Измерение сечений и асимметрий рождения пар тау-лептонов, определение поляризации и поиск аномальных тензорных взаимодействий в распадах тау в эксперименте ДЕЛФИ на ускорителе ЛЭП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

2 Теория

2.1 Стандартная модель.

2.2 Тау-лептон.

2.3 Измерение параметров 2-резонанса.

3 Эксперимент ДЕЛФИ на ускорителе ЛЭП

3.1 Ускоритель ЛЭП.

О О г-\ ТТТР ТТ^ТЧТЯ" 1 < о.б С7лы1сримси-1ги1ьнс1>1 уитгшивла./-Ц-С^хч/*!.а I

3.3 Сбор и предварительная обработка данных в эксперименте ДЕЛФИ

3.3.1 Триггерная система.

3.3.2 Система сбора данных

3.3.3 Предварительная обработка данных

3.4 Основные физические процессы на ЛЭП-1.

3.5 Моделирование установки

4 Отбор событий рождения пар тау-лептонов

4.1 Отбор данных по состоянию установки.

4.2 Принципы отбора тау-лептонов на ЛЭП-1.

4.3 Отбор греков и фотонов

4.4 Критерии отбора событий рождения тау-пар в центральной части установки.

4.5 Отбор событий в торцевой части установки

5 Измерение сечения рождения и зарядовой асимметрии пар тау-лептонов

5.1 Определение сечения рождения тау-пар и оценка уровня остаточного фона

5.2 Определение зарядовой асимметрии вперед-назад

5.3 Оценка систематических погрешностей.

5.3.1 Систематическая погрешность измерения сечения рождения тау-пар

5.3.2 Систематическая погрешность измерения зарядовой асимметрии.

5.4 Результаты измерений сечения и зарядовой асимметрии рождения тау-пар и их интерпретация

6 Измерение поляризации тау-лептонов

6.1 Метод измерения поляризации.

6.2 Отбор адронных распадов тау-лептонов

6.2.1 Отбор в центральной части установки

6.2.2 Отбор в торцевой части установки

6.2.3 Результаты отбора адронных распадов.

6.3 Процедура определения поляризации тау-лептонов.

6.4 Интерпретация измерений в рамках Стандартной модели.

6.5 Поправки и систематические погрешности.

6.6 Результаты измерения поляризации тау-лептонов и их интерпретация.

7 Поиск аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов

7.1 Теоретическая модель.

7.1.1 Лептонные распады.

7.1.2 Полуадронные распады.

7.2 Отбор событий.

7.3 Метод измерения аномального тензорного взаимодействия

7.3.1 Лептонные распады.

7.3.2 Полуадронные распады.

7.4 Оценка систематических погрешностей.

7.5 Результаты измерения аномального тензорного взаимодействия

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное определение сечения и зарядовой асимметрии рождения пар тау-лептонов в электрон-позитронной аннигиляции е+е~ —> т+т~ при энергиях 2-резонанса, измерение средней поляризации тау-лептонов и ее угловой зависимости, а также поиск аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов.

ТЛллтта ттлооитда тт/л плм7йит.тс1 о ллгтлтлг тттт л/■»опфо тттдлиилй па^птч ттп выполнены автором в эксперименте ДЕЛФИ в течение 1995-2000 гг.

Научная новизна исследования. Впервые с высокой точностью были измерены параметры Z-peзoнaнca в канале т+т~ и поляризация тау-лептонов, рождающихся в распадах 2-бозонов, что позволяет определить параметры Стандартной модели электрослабого взаимодействия. Кроме того, впервые экспериментально поставлено ограничение сверху на силу аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов, допускающего наличие производных в лагранжиане взаимодействия.

Практическая ценность. Полученные результаты с высокой точностью подтвердили корректность предсказаний Стандартной модели электрослабого взаимодействия. Объединение всех измерений параметров г-резонанса дает верхнюю оценку массы Хиггс-бозона приблизительно 200 ГэВ/с2, что позволяет оптимизировать параметры установок, проектируемых для открытия и изучения Хиггс-бозона.

