Измерение структурной функции фотона на установке Делфи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

- / .V-

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1-95-316

На правах рукописи УДК 539.124.122

ПОЗДНЯКОВ Валерий Николаевич

ИЗМЕРЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ ФУНКЦИИ ФОТОНА НА УСТАНОВКЕ ДЕЛФИ

Специальность: 01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, БАТЮНЯ

старший научный сотрудник Борис: Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

ГИНЗБУРГ Илья Файвильевнч

кандидат физико-математических наук, ИГНАТЕНКО старший научный сотрудник Михаил Анатольевич

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт физики высоких энергий, г.Протвино

с. . Т/

Защита диссертации состоится " года в _

часов на заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований по адресу:

141980, г. Дубна Московской области, ЛВЭ ОИЯИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ. Автореферат разослан >' ¿¿/У" ¿ УьО^Ц 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета М.Ф. Лихачев

доктор фнз.-мат. наук, профессор

1 Общая характеристика работы

Настоящая работа основана на результатах экспериментальных исследований, выполненных при участии автора в 1989-1994 гг. в Лаборатории высоких энергий 0И-ЯИ. В работе приведены результаты измерения структурной функции фотона (СФФ) и результаты исследования процесса рождения мюонных пар в двухфотонных столкновениях. Экспериментальные данные были получены на установке ДЕЛФИ (ЦЕРН), работающей па пучках коллайдера электронов и позитронов ЛЭП.

Актуальность работы. Основной интерес в изучении структурной функции фотона связан с тем, что, в дополнение к известному процессу флуктуации фотона в некоторое адронное состояние, фотон может флуктуировать в 'свободную' кварк- . антикварковую пару, когда относительный поперечный импульс рожденных кварка и антикварка достаточно большой. Первый из процессов преимущественно состоит в рождении виртуального векторного мезона и часто называется 'адроно-подобным' процессом. Его описание является непертурбативным и вводится через модель векторной доминантности. Процесс рождения свободной кварк-антикварковой пары ('точечно-подобный' процесс) является вычисляемым в рамках как кварк-партонной модели так и в квантовой хромодинамике. В работе1 было предсказано, что точечно-подобный процесс становится доминирующим при значениях переданного 4-х импульса (Q2) выше 5 ГэВ2. Анализ структурной функции фотона позволяет улучшить понимание области перехода между непертурбативным и пертурбатив-ным режимами в глубоконеупругом рассеянии на фотоне. С точки зрения достижения больших Q2, экспериментальные установки на коллайдере ЛЭП имеют хорошие возможности, т.к. энергия сталкивающихся пучков достаточно велика для исследования процессов с Q2 ~ 100 ГэВ2.

Первые результаты анализа СФФ были получены на установке ДЖЭИД2. Далее каждая из экспериментальных групп, работавших на электрон-позитронных кол-лайдерах, проводила анализ СФФ. Работы 80-х годов подтвердили существование точечно-подобной компоненты СФФ, а также тот факт, что СФФ (в отличие от структурной функции нуклона) растет с увеличением доли импульса, переносимого кварком. В последнее время было предложено множество параметризаций распределения кварков и глюонов в фотоне. СФФ является чувствительной к кварковому содержимому фотона. Один из основных вопросов в анализе СФФ - поведение функции в области малых значений переменной Бьёркена х.

'C.Peterson et. al. Nucl.Phys. B174 (1980), 424.

2W.Bartel et. al., JADE collaboration, Phys. Lett. B121 (1983), 203.

\

\

В работе Виттена3 было показано, что СФФ растет с увеличением переданного 4-х импульса как логарифм Q2. Проверка такого предсказания проводится на основе совместного представления СФФ, измеренной на разных установках при различных средних значениях Q2.

Исследование процесса рождения мюонных пар интересно тем, что, как показано в работе Берендса и др.4, относительный вклад различных типов диаграмм Фейнмана ' в полное сечение зависит от Q2. Система электромагнитных калориметров установки ДЕЛФИ позволяет изучать данный процесс в максимально возможном интервале изменения Q2.

Цель работы - измерение СФФ при среднем значении переданного 4-х импульса Q2 = 12 ГэВ2; исследование меченых двухфотонных событий при среднем значении Q2 = 90 ГэВ2; анализ квантово-электродинамического процесса рождения мюонных пар в меченых двухфотонных столкновениях.

Научная новизна и практическая ценность работы. В работе представлены новые результаты измерения КХД структурной функции фотона при < Q2 >=12 ГэВ2, полученные при максимально доступной энергии электрон-позитронных пучков ускорителя ЛЭП, что позволило исследовать функцию распределения кварков в фотоне до значений переменной Бьёркена х порядка 0.001. Полученный результат о значении СФФ, усредненной в интервале изменения переменной х от 0.3 до 0.8, дополнил имеющиеся экспериментальные данные о <52-эволюции СФФ. Проведенное исследование процесса взаимодействия фотонов при < Q2 >=90 ГэВ2 показало удовлетворительное согласие экспериментальных и моделированных данных, а также дополнило экспериментальные данные о двухфотонных взаимодействиях при переданных 4-х импульсах порядка 100 ГэВ2.

