Измерение сечения процесса e+e- → ηπ+π- в области энергии √s = 1.04 - 1.38 ГэВ с детектором СНД на коллайдере ВЭПП-2М тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

4846746

ШТОЛЬ Дмитрий Александрович

ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССА е+е~ щ+-к~ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИИ у/а = 1.04 - 1.38 ГэВ С ДЕТЕКТОРОМ СНД НА КОЛЛАЙДЕРЕ ВЭПП-2М

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 9 МАЙ 2011

НОВОСИБИРСК - 2011

4846746

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Голубев - кандидат физико-математических наук,

Владимир Борисович Учреждение Российской академии

наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Соколов - доктор физико-математических наук,

Анатолий Александрович ГНЦ РФ «Институт физики высоких

энергий», г. Протвино. Федотович - доктор физико-математических наук,

Геннадий Васильевич Учреждение Российской академии

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

ВЕДУЩАЯ - Учреждение Российской академии наук

ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт математики им. С.Л. Соболева

СО РАН, г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится " J^ " _ 2011г.

в " 7 Я. " часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.02 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект Академика Лаврентьева, 11. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан « Н » А^^Лк_ 2011 г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полное сечение аннигиляции е+е~ в адроны может быть использовано для проверки Стандартной модели. Величина

_ сг(е+е~ Ьаскош) <т(е+е-

используется для проверки кварковой модели. Сечение аннигиляции е+е~ в адроны необходимо также для интерпретации результатов эксперимента g-2, целью которого является поиск новых фундаментальных взаимодействий путем сравнения измеренного и расчетного аномального магнитного момента (АММ) мюона.

На данный момент расхождение предсказаний Стандартной модели с прямым измерением АММ находится на уровне 3 стандартных отклонений. Соответственно, существует потребность в увеличении точности расчета.

Расчет АММ мюона требует, в частности, учета вклада адронной поляризации вакуума, для чего необходимо знать полное сечение аннигиляции е+е~ в адроны.

Вклад в полное сечение аннигиляции е+е~ в адроны дают различные процессы, в частности, процесс е+ё~ т^тг+тг-.

Другое возможное использование измеренного сечения данного процесса — проверка гипотезы сохранения векторного тока путем сравнения с распределением по инвариантной массе адронов в процессе г —>

Детектором СНД на ускорительном комплексе ВЭПП-2М за время его работы (1995-2000 гг.) были накоплены данные в области 0.36 — 1.38 ГэВ. Эти данные (начиная с энергии 1.04 ГэВ) были использованы для измерения сечения процесса е+е~ —>■ Т]тг+7г~.

В настоящее время на месте ВЭПП-2М построен новый коллайдер ВЭПП-2000, способный работать на энергиях до 2 ГэВ в системе центра масс и имеющий проектную светимость более чем на порядок большую, чем ВЭПП-2М. Предполагается, что это позволит значительно увеличить точность измерения сечений, в том числе и процесса е+е~ —> т)тт+тт~.

Вторая часть работы посвящена модернизации мюонной системы детектора СНД для экспериментов на ВЭПП-2000. Мюонная система используется для подавления фона космических частиц — в событиях с нейтральным запуском она включена в антисовпадение — а также для

регистрации событий с рождением мюонов. Модернизация вызвана старением трубок, работавших ранее в стримерном режиме на смеси Аг+н-пентан, а также взрывоопасностью н-пентана.

Цель работы состояла в разработке методики выделения событий процесса е+е~ —» г}тг+п~ и измерении сечения этого процесса в области 1.04 — 1.38 ГэВ. Целью работы было также создание мюонной системы для детектора СНД с использованием пропорциональных трубок. Новые счетчики работают на смеси Аг+СОг в пропорциональном режиме, что обеспечивает длительный срок службы трубок.

Научная новизна работы. Процесс е+е~ —> г]тг+тг~ изучался в экспериментах НД, БМ2, КМД, ВаВаг, однако в данной работе была достигнута более высокая точность в области энергии 1.04 — 1.38 ГэВ. Во всех предыдущих экспериментах (кроме НД) процесс изучался в канале распада г/ —» 7г+тг~7г0. В данной работе (как и в НД) процесс изучался в канале Г] —> 77.