Автором была разработана и осуществлена процедура физического анализа данных эксперимента ДЕЛФИ. В частности, был проведен отбор событий рождения пар тау-лептонов, отбор адронных распадов тау-лептонов, определение сечений и зарядовых асимметрий рождения пар тау-лептонов и поляризации тау-лептонов, а также аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов. Для каждого из измерений была разработана процедура оценки систематических погрешностей. Кроме того, автором была разработана процедура интерпретации измерения поляризации тау-лептонов с учетом вклада радиационных поправок. Полученные результаты и разработанные процедуры использовались членами ксшлаборации ДЕЛФИ в дальнейшем физическом анализе.

Результаты, выносимые на защиту:

- Разработка метода отбора рождений пар тау-лептонов в эксперименте ДЕЛФИ;

- Определение сечений и зарядовых асимметрий рождения пар тау-лептонов в районе Z-peзoнaнca;

- Определение средней продольной поляризации тау-лептонов и ее угловой зависимости, а также интерпретация этих данных в рамках Стандартной модели;

- Установление верхнего предела на силу аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из восьми глав, в том числе Введения и Заключения.

Во Введении сформулированы цели диссертационной работы, перечислены выносимые на защиту результаты, подчеркнуты их новизна и практическая ценность.

Во второй главе содержатся основные положения Стандартной модели электрослабого взаимодействия. Обсуждаются теоретические предсказания модели и приводятся необходимые для физического анализа формулы и определения.

В третьей главе приводится общее описание ускорителя ЛЭП и эксперимента ДЕЛФИ. Описываются экспериментальная установка, система сбора данных, программы реконструкции и моделирования установки.

В четвертой главе описывается отбор событий рождения пар тау-лептонов. Действие каждого из критериев отбора иллюстрируется графиком, показывающим распределение событий по соответствующей переменной. Указаны различия в отборе событий в центральной и торцевой частях установки.

В пятой главе описываются определение сечения и зарядовой асимметрии рождения пар тау-лептонов. Приводятся методы определения уровня остаточного фона, реконструкции зарядов тау-лептонов, оценки систематических погрешностей измерений.

В шестой главе описывается определение средней продольной поляризации тау-лептонов по спектрам их адронных распадов. Приводится процедура идентификации частиц и отбора адронных распадов тау-лептонов. Особое внимание уделяется проверке корректности моделирования установки и связанным с этим систематическим погрешностям. Описывается процедура определения параметров Стандартной модели из угловой зависимости поляризации.

В седьмой главе описывается поиск гипотетического аномального тензорного взаимодействия тау-лептонов, которое характеризуется наличием производных в лагранжиане взаимодействия. Вводится необходимый теоретический формализм. Анализ лептонных и адронных распадов тау-лептонов в пределах экспериментальной точности согласуется с предположением об отсутствии аномального взаимодействия, что позволяет поставить верхний предел на величину его эффективной константы связи.

Результаты работы кратко суммируются в Заключении. Эти результаты неоднократно докладывались (в том числе и автором) на международных научных конференциях и были опубликованы в виде статей в отечественных и зарубежных журналах [1],[2],[3],[4].

2 Теория

Выводы и результаты работы

1. Автором разработан метод отбора событий рождения пар тау-лептонов. Этот метод, в частности, позволил впервые осуществить отбор тау-пар в торцевой части установки ДЕЛФИ. В целом метод обеспечивает высокую эффективность отбора (более 60% относительно полного телесного угла) при низком уровне остаточного фона (от 2.5% до 4.5% в зависимости от энергии столкновений). Эффективность отбора определялась из моделирования, а уровень остаточного фона - из реальных данных.

