Измерение относительных вероятностей основных распадов D o-мезонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ -ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ГЕРШТЕЙН Елена Александровна

ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ОСНОВНЫХ РАСПАДОВ £°-МЕЗОНА

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

член корреспондент РАН М.В.Данилов

МОСКВА 1998

Оглавление

Введение 6

1 Распады мезонов, содержащих тяжёлый кварк 14

1.1 Стандартная Модель ............................................................14

1.2 Эффективный Гамильтониан....................................................17

1.3 Кварковая модель . . •..................................18

1.4 Распады D-мезонов..............................................................19

1.4.1 Полулептонные распады................................................23

1.4.2 Нелептонные распады D-мезонов......................................27

1.5 Фрагментация с-кварков, рожденных в е+е~ аннигиляции..................35

2 Экспериментальная установка 38

2.1 Электрон-позитронное накопительное кольцо

DORIS II...............................................................38

2.2 Установка ARGUS................................................................40

2.2.1 Магнитная система......................................................45

2.2.2 Вершинная дрейфовая камера..........................................45

2.2.3 Дрейфовая камера........................................................46

2.2.4 Временипролетная система..............................................48

2.2.5 Электромагнитный калориметр........................................49

2.2.6 Мюонные камеры........................................................50

2.3 Триггерная система детектора ARGUS........................................51

2.3.1 Быстрый триггер первого уровня......................................51

2.3.2 Триггер второго уровня..................................................54

2.4 Считывание и обработка информации..........................................55

2.5 Мониторинг светимости .................................................55

2.6 Анализ накопленных данных..................................56

2.7 Идентификация частиц на установке ARGUS................................56

2.7.1 Идентификация электронов..............................................59

2.7.2 Идентификация мюонов..................................................60

2.8 Моделирование детектора методом Монте-Карло..................61

3 Анализ экспериментальных данных 62

3.1 Экспериментальные данные и общие критерии отбора событий............62

3.2 Измерение относительных вероятностей распадов D0 —> К~тг+, К~тх+/к+,к~

и К°7Г-7г+ ........................................................................65

3.2.1 Источники фоновых событий............................................67

3.2.2 Критерии отбора и анализ массовых спектров; получение формы сигнала для углового распределения ..................................70

3.2.3 Анализ углового распределения и обсуждение систематических ошибок..........................................................................73

3.3 Измерение абсолютных вероятностей полулептонных распадов £)°-мезона 74

3.3.1 Источники фоновых лептонов............................................75

3.3.2 Определение эффективностей реконструкции лептонов................76

3.3.3 Анализ угловых распределений..........................................77

3.3.4 Импульсный спектр для электронов из распада D° —> е+иеХ распада 80

4 Обсуждение полученных результатов 82

4.1 Нелептонные распады D0 -мезона..............................................82

4.2 Полулептонные распады D0 -мезона............................................86

Заключение 88

Список рисунков

1.1 а) Диаграмма Фейнмана, соответствующая "пингвинному" распаду D0 -мезона; б) Обмен Ж-бозоном с "одеванием" слабой вершины жёсткими глюонами.......'.............................. 20

1.2 Диаграмма Фейнмана полулептонного распада D0 -мезона......... 23

1.3 Диаграммы Фейнмана, соответствующие распаду D0 —» К~7г+: а) Внешнее испускание W-бозона, б) Аннигиляционная диаграмма......... 31

1.4 а) Диаграмма Фейнмана, соответствующая распадам D0 -мезона класса I;

б) Диаграмма Фейнмана, соответствующая распадам D0 -мезона класса II 32

1.5 Диаграмма Фейнмана, соответствующая процессу е+е~ —> сс....... 36

2.1 Схема ускорительного комплекса DORIS II......................39

2.2 Схема детектора ARGUS..........................................................44

2.3 Измеренные удельные потери заряженных частиц в большой дрейфовой камере детектора ARGUS. ...................................................58

2.4 Распределение квадрата массы в зависимости от импульса по результатам измерений временипролетной системы ToF..............................58

3.1 Эффективности регистрации лептонов в детекторе в зависимости от импульса ....................................... 64

3.2 Иллюстрация к методу определения оси струи................ 67

3.3 Распределение по |cos ©„j для полностью восстановленных распадов D0 —► К~тг+ , D° —> К"~7г+7г+7г_ , D0 —> К°тт+к~ . Показан вклад от распада Е^ —> Aj"^* 69

3.4 Распределение по переменной thrust для событий с полной множественностью Ntot > 6, имеющих мягкий пион...................... 70

3.5 Инвариантная масса D07г+ комбинаций.................... 72

3.6 Распределение по | cos ©тгЬ для событий, содержащих мягкий пион с импульсом рж < 200 MeV/c ............................ 73

3.7 Распределение по cos Qw для событий, содержащих лептон в одной полусфере с пионом ................................. 75