Научная и практическая ценность работы. Разработанная ме-тодш<а анализа процесса е+е~ —> т]7г+7Г~ может быть использована для измерения его сечения на ВЭПП-2000 при более высокой энергии и при большей светимости и, следовательно, статистике.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы для проверки кварковой модели и интерпретации результатов эксперимента g-2.

Мюонная система, созданная в ходе работы, установлена на детектор и стабильно работает, что позволяет рассчитывать на длительную работоспособность системы.

Вклад автора. Приведенные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. В эксперименте с детектором СНД на ВЭПП-2М измерено сечение процесса е+е~ -> г]тт+тт~ в области л/з = 1.04 ГэВ — 1.38 ГэВ.

2. Проведено сравнение результатов данной работы с результатами предыдущих работ. Полученные результаты согласуются с результатами предыдущих измерений, при этом имеют лучшую статистическую точность.

3. Мюонная система на основе пропорциональных счетчиков разработана и успешно работает.

Апробация диссертации была проведена в форме экспериментального семинара 29 октября 2010 года в ИЯФ СО РАН. Также материалы диссертации докладывались на Сессии ОЯФ секции физики РАН в 2008 году, 12-й Венской конференции в 2010 г, Конкурсе молодых ученых ИЯФ в 2010 году, на Семинарах ИЯФ. Результаты работы опубликованы в журнале «Письма в ЖЭТФ» (т. 92 вып. 2, 2010 г.), а также в Препринтах ИЯФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана цель работы, описаны возможные применения результатов, дан краткий обзор предыдущих экспериментов.

В первой главе описано устройство ускорительного комплекса ВЭПП-2М. Приведена схема ускорительного комплекса, его параметры и описание режимов его работы.

Во второй главе дано описание детектора СНД. Описаны основные системы детектора, их характеристики и возможные способы применения получаемых с них данных для обработки событий.

Сферический нейтральный детектор (СНД) работал на ускорительном комплексе ВЭПП-2М с 1995 по 2000 гг. Общая схема детектора СНД показана на рис. 1.

Данный детектор ориентирован в первую очередь на изучение процессов с большим количеством фотонов. Детектор состоит из трековой системы, электромагнитного калориметра и мюонной системы.

Назначение трековой системы заключается в измерении углов и точки вылета заряженных частиц. Трековая система состоит из двух дрейфовых камер, заполненных смесью 90%Аг+10%С02 и цилиндрического сцинтилляционного счетчика между ними. Охватываемый системой телесный угол составляет 98% от 4тг. Отличительной особенностью СНД является отсутствие магнитного поля в трековой системе.

Снаружи трековой системы расположен электромагнитный калориметр. Назначение калориметра заключается в измерении энерговыделения частиц с целью дальнейшей реконструкции их энергии, а также в измерении углов вылета нейтральных частиц, которые не регистрируются трековой системой. Калориметр СНД имеет сферическую форму и состоит из 3 слоев счетчиков на основе кристаллов Щ1(Т1), общее чис-

Рис. 1. Схема СНД на ВЭПП-2М: 1 - вакуумная камера, 2 - дрейфовые камеры, 3 - цилиндрический сцинтилляционный счетчик, 4 - световоды, 5 - ФЭУ, 6 - кристаллы Ыа1(Т1), 7 - вакуумные фототриоды, 8 - железный поглотитель, 9 - стримерные трубки мюонной системы, 10 - 1 см железные пластины, 11 - сцинтилляционные счётчики мюонной системы, 12 - магнитные линзы, 13 - поворотные магниты.

ло которых составляет 1632. Полная толщина калориметра — 34.7 см (13.4Хо, где Хо — радиационная длина). Такая толщина обеспечивает высокое энергетическое разрешение, а гранулированность — точность измерения углов вылета нейтральных частиц, которые не регистрируются трековой системой.

Снаружи калориметра находится железный поглотитель, а за ним — мюонная система. Мюонная система состоит из газовых трубок и сцин-тилляционных счетчиков. В старом варианте детектора (на ВЭПП-2М) трубки работали в стримерном режиме на смеси Аг+н-пентан (в модернизированном варианте — в пропорциональном режиме на смеси Аг+СОг) Мюонная система необходима для подавления фона от космических частиц и идентификации событий с рождением мюонов. Более подробно модернизация мюонной системы описана в главе 4.