Впервые был проведен анализ рождения мюонных пар в области изменения Q2 от 0.06 до нескольких тысяч ГэВ2. Были найдены 2 события с переданным 4-х импульсом более 1000 ГэВ2. Проведенный статистический анализ позволил определить вероятности рождения событий данной топологии в мультипериферическом канале.

В анализе КЭД-СФФ был впервые продемонстрирован эффект ненулевой массы мишенного фотона и приведено сравнение измеренной СФФ с предсказаниями КЭД для различных способов коррекций на указанный эффект.

Для анализа меченых двухфотонных событий автором диссертации был разработан пакет программ, позволяющий производить отбор событий и анализировать вклад фоновых процессов; производить полное моделирование событий и сравнение

3E.Witten, Nucl. Phys. В120 (1977), 189.

"F.A.Berends, P.H.Daverveldt and R.Kleiss, Comput. Phys. Commun. 40 (1986), 285.

/

с экспериментальными спектрами.

Был разработан метод, позволяющий использовать один набор моделированных событий для сравнения экспериментальных данных и моделирования событий с различными параметризациями плотности партонов в фотоне. Данный метод позволяет избежать многократного моделирования событий, что требует значительных вычислительных ресурсов.

Полученные на установке ДЕЛФИ результаты о КХД-СФФ могут быть в дальнейшем использованы для развития теоретических моделей о поведении СФФ, а также при анализе двухфотонных событий на различных экспериментальных установках.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований, составивших диссертацию, докладывались на научных семинарах по физике элементарных частиц ЛВЭ ОИЯИ и рабочих совещаниях коллаборации ДЕЛФИ. Результаты по измерению КХД-СФФ при среднем значении переданного 4-х импульса 12 и SO ГэВ2 были включены в обзорные доклады, представленные коллаборацией ДЕЛФИ на Международных конференциях по физике высоких энергий в г.Марселе(Францня) в 1992 и г.Глазго(Великобритания) в 1994 годах; на рабочем совещании "Two-photon physics from DA#NE to LEP200 and beyond" (Париж, Франция, 1991); были представлены автором диссертации на "Workshop оп two-photon physics at LEP and HERA" (Лунд, Швеция, 1994). Результаты исследования рождения мюонных пар в двухфотонных столкновениях были представлены на конференции "Photon-95" (Шеффилд, Великобритания, 1995).

Основные результаты диссертации изложены в 6-ти публикациях, список которых приведен в конце автореферата. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

2 Содержание работы

Во введении рассматриваются основные особенности двухфотонных взаимодействий, подчеркивается актуальность проблемы измерения структурной функции фотона, формулируются цели и задачи диссертационной работы. Также отмечено, что на современном уровне развития техники ускорения элементарных частиц, коллайде-ры электронов и позитронов предлагают приемлемые условия для поиска и анализа двухфотонных взаимодействий 5.

5в настоящее время обсуждаются проекты исследований на ядро-ядориом колайдере LUC il создания фотон-фотонных коллайдероп.

v \

к

В первой главе рассматриваются основы физики столкновения двух фотонов, обсуждается понятие структурной функции фотона в рамках современных теоретических представлений и описываются основные кинематические переменные двухфотонных взаимодействий. Основная диаграмма Фей-нмана для двухфотонных взаимодействий (рисунок 1) может быть факто-

ризована на две компоненты: точно вы-Рисунок 1. Диаграмма Фейнмана для

•.г -, „ числяемыи квантовоэлектродинамиче-

авухфотонного взаимооеиствия.

ский подпроцесс излучения электроном

и позитроном фотонов, а также интересующий нас подпроцесс взаимодействия фотонов 77 —» X, сопровождаемый рождением некоторой системы X.

Кинематика, сечения и особенности двухфотонной реакции определяются энергиями и углами рассеяния электрона и позитрона. Переданный 4-х импульс в каждой лептон-фотонной вершине определяется (предполагая, что первоначально электрон и позитрон имели равные энергии) как

(Pi ~ Pif = 2m] - 2ЕЬеатЕ\{1 - cos 0,), (1)

V

где г обозначает электрон или позитрон. Остальными переменными являются:

• Pi,Pi - 4-х импульс электрона(позитрона) соответственно до и после рассеяния;

• Еъеатп,Е[ - энергия электрона(позитрона) соответственно до и после рассеяния;

• те - масса электрона;

• в, - полярный угол рассеяния электрона(позитрона) в предположении, что первоначально лептоны летели вдоль оси z, т.е. имели нулевой полярный угол.

Инвариантная масса рожденной системы равна

W77 = АЕ1Щ - 