3.8 Распределения по cos ©^ для событий, содержащих лептон в одной полусфере с пионом, после побинного вычитания фонов............. 78

3.9 Распределения по j cos ©^ j для событий с электроном в полусфере, не содержащей сигнальный пион, после побинного вычитания фонов...... 79

3.10 Окончательный спектр электронов от полулептонных распадов D0 -мезона 81

4.1 Значение Br(D° —> К~п+), измеренное различными экспериментами ... 84

Список таблиц

1.1 Характеристики И0, и мезонов........................................19

1.2 Предсказания относительных вероятностей полулептонных распадов £)° -мезонов в моделях ВЭ"\¥, КБ и IGSW; для сравнения приведены данные

из " Обзора свойств элементарных частиц"....................................28

1.3 Предсказания ВБ\У для некоторых двух-частичных распадов -мезонов 33

1.4 Предсказания ВБ\У для некоторых двух-частичных распадов -мезонов 35

3.1 Фоны, дающие вклад в сигнальную область для событий с лептоном в полусфере пиона..................................................76

3.2 Фоны, дающие вклад в сигнальную область для событий с лептоном в полусфере, не содержащей сигнальный пион....................................79

4.1 Сводка результатов по нелептонным распадам В0 -мезона..................85

4.2 Сводка результатов по полулептонным распадам -мезона..............86

Введение

Прошло уже почти четверть века с момента открытия в ноябре 1974 года векторных мезонов [24, 25] с массой 3.095 СеУ/с2 и^' с массой 3.685 СеУ/с2 . Это событие часто называют "ноябрьской революцией", подчеркивая степень влияния, которое оно оказало на дальнейшее развитие физики элементарных частиц. Оказалось, что обе частицы обладают всеми свойствами сс-системы, т.е. связанного состояния очарованных кварков, кварков второго поколения, существование которых было предсказано в рамках кварковой модели за несколько лет до этого [1]. Понятие "кварк", бывшее прежде некой математической абстракцией, приобрело живое физическое воплощение, превратилось в реальный объект Природы. Вскоре после обнаружения частиц с так называемым "скрытым" чармом последовали наблюдения очарованных адронов с "открытым" чармом, т.е. частиц, состоящих из очарованного кварка и легких антикварков. В е+е~ -аннигиляции были найдены псевдоскалярные ,1Р = О- £>-мезоны [26, 27].

В "Обзоре свойств элементарных частиц" за 1996 год [2] упоминается 24 мезона и 9 барионов, в состав которых входит очарованный кварк, причем большинство из них быстро распадается за счет сильного взаимодействия. £>0-, и 1)+-мезоны, состоящие из с-кварка и й-, й- или з-антикварков, распадаются слабым образом.

Эксперименты по исследованию систем, содержащих очарованные кварки, а также прогресс в теории, существенно продвинули понимание физики очарованных мезонов, их спектроскопии и распадов. Качество экспериментального материала по очарованным мезонам, накопленного за последнее время в различных экспериментах, позволяет проверить применимость теории в редких распадах, т.е. там, где может проявиться новая физика. Существующие и планируемые эксперименты имеют обширную программу по

исследованию очарованных мезонов, их масс, времен жизни и распадов.

Слабые распады очарованных частиц представляют интерес не только для понимания природы слабого взаимодействия, но и для исследования хромодинамических эффектов в промежуточной области энергий. Известно, что КХД существенно упрощается в пределе бесконечной массы кварка. Это свойство теории легло в основу Эффективной Теории Тяжёлого Кварка (НС^ЕТ), предлагающей расчёт амплитуд в пределе тд —> с» с поправками в виде систематического разложения по (1/гпд). Очевидно, что чем тяжелее кварк, тем надёжнее предсказания НС^ЕТ. Очарованные мезоны, занимающие промежуточное положение между тяжёлыми £>-мезонами и лёгкими К-мезонами, может быть, и не являются лучшими кандидатами для тестов предсказаний НС^ЕТ, но они являются идеальной "лабораторией" для исследования асимптотических 1 /гпд эффектов к пределу НС^ЕТ.

Эта работа посвящена измерению относительной вероятности инклюзивного полу-лептонного распада _0°-мезона и относительных вероятностей эксклюзивных мод —> Б0 —» А'~7г+7г+7г-, Б0 —> К°тт+тг^. Эти распады следует считать основны-

ми распадами .О0 -мезона, хотя бы потому, что их вероятность велика по сравнению с другими модами, не содержащими нейтральных частиц в конечном состоянии. Распады I)0 —» К~7г+ и -> Х1и£ представляют особый интерес для различных теоретических моделей, так как служат источником информации для фиксации параметров, входящих в вычисления для других предсказываемых каналов распадов £>°-мезонов. Надёжное знание относительной вероятности распада И0 —> и формы его лептонного спектра важно при оценке фона к полулептонным распадам Б-мезонов.