Третья глава посвящена анализу процесса е+е~ —> в об-

ласти энергии 1.04 — 1.38 ГэВ. Использовались данные сканирований МНАБ9701, МНАБ9702 и МНАБ9901. Интегральная светимость составила 9.054 пб-1. Отбор событий для анализа производился по следующим критериям:

• В событии имеются ровно 2 заряженные частицы с треками в камере и кластерами в калориметре.

• Полное число частиц равно 4.

• 0.5 < Edeplyfs < 0.9, где Edep — полное энерговыделение в калориметре — для подавления квантово-электродинамического фона е+е~ -> е+е~77.

• 22.5° < < 180° — 22.5°, где #1,2 — полярные углы для заряженных частиц — для исключения событий с попаданием пионов в края детектора, где реконструкция может быть неточной.

• 36° < $3,4 < 180° — 36°, где #з,4 — полярные углы для нейтральных частиц — для исключения событий с попаданием фотонов в края калориметра, где энергия измеряется неточно, так как возможен выход ливня за пределы калориметра.

• £3,4 <0 — параметр «качества» фотона для нейтральных частиц. Этот параметр вычисляется на основе поперечного профиля электромагнитного ливня в калориметре и служит для разделения кластеров от одиночных фотонов и слившихся кластеров от различных фотонов.

• \Zk\ < 5 см, где Zf- — продольная координата точки вылета заряженных частиц по результатам реконструкции — необходимо для подавления космического фона.

• -Ri,2 < 1 см, где i?i,2 — расстояние от трека до оси пучков — также необходимо для подавления космического фона.

Кроме того, для отобранных по данным критериям событий производится кинематическая реконструкция событий в гипотезе е+е~ —>■ 7Г+7Г-77. Реконструкции подвергаются события с двумя заряженными и двумя нейтральными частицами. При этом гипотеза не содержит предположений о промежуточных состояниях. После реконструкции применяется дополнительный отбор:

• Хъ+п—гч < 20 — проверка того, что событие удовлетворяет гипотезе кинематической реконструкции.

• 300 < 7П^°ГГ < 700, где — инвариантная масса фотонов, скорректированная кинематической реконструкцией — для исключения событий, в которых пары фотонов не являются продуктами распада

77-мезона, например, процесс е+е~ —> 7г+7г-7г°, который удовлетворяет всем указанным условиям, кроме ограничения на инвариантную массу фотонов.

Основными фоновыми процессами являются процессы е+е~ а/7г° ~> 7Г+7Г-7Г°7Г° и е+е~ —> О17г0 —> 7Г+7Г-7Г°7Г°, которые при потере части фотонов (от распадов 7г°) могут пройти отбор по приведенным условиям. Также фоновыми являются процессы е+е~ —>■ 7Г+7Г_7Г° и е+е_ —> е+е_77-Результаты сравнения экспериментального и моделированного распределений по т77 для различных процессов приведены на рис. 2.

БЧ>

MChadronbfcg MC «Vyt Ькд

--МСц***

МСпкУ + ЬКа

400 450 500 550

600 650 700

m^ МэВ

i00 550 600 650 700

МэВ

Рис. 3. Пример фитирования моделированного спектра инвариантаых масс.

Рис. 2. Распределение по т77 (без коррекции при кинематической реконструкции) — эксперимент, моделированные фон и эффект и структура фона по моделированию.

Для подсчета числа событий эффекта использовался спектр инвариантных масс фотонов (скорректированных кинематической реконструкцией). В случае процесса е+е~ —¥ Г)тг+т:~ с распадом г] —> 77 спектр должен иметь пик на массе ^-мезона (550 МэВ). Метод вычитания фона заключается в аппроксимации спектра суммой двух функций, описывающих пик (изучаемый процесс) и подложку (фон) соответственно. Параметры формы пика определяются по моделированию (рис. 3), и при обработке экспериментальных данных их значения фиксируются.

