DELPHI collaboration], Eur. Phys. J. C16 (2000) 371

2. См. также Г.Д.Алексеев и др., Письма в ЭЧАЯ N1 98.-2000, стр. 10-11

3. P.Abreu,. M.Nikolenko,. DELPHI collaboration], Eur. Phys. J. Cll1999) 383

4. P.Abreu,. M.Nikolenko,. DELPHI collaboration], Phys.Lett. B4852000) 454. "DELPHI results on Z lineshape and 2 fermion physics at LEP-2" in proc. of the Fourteenth Lake Louise Winter Institute

5. A.Berhmann,. M.Nikolenko,., "Results on Fermion-pair production at LEP running from 192 to 202 GeV", Contributed paper for Osaka ICHEP'OO conference, DELPHI 2000-182 CONF 427

6. A.Berhmann,. M.Nikolenko,., "Results on Fermion-pair production at LEP running in 2000", Contributed paper for EPS HEP2001 (Budapest) and LP01 (Rome) conferences, DELPHI 2001-094 CONF 522

7. DELPHI collaboration, Nucl. Instr. Meth. A303 (1991) 233-276 DELPHI collaboration, Nucl. Instr. Meth. A378 (1996) 57-100

8. F.Glege et al., "On-line quality checking for the 1995 hadronic line-shape", Delphi note 95-152 DAS 182

9. M.Bigi et al., "Luminosity measurement in 1994 with the STIC detector", Delphi note 97-08 PHYS 667

10. The LEP Energy Working Group, Eur. Phys. J. C6 (2) (1999) 187-223

11. S.J.Alvsvaag et al., Nucl. Instr. Meth. A425 (1999) no.1-2, pp. 106-39

12. Hulth, P.O., "DELPHI general simulation program", CERN-PRE-88-005

13. T.Sjostrand, Сотр. Phys. Comm. 39 (1986) 347

14. S. Jadach et al., hep-ph/9903381

15. S. Jadach et al., Phys. Lett. B390 (1997) 298-308

16. F.A.Berends et al., Nucl. Phys. B304 (1988) 712

17. S.Jadach et al., Сотр. Phys. Comm. 66 (1991) 276

18. F.A.Berends et al., Nucl.Phys. B424 (1994) 308 F.A.Berends et al., Сотр. Phys. Comm. 85 (1995) 437

19. J.Fujimoto et al., Сотр. Phys. Comm. 100 (1997) 128

20. E.Accomando et al., hep-ph/0204052

21. S.Nova et al., "Monte Carlo event generator for two photon processes" Delphi note 90-35 (1990)

22. D.Bardin et al., hep-ph/9908433

23. D.Bardin et al., hep-ph/9902452

24. Gustaaf Brooijmans, hep-ex/0005030

25. P.Abreu et al., "SPRIME A Package for Estimating the Effective v7^ Centre of Mass Energy in qq(7) Events", Delphi note 96-124 PHYS 632

26. A.Leike et al., Phys. Lett. B273 (1991) 1197 T.Riemann et al., Phys. Lett. B293 (1992) 451 S.Kirsh et al., Сотр. Phys. Comm. 88 (1995) 89

27. Comput. Phys. Comm. 10 (1975), pp.343-36727. hep-ph/0112021

28. P.Langacker et al., Phys. Rev. D30 (1984) 1470, D.London et al., Phys. Rev. D34 (1986) 1530

29. J.C.Pati et al., Phys. Rev. D10 (1974) 275, R.N.Monhapatra et al, Phys. Rev. Dll (1975) 566

30. A.Leike et al., Munich University preprint LMU-91/6