Значение Вг(О0 К"7г+) измерено с точностью около 5%, и мировое среднее, приводимое в 1994 году в "Обзоре свойств элементарных частиц", составляет

Бг(Г>° -> К~7г+) = (4.01 ± 0.14)% [3]. (1)

На него нормируют остальные моды распада И0. Определение абсолютных значений относительных вероятностей распадов Б+-мезона затруднительно из-за сложности в измерении выхода £>+-мезонов, так что после измерения отношения Д+ = Бг(£>° #-тг+)/Вг(£>+ К~7Г+7Г+) [4] £г(£>0 -»• К~тг+) становится нор-

мировочным и для распадов £>+-мезонов. Недавно также Вг(В5 —> </>7г+), нормирующий все распады Г>5-мезона, был модельно независимым образом связан с Вг(О0 —> К"7г+)

Есть также ряд экспериментальных результатов, на которые сильно влияет значение относительной вероятности распада —> К~п+.

Сумма вероятностей эксклюзивных полулептонных распадов Б-мезона меньше инклюзивных измерений Вг(В —> Х1и) [2], а измеренное число очарованных адронов на распад Б-мезона оказывается меньше ожидаемого [2]. В обоих случаях подсчет чарма существенно зависит от величины Бг(£>° —> К~к+).

Количество очарованных адронов на распад 5-мезона выражается по формуле

где Уя - величина темпа инклюзивного рождения произвольного очарованного адрона H, определяемая как = Вт (В —> НХ) + Вг(В —> НХ), Вагс обозначает совокупность очарованных барионов (Л+, Q°c), а (ее) обозначает состояния чармония.

В соответствии с последними данными коллаборации CLEO, а также оценки для рождения чармония [6], получим

[5]

nc = YD + YDs + YBarc + 2Br(B (cc)X),

(2)

nc = 1.10 ±0.06

(3)

Это же число можно определить и по-другому:

nc = 1 — Br(b —> не с) + Br(b —» ces'),

(4)

где инклюзивныи выход неправильных очарованных адронов есть

Br{b ces') = Вг{В -»■ DX) ± Вг(Б DsX)+

(5)

+Вг{В -»• ВагсХ) + Вг(В -» (сс)Х)

Используя данные коллаборации CLEO [6], получим

пс = 1.19 ±0.03.

(6)

Величины пс и пс очевидно должны быть равными. Причиной расхождения является два различных определения В (В —> DX). С одной стороны

(7)

Br(B DX) = 1 - Вг{В не с) - Вт{В D^X)-—Вг(В BarcX) - Br(B -> (ссХ) что приводит к величине

Br(B DX) = 0.89 ± 0.02; (8)

Br{B DX)

с другой стороны, используя измеренные CLEO величины YD [28] и г в

[7],

Вг(Б -> М) = (0.778 ± 0.041)

4.01%

Вг(В DX) (9)

Вг(£>° К-тг+)_ ' Приравнивая оба определения Вг(В —> £>Х) (8) и (9), получим

0.89 ± 0.02 = (0.778 ± 0.041) ,

Допустим, что расхождение связано с величиной Вг(О0 —»• К~п+). Тогда, разрешая уравнение (10) относительно Вг(О0 —> К~7г+), получим

(10)

Br(D° АТ-7Г+) = (3.50 ± 0.21)%,

(П)

что значительно меньше среднемирового значения из "Обзора свойств элементарных частиц" за 1994 год. Количество же с-кварков на распад Ь-кварка становится равным пс = пс — 1.20 ± 0.03, что ближе к теоретическому значению 1.35 ± 0.19 [8].

Стандартная модель предсказывает Rc =

T(Z° сс)

0.1725 [2]. В экспери-

r(Z° адроны)

ментах, использующих технику мечения сс-событий путем полного восстановления D*+-

мезонов в цепочке D*+ —> D°7г+, £>° —> 7г+, получают следующие значения этого отношения:

Rc = 0.148 ±0.007 ±0.011 DELPHI [9], (12)

Rc = 0.142 ± 0.008 ± 0.014 OPAL [10]. (13)

{Rc) = 0.146 ±0.010 (14)

что на 2.6 стандартных отклонения меньше теоретического предсказания. Разница приписывается завышенному Br(D° —> К~тг+), так как экспериментальное значение Rc

обратно пропорционально этой величине. Если же, допустив, что Rc равно значению, предсказываемому в СМ, решить возникающее уравнение

0.1725 = (0.146 ±0.0X0) [В(Д0^+Х

относительно Br(D° —> К~тг+) (число 3.84% есть среднемировое значение Br(D° —> К~п+) из "Обзора свойств элементарных частиц" за 1996 год, использовавшееся колла-борациями DELPHI и OPAL для вычисления Rc), то получим величину относительной вероятности распада D° —> K~ir+

Br(D° —> К~7г+) = (3.25 ± 0.22)%, (15)

что близко к числу, полученному из оценки пс. При использовании техники мечения сс событий без полного восстановления £>*-мезонов (требуя только наличие двух 7г-мезонов с маленьким рт относительно оси струи из распадов D*^) коллаборацией DELPHI было получено значение, совпадающее с СМ, Rc = 0.171Íq;oi2 i 0.015, хотя точность в определении этого числа ниже.

Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что величина Br(D° —> К~ 7г+), являющаяся определяющей для всей физики тяжелых кварков, завышена и нуждается в уточнении, а новое её измерение поможет прояснить проблему дефицита чарма, уточнить вероятности распадов Б-мезона и некоторые расхождения экспериментально определяемых Rc на ¿^-фабриках с теоретическими предсказаниями.

Полулептонные распады тяжелых мезонов служат источником информации о тяжелых кварках. Разница времен жизни D0- и 1)+-мезонов качественно объясняется разницей в их адронных ширинах. Измерение относительной вероятности инклюзивных полулептонных распадов D0 позволит уточнить его полулептонную ширину. До сих пор наблюдались только два Каббибо разрешенных эксклюзивных полулептонных распада £)°-мезона: D0 —> е+иеК~ и D0 —► е+иеК*~ с относительными вероятностями распадов (3.8 ± 0.22)% и (2.0 ± 0.4)% соответственно [2]. Сравнение суммы этих вероятностей с вероятностью инклюзивного полулептонного распада Br(D° —> е+иеХ) = (7.7 ± 1.2)% [2] позволяет предположить, что до 25% полулептонных распадов £>°-мезона происходит

через высшие резонансные состояния, но эти распады не наблюдались, а полученные верхние пределы относительно низки [2]:

Эксперимент Мода распада D0 Относительная

вероятность

на 90% CL

Е653 [29] < 0.14%

Е653 [29] K~7T+lT~fJ,+ Vß < 0.12%

CLEO [30] К*°7г~е+ие < 1.3%

Основной вклад в приводимое [2] среднее Br(D° —» е+иеХ) = (7.5 ± 1.2)% даёт единственное прямое измерение Br(D° —> е+иеХ) = (7.5 ±1.1 ±0.4)%, полученное в эксперименте MARK III [11]. Одной из возможных причин расхождения может быть переоценка вероятности инклюзивного полулептонного распада D0 в эксперименте MARK III. Другое измерение поможет прояснить эту проблему.

Исследование проведено на основе данных, полученных на установке ARGUS, в создании и эксплуатации которой активнейшее участие принимали физики ИТЭФ. Детектор ARGUS работал на е+е~~ накопительном кольце DORIS II (г. Гамбург, Германия) и обладал превосходными возможностями для изучения рождения очарованных частиц в континууме, в частности D-мезонов.

Основной проблемой в определении относительных вероятностей распадов D0-Me3OHOB является подсчет полного числа D0-Me3OHOB. В данной работе выход D0 из распада D*+ —» D°7г+ определялся методом частичной реконструкции D*+-Me30Ha по мягкому пиону, причем форма сигнала была получена из данных по полностью восстановленным цепочкам распадов D*+ —> D°7г+; D° —> К~7Г+, К~тг+п+п~, и, таким образом, не зависела от модельных предположений. Полное восстановление эксклюзивных цепочек распадов D*+ —> D°7г+; D° —> К~7г+, К~7г+7г+7г~, К°7Г+7Г~ даёт число исследуемых распадов D0 и позволяет измерить относительные вероятности этих распадов. Требуя лептон соответствующего заряда и направления по отношению к направлению импульса и заряду мягкого пиона, тем же методом частичной реконструкции D*+-Me30Ha были определены числа распадов D*+ —► D°7г+; D° —> 1+щХ и распадов

с —»■ 1+щХ , что дало возможность измерить относительные вероятности полулептон-ных распадов _0°-мезонов и смеси очарованных адронов, рождающихся в нерезонансной е+е~~ аннигиляции в области энергии в системе центра масс сталкивающихся частиц около 10 GeV.

Основные материалы, положенные в основу данной диссертации, опубликованы в работах [12], [13], [14], [15].

Результаты, полученные в диссертации, докладывались на семинарах сотрудничества ARGUS в ИТЭФ и DESY, на международных конференциях по физике высоких энергий в Марселе [16], Монреале [17], Ля Туиле [18] и Морионде [19], на международных двухгодичных конференциях по нуклон-антинуклонным взаимодействиям NAN'93 [20], на XXII и XXIII международных зимних школах физики ИТЭФ [12], [14].

Диссертация состои