Для аппроксимации спектра использовалась функция

F(x) = -Fpeafc(x) + Ъ(х),

(2)

где Рреак (®) описывает форму пика, а полином второй степени ЯДх) — подложку.

Soo 350 400 450 500 550 600 650 700

m^ МэВ

350 400 450 500 550

650 700

МэВ

Рис. 4. Экспериментальный спектр инвариантных масс фотонов в интервале энергий у/з = 1012.5—1112.5 МэВ и его аппроксимация.

Рис. 5. Экспериментальный спектр инвариантных масс фотонов в интервале энергий у/а = 1362.5-1387.5 МэВ и его аппроксимация.

= N[kG(x, ml,a1) + { 1 - k)G{x,m2,<T2)},

где 0 < к < 1, (3)

G(z,m,a) = ^exр •

При такой нормировке параметр N имеет смысл числа событий в пике.

Поскольку, однако, ширина и, возможно, положение пика зависят от y/s, необходимо учесть эту зависимость при аппроксимации экспериментальных данных. С этой целью функция для аппроксимации пика в экспериментальном спектре была задана следующим образом.

Fpeak =aF°eak(a-(x-m1-S)+mi). (4)

Таким образом, a имеет смысл поправки к ширине, a S — сдвига. При этом N сохраняет смысл полного числа событий в пике. Этой функцией были подогнаны спектры инвариантных масс во всех точках по моделированию (со свободными параметрами N, a, S). Были построены зависимости а и S" от энергии пучка. Оказалось, что зависимость а может быть описана квадратичной функцией, a S — константой.

Примеры аппроксимации экспериментальных спектров показаны на рис. 4, 5.

Эффективность регистрации вычислялась на основании моделирования детектора программой UNIMOD в точках от 1000 МэВ до 1400 МэВ с шагом 50 МэВ по y/s.

Видимое сечение вычислялось для каждого эксперимента в отдельности как (Tvia = (Treg/e, где erreg — сечение регистрации, а е — эффективность регистрации в данном интервале энергий для данного эксперимента. Затем видимое сечение усреднялось с весами, обратно пропорциональными квадратам погрешностей для каждого интервала энергии по всем трем экспериментам.

Борновское сечение процесса вычислялось с помощью программы FIT. Программа FIT предназначена для аппроксимации сечений с учетом радиационных поправок. Пусть имеется теоретическая зависимость бор-новского сечения <tb(s) и набор измеренных значений <7y*sp(sj) с погрешностями для различных точек по энергии. Видимое сечение описывается функцией:

2Етдх л/з

<Jvis{s)= J F(z,s)vb(s(1 — z))dz — ¡tb(s)(1 + <5(s)), (5) 0

где F(z, s) — плотность вероятности излучения фотона с энергией Zy/s/2. Эта зависимость используется для аппроксимации измеренного видимого сечения. Величина 1 + 5 называется радиационной поправкой. Экспериментальное борновское сечение вычисляется как

ехр/ \

^ = (6) Аппроксимация сечения проводилась с использованием функции

(x/s-тпч)2

а(е+е~ -»• щ+тг') = / 4mJ

Ar _ 4sl 1 V^IV^p^s.g2) |F( N12 (7)

p2 _ (s-m2-?2)2-4m2g2 ГП ~ 4s

Зависимость ширины p от передаваемого 4-импульса задается формулой

Гр(д») в Гр(ш»)5р § , где pltf) = 4 - m*. (8)

Для р(1450) и р(1700) ширина считалась постоянной.

1050 1100 <150 1200 1250 1300 1350 1400

Vs, МэВ

= 5

u

ь

4 3 2 1 0

[ { —IN0 »•• 1М0 ят —|>вм —— *М> >М ЛТ СММ

А/ \ \М 1 1 • • • 1 ....... 1 • •

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Vs, МэВ

Результаты СНД и КМД-2. Кривая - результат аппроксимации данных СНД.

Результаты СНД, КМД-2 и ВаВаг. Сплошная кривая - результат совместной аппроксимации данных СНД (ниже 1.4 ГэВ) и ВаВаг (выше 1.4 ГэВ), пунктирная - только данных СНД.