2. Определены значения сечений и зарядовых асимметрий рождения тау-пар при четырех различных энергиях столкновений в районе Z-peзoнaнca. Проведена оценка систематических погрешностей измерений. Полученные результаты хорошо согласуются с предсказаниями Стандартной модели и могут быть интерпретированы как определение "К-отношения" и "полюсной асимметрии" тау-пар:

Яг = 20.84 ±0.13 А% = 0.0241 ± 0.0037

3. Определена средняя продольная поляризация тау-лептонов, а также ее угловая зависимость, для чего использовались адронные распады тау-лептонов, отобранные при помощи специально разработанной процедуры идентификации частиц. Впервые определена поляризация тау-лептонов, зарегистрированных в торцевой части установки ДЕЛФИ. Интерпретация результатов в рамках Стандартной модели позволяет определить значение эффективного угла смешивания:

Бт2в1еЛ = 0.2339 ±0.0012

4. Впервые экспериментально исследована возможность существования аномальных тензорных взаимодействий, характеризующихся наличием производных в лагранжиане взаимодействия. Проведенный анализ спектров распадов тау-лептонов показал, что сила аномального взаимодействия согласуется с нулевым значением в пределах экспериментальной точности. Установлен доверительный интервал значений эффективной константы связи к^ аномального взаимодействия:

-0.096 < к™ < 0.037 (90%СЬ)

8 Заключение

1. DELPHI coll., P.Abreu, ., I.Boyko et al., E. Phys. J. C16 (2000) 371 См. также:

2. Г.Д.Алексеев, ., И.Р.Бойко и др., Письма в ЭЧАЯ No 1 98.-2000, стр.5

3. DELPHI coll., P.Abreu, ., I.Boyko et al., E. Phys. J. C14 (2000) 585 См. также:

4. Boyko, "Improved measurement of tau polarisation through its hadronic decays", in proc. of HADRON STRUCTURE'96 conference, Stara Lesna, Slovakia, 12-17 February 1996

5. T D f~\ T T !/■ " A 11 T4/~l Q -fn/^ TVl ОООПГЛГМ nrrf /"\f f Л11 rvrvlnvinn + i/ivi i w 7 J ЛЛЛ« 1 " 11

6. IDCjyK'vJ, J-lIi 11 p CI d I "CI Iii"cibUxCIIi\^xjiu vjjl ±11 и ) octm5al/A05188 in proc. of the 9th Meeting of the APS Division of Particles & Fields (DPF'96), Minneapolis, USA, 10-15 August 1996

7. Boyko, "Tau polarization at DELPHI", in proc. of 6th International Workshop on Tau Lepton Physics, Victoria, Canada, 18-21 September 2000

8. DELPHI coll., P.Abreu, ., I.Boyko et al., E. Phys. J. C16 (2000) 229 См. также:

9. Boyko, "Lorentz structure in tau decays", in proc. of 6th International Workshop on Tau Lepton Physics, Victoria, Canada, 18-21 September 2000

10. I.Boyko, "Tests of lepton universality in tau decays", in proc. of the International Conference on High Energy Physics, Tampere, Finland, 15-21 July 1999

11. S.L.Glashow, Nucl.Phys. B22 (1961) 579 S.Weinberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264

12. A.Salam, in Proc. of the 8th Nobel Symp., p.367, ed. N.Svartholm, (Almqvist and Wiksell) Stockholm, 1968

13. P.W.Higgs, Phys.Lett. 12 (1964) 132; Phys.Rev. 145 (1966) 1156

14. F.Englert and R.Brout, Phys.Rev.Lett. 13 (1964) 321

15. G.S.Guralnik, C.R.Hagen and T.W.B.Kibble, Phys.Rev.Lett. 13 (1964) 585

16. G.'t Hooft, Nucl.Phys. B33 (1971) 173 G.'t Hooft, Nucl.Phys. B35 (1971) 167

17. M.Consoli, W.Hollik and G.Jegerlehner, "Electroweak Radiative Corrections for Z° Physics", in Proceedings of the Workshop on Z Physics at LEP1, CERN 89-08 (1989), ed. G.Altarelli, R.Kleiss and C.Verzegnassi

18. N.Cabbibo, Phys.Rev.Lett. 10 (1963) 531

19. M.Kobayashi and T.Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49 (1973) 652

20. Наиболее точное предсказание массы t-кварка (из сделанных до его фактического обнаружения) было представлено в:

21. The LEP Collaborations, ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, and the LEP Electroweak Working Group, CERN Report No. CERN-PPE/94-187,1994 (unpublished).