Рис. 6. Ворновское сечение для процесса е+е- —> т]ж+тт~ по данным СНД (данная работа), КМД-2 и ВаВаг. На графиках квадраты - результаты ВаВаг, треугольники - результаты КМД-2, круглые точки - результаты данной работы.

Формфактор F(s) описан как

F(s) = £

Шу

9Vi

9vPr,

m

v

+ iy/srv(s)'

(9)

В нашем случае V принимает значения р(770), р(1450) и />(1700). дурт, можно записать как \дур7]\ ехр(г^у). Для р принимается фр—0, для Фр( 1450) и фр(17оо) допускаются значения 0 и ж. Обозначил? ду = ¡ду^/ду-у-Значения \дррп\ и дР1 вычислялись из табличных данных по формулам

а2 = —а2-

Уру з " j

а2 _ Мт3

Урп-у а ,пР (т^-т*)3'

\9ррп \ ~ 9py9pri~f-

(10)

В результате вклад р определен полностью. Свободными параметрами аппроксимации являются, таким образом, 5p(i450) и Зр(1700)-

Фитирование данных производилась в двух вариантах: фитирование только данных СНД (в этом случае др(поо) принималось равным нулю) и фитирование данных СНД совместно с данными ВаВаг. Данные ВаВаг использовались только в области -Js выше 1400 МэВ. Результаты

Таблица 1. Борновское сечение.

•у/я, МэВ 04-13, Нб сгв, нб аЕа1>аг, нб 1 + <5 1 + <5ВаВаг

1080.43 <0.065 СЬ=95% <0.075 СЬ=95% 0.875

1167.29 0.074 ± 0.047 0.084 ± 0.054 0.084 ± 0.054 0.876 0.874

1237.63 0.220 ± 0.081 0.252 ± 0.093 0.253 ± 0.094 0.872 0.870

1289.71 0.336 ± 0.100 0.387 ± 0.115 0.388 ± 0.116 0.868 0.865

1325.54 0.599 ± 0.165 0.692 ± 0.191 0.694 ± 0.193 0.866 0.864

1351.41 0.644 ± 0.114 0.742 ± 0.134 0.744 ± 0.137 0.867 0.865

1376.52 1.105 ± 0.188 1.269 ± 0.218 1.273 ± 0.221 0.871 0.868

показаны на рис. 6. Для сравнения показаны также результаты КМД2. Численные значения сечения приведены в таблице 1. Здесь о"в и 1 + 5 — борновское сечение и радиационная поправка, вычисленные при аппроксимации только данных СНД, а ОдаВаг и 1 + 5ВаВаг — борновское сечение и радиационная поправка, вычисленные при совместной аппроксимации данных СНД и ВаВаг.

Таким образом, данные БИБ и ВаВаг существенно не расходятся друг с другом и удовлетворительно описываются выбранной моделью.

По результатам анализа систематических погрешностей можно сделать вывод, что из всех источников систематических погрешностей значимыми являются только неточность моделирования (5.2%) и неточность моделирования полного энерговыделения (3.3%). Вклады остальных источников несущественны.

В четвертой главе описана мюонная система детектора и её модернизация. Мюонная система СНД (рис. 7) состоит из двух подсистем: системы пропорциональных (до модернизации — стримерных) трубок и системы сцинтилляционцых счетчиков.

Трубки сгруппированы в 14 баррельных и 2 торцевых модуля. Бар-рельные модули расположены вокруг детектора (параллельно оси пучка) и перекрывают весь диапазон углов ф, кроме нижнего сектора, соответствующего по размеру двум модулям. Каждый из них включает 16 трубок. Торцевые модули расположены по одному на каждом из торцов и включают по 32 трубки каждый.

Поверх каждого модуля расположена железная пластина толщиной 1 см, поверх которой закреплен сцинтилляционный счетчик. Счетчики баррельной части несколько смещены по углу ф по отношению к модулям трубок и перекрываются друг с другом. В торцевой части поверх

z

Рис. 7. Конструкция мюонной системы детектора СНД: баррельная часть (слева) и торцевая (справа).

каждого торцевого модуля расположены 2 счетчика: один (нижний) — параллельно железной пластине, другой (верхний) — под углом к ней с наложением на первый.

Железная пластина между трубками и счетчиками нужна для поглощения остатков ливней, выходящих за пределы калориметра.

Трубки в модуле расположены в 2 слоя. Диаметр трубок составляет 4 см, длина — 2 м. Они выполнены из нержавеющей стали толщиной 300 мкм. По оси трубки натянута проволочка из золоченого вольфрама.

Сцинтилляционный счетчик представляет собой лист органического сцинтиллятора размерами 200 х 40 х 1 см3, обернутый алюминизирован-ным лавсаном и заключенный в контейнер из жести. Счетчик с обеих сторон просматривается ФЭУ.

Мюонная система вырабатывает один из аргументов первичного триггера — ACT, который вычисляется по следующей логической формуле:

ACT = ACi ■ TUi + Е (АСк + АСк+1) ■ TUk+l+ .

к=1

(АСи + AClt) ■ TUlb + (ACif + АС18) ■ TUl6,

где TUk — срабатывание модуля трубок с номером к, а АСк — срабатывание сцинтилляционного счетчика с номером к. Значениям к от 1 до 14 соответствует баррельная часть мюонной системы, а ГС/15,16 и ACi5_i8 — торцевой.

Сигнал ACT используется первичным триггером детектора. Если в событии с нейтральным запуском (запуском от калориметра без сраба-

тывания трековой системы) сработал сигнал ACT, то такое событие блокируется первичным триггером как космическое.

В варианте детектора 1995-2000 гг. трубки работали в режиме ограниченного стримерного разряда на газовой смеси аргона и н-пентана. Однако такой режим имеет недостатки: во-первых, используется горючий газ н-пентан, во-вторых камера быстро стареет, так как покрывается органикой, образовавшейся при разряде. Поэтому при модернизации решено было перейти к пропорциональному режиму работы трубок на смеси аргона и СОг- Такое изменение потребовало разработки новой электроники трубок, подбора состава газовой смеси и диаметра проволочки.

Для решения этой задачи был создан прототип пропорционального счетчика мюонной системы. Прототип представляет собой трубку диаметром 4 см и длиной около 50 см из нержавеющей стали с проволокой из золоченого вольфрама, натянутой по оси трубки. В трубке просверлены отверстия диаметром 2 мм, загерметизированные тонким слоем пластика для облучения трубки радиоизотопным 7-источником 65Fe. Трубка заполнена газовой смесью. Высокое напряжение подается на проволоку через RC-фильтр.

Для выбора оптимального режима работы трубки необходимо учитывать счетную характеристику трубки (то есть зависимость скорости счета от напряжения) и спектр времен дрейфа ионизации от космических частиц.

Счетная характеристика снималась с использованием 7-источника 55Fe.

Другой важной характеристикой трубок является временной спектр, необходимый для определения максимально возможного времени дрейфа ионизации, которым определяется быстродействие трубок. Исходя из времени ожидания первичного триггера требовалось получить время дрейфа не более 600 не.

Временной спектр измерялся с помошью космических частиц. Для этого был собран «телескоп» из 2 сцинтилляционных счетчиков, между которыми находится трубка.Сигналы счетчиков подаются на усилители, затем на дискриминаторы, затем на схему совпадения, выходной сигнал которой подается на вход «старт» ВЦП. Сигнал с трубки через линию задержки подается на вход «стоп» ВЦП.

На основе измерений счетных характеристик и временных спектров были выбраны проволочка диаметром 50 мкм и рабочая газовая смесь состава 96.5%Аг+4.5%СОг. При этом обеспечивается диапазон рабочих

напряжений 2.0 — 2.2 кВ и время дрейфа электронов в пределах 600 не, что достаточно для нормальной работы первичного триггера.

Штатная электроника модулей имеет ту же блок-схему, что и электроника прототипа.

Электроника модуля питается постоянным напряжением ±6 В. Кроме того, отдельно подается высокое напряжение 2.1 кВ. Для управления порогом каждый комплект электроники имеет специальный вход, на который подается постоянное напряжение от ЦАП (одного на все модули). Электроника модуля имеет также калибровочный вход — сигнал с него через емкость подается на входы всех каналов для контроля их работоспособности.