22. CDF coll., F.Abe et al., Phys.Rev. 74 (1995) 2626 DO coll., F.Abachi et al., Phys.Rev. 74 (1995) 2632

23. S.Mele, in Proc. of International Europhysics Conference on High Energy Physics, 12-18 July 2001, Budapest, Hungary.

24. V.Venus, in Proc. of International Europhysics Conference on High Energy Physics, 12-18 July 2001, Budapest, Hungary.

25. Particle Data Group, D.E.Groom et al., Eur.Phys.J. C15 (2000) 1

26. F.Sciulli, in Proc. Int. Symp. on Lepton and Photon Intns., Stanford (1989) p.452

27. ALEPH Coll., D.Decamp et al., Nucl.Inst. and Meth., A294 (1990) 121

28. DELPHI coll., P.Aarnio et al., Nucl.Inst. and Meth., A303 (1991) 233

29. L3 Coll., B.Adeva et al., Nucl.Inst. and Meth., A289 (1990) 35

30. OPAL Coll., K.Ahmet et al., Nucl.Inst. and Meth., A305 (1991) 275

31. L.Arnaudon et al., Z.Phys., C66 (1995) 45

32. DELPHI coll., P.Abreu et al., Nucl.Inst. and Meth., A378 (1996) 57

33. R.Brun and J.Zoll, "ZEBRA User Guide", CERN Program Library (1994)23. "DELANA Users Guide", DELPHI Note 89-44 (1989) (unpublished)

34. D.Bardin et al., Nucl.Phys. (Proc.Suppl.) 37B (1994) 148

35. S.Jadach et al., Comp.Phys.Comm. 79 (1994) 503

36. S.Jadach et al., Comp.Phys.Comm. 70 (1992) 69

37. F.A.Berends, W.Hollik and R.Kleiss, Nucl.Phys. B186 (1981) 22

38. S.Jadach et al., Phys. Lett. B390 (1997) 298

39. S.Jadach et al., Comp.Phys.Comm. 102 (1997) 229

40. J.E.Campagne and R.Zitoun, Z.Phys C43 (1989) 469

41. T.Sjostrand, Comp.Phys.Comm. 43 (1987) 367

42. F.A.Berends, P.H.Daverveldt and R.Kleiss, Comp.Phys.Comm. 40 (1986) 271, 285, 309

43. S.Nova, A.Olchevski and T.Todorov, "Monte-Carlo event generator for two photon process", DELPHI Note 90-35 (1990) (unpublished)34. "DELSIM, DELPHI Event Generation and Detector Simulation User's Guide" DELPHI Note 89-15 (1989) (unpublished)

44. J. Wickens. "DEL AN A survey record" DELPHI Note 95-39 (1995) (unpublished)

45. Проверка симметричности установки ДЕЛФИ обсуждается в разделе 7.3 работы 1.

46. S.Jadach et al., Phys. Lett. B450 (1999) 262

47. ALEPH coll., D.Buskulic et al., Z.Phys. C69 (1996) 183

48. L3 Coll., M.Aciarri et al., Phys.Lett., B341 (1994) 245

49. OPAL Coll., G.Alexander et al., Z.Phys. C72 (1996) 365

50. DELPHI Coll., P.Abreu et al., Z.Phys. C67 (1995) 183

51. Particle Data Group, C.Caso et al., Eur.Phys.J. C3 (1998) 1

52. ALEPH coll., A.Heister et al., Eur.Phys.J. C22 (2001) 217

53. L3 coll., M. Acciarri et al., Phys. Lett. В 438 (1998) 405

54. OPAL coll., K. Ackerstaff et al., Eur. Phys. J. C8 (1999) 3

55. M.V.Chizhov, hep-ph/9612399

56. P.Seager, I.Boyko and M.Chizhov, "A measurement of the Michel parameters and the tau neutrino helicity and limits on tensor couplings in tau lepton decays", DELPHI Note 98-28 MORIO CONF 124 (paper prepared for winter conferences, 1998).

57. P.Seager, I.Boyko, M.Chizhov and P.Ratoff, "An Investigation of the Lorentz Structure in Tau Decays produced at LEP-1", DELPHI Note 98-102 ICHEP'98 CONF 170 (paper submitted to ICHEP'98 conference, Vancouver, 22-29 July 1998).