Логические сигналы с выхода модулей передаются на считывающую электронику, выполненную в виде блоков в стандарте КЛЮКВА. Каждый блок считывает 32 трубки — то есть, 2 баррельных или один торцевой модуль. Сигналы «быстрое ИЛИ» подаются через разветвители на схему формирования сигнала ACT (11) и на блоки «ДА-НЕТ», которые фиксируют факт срабатывания или несрабатывания каждого модуля.

Все модули были протестированы путем снятия счетных характеристик и временных спектров по методике, аналогичной методике для прототипа.

На данный момент (начало 2011 г.) система трубок собрана и работает в штатном режиме.

В заключении приведены основные результаты работы:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В эксперименте с детектором СНД на ВЭПП-2М измерено сечение процесса е+е~ —> т]ж+тт~ в области */s — 1.04 ГэВ ч- 1.38 ГэВ.

2. Проведено сравнение результатов данной работы с результатами предыдущих работ. Полученные результаты согласуются с результатами предыдущих измерений, при этом имеют лучшую статистическую точность.

3. Мюонная система на основе пропорциональных счетчиков разработана, собрана и успешно работает. Ее характеристики отвечают запланированным требованиям.

В дальнейшем планируется провести измерение сечения процесса е+е~ —> г/7г+тг~~ на ВЭПП-2000 в области до 2 ГэВ с существенно (на

порядок) большей статистикой. Ожидается, что удастся получить новые данные по спектроскопии возбужденных состояний р-мезона.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. М.Н. Ачасов, ..., Д.А. Штоль и др. Измерение сечения процесса е+е~ 7?7г+7г~ в области энергии s/s =1.04-1.38 ГэВ с детектором СНД на коллайдере ВЭПП-2М. // Письма в ЖЭТФ, 92: 80-84,2010.

2. M.N. Achasov,..., D.A. Shtol et al. Study of process e+e~ -> 7г+7г-тг07г0 at energies y/s < 1 GeV with the Spherical neutral detector. // JETP, 109: 379-392, 2009; ЖЭТФ, 136: 442-457, 2009.

3. M.N.Achasov,..., D.A. Shtol et al. Spherical Neutral Detector for experiments at VEPP-2000 e+e~ collider, Третье Всероссийское совещание «Прецизионная физика и фундаментальные физические константы», Сапкт-Петербург, 7-10 декабря 2010, р. 71.

4. Г.Н. Абрамов,..., Д. А. Штоль и др. Детектор СНД: состояние дел и первый опыт работы с пучками ВЭПП-2000. // Новосибирск, 2009, Препринт ИЯФ 2009-19.

5. Г.Н. Абрамов ..., Д. А. Штоль и др. Детектор СНД: модернизация систем для экспериментов на ВЭПП-2000 и некоторые предварительные результаты экспериментов на ВЭПП-2М. // Новосибирск, 2007, Препринт ИЯФ 2007-20.

6. Д. А. Штоль. Счетчики для мюонной системы детектора СНД на основе пропорциональных трубок. Магистерская диссертация. ИЯФ, Новосибирск, 2005.

7. Д.А. Штоль. Счетчики для мюонной системы детектора СНД на основе пропорциональных трубок. // Труды ВНКСФ-12, 2005.

8. Г.Н.Абрамов,..., Д.А. Штоль и др. СНД - статус модернизации и анализа данных. // Новосибирск, 2005, Препринт ИЯФ 2005-35.

ШТОЛЬ Дмитрий Александрович

Измерение сечения процесса е+е- —»• Т]'к+ж~ в области энергии л/з =1.04—1.38 ГэВ с детектором СНД на коллайдере ВЭПП-2М

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 18.02.2011 г. Подписано в печать 21.02.2011 г. Формат бумаги 100x90 1/16 Объем 1.0 печ.л., 0.8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 4_

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

Введение

Глава 1. Ускорительный комплекс ВЭПП-2М

Глава 2. Детектор СНД

2.1. Трековая система

2.2. Калориметр

2.3. Мюонная система

2.4. Эксперименты с детектором СНД.

2.5. Модернизация детектора СНД.

Глава 3. Изучение процесса е+е~~ —> г)7Т+7г~

3.1. Используемые экспериментальные данные

3.2. Условия отбора

3.3. Кинематическая реконструкция

3.4. Фоновые процессы.

3.4.1. Сравнение фона в эксперименте и моделировании

3.5. Измерение видимого сечения.

3.5.1. Моделирование детектора

3.5.2. Описание формы спектра.

3.5.3. Измерение числа экспериментальных событий.

3.5.4. Эффективность

3.5.5. Видимое сечение.

3.6. Борновское сечение

3.7. Анализ систематических погрешностей.

3.7.1. Систематические погрешности, связанные с неточностями моделирования.

3.7.2. Погрешность, связанная с отбором по углам вылета фотонов.

3.7.3. Погрешность измерения светимости.

3.7.4. Погрешность аппроксимации борновского сечения

3.7.5. Результаты анализа систематических погрешностей . . 54 3.8. Обсуждение результатов

Глава 4. Мюонная система.

4.1. Устройство мюонной системы

4.2. Модернизация мюонной системы

4.3. Принцип действия пропорциональных камер.

4.4. Измерения на прототипе .;.

4.4.1. Измерения счетных характеристик

4.4.2. Измерение временных спектров

4.7. Заключение

В ходе выполнения работы достигнуты следующие результаты:

1. В эксперименте с детектором СНД на ВЭПП-2М измерено сечение процесса е+е~ —»т]7т+тт~ в области >/£ =1.04 ГэВ 4-1.38 ГэВ.

2. Проведено сравнение результатов данной работы с результатами предыдущих работ. Полученные результаты согласуются с результатами предыдущих измерений, при этом имеют лучшую статистическую точность.

3. Мюонная система на основе пропорциональных счетчиков разработана, собрана и успешно работает.

Сечение процесса е+е~ —» г)7г+тг~ в начале исследуемой области энергий (1.04 ГэВ) статистически неотличимо от нуля. В конце иследуемой области (1.38 ГэВ) оно достигает 1.27 нб. Сечение возрастает монотонно, что обусловлено доминирующим вкладом резонанса р(1450). Также значимым является вклад р{770). Значимый вклад резонанса р(1700) по измерениям на ВЭПП-2М не был обнаружен — измеренная зависимость сечения от энергии аппроксимируется теоретической моделью при вкладе р(1700) принятом равным нулю.

Аппроксимация измеренного сечения теоретической зависимостью показала, что выбранная модель удовлетворительно описывает сечение процесса. Совместная аппроксимация с данными ВаВаг также показала, что результаты СНД и ВаВаг могут быть удовлетворительно описаны теоретической моделью с общими параметрами и, следовательно, согласуются.

Статистическая точность данных СНД во всем диапазоне выше, чем в предыдущих экспериментах. КМД2 проводил измерения в области 1.28 —

1.38 ГэВ, BaBar — во всей изучаемой области и выше нее. Данные СНД совместимы с данными ВаВаг и КМД2.

В дальнейшем планируется провести измерение сечения процесса е+е~ —»• т]7Г+7т~ на ВЭПП-2000 в области до 2 ГэВ с существенно (на порядок) большей статистикой. Ожидается, что удастся получить новые данные по спектроскопии возбужденных состояний р-мезона.

Мюонная система детектора СНД функционировала в заходах 2009-2010 гг без серьезных неисправностей. Время дрейфа электронов лежит в пределах 600 не и является допустимым. Ширина плато счетной характеристики составляет около 200 В, что обеспечивает стабильную работу системы при возможных колебаниях высокого напряжения.

Загрузки модулей (по сигналам быстрого ИЛИ трубок модуля) находятся в пределах 250-280 Гц (для торцевых модулей - в пределах 400 Гц). Опыт работы системы позволяет рассчитывать, что она сможет проработать в течение всего планируемого эксперимента (порядка 10 лет) без замены трубок.

В заключение я хочу выразить благодарность моим научным руководителям за помощь в работе над диссертацией. Также благодарю всех коллег по работе, особенно А.А Сироткина, A.B. Чегодаева, A.A. Короля, Д.А. Букина. Отдельную благодарность я выражаю коллективу ВЭПП-2М и лично Ю.М. Шатунову и И.А. Коопу, а также руководству Института ядерной физики за то, что сделали возможным проведение данной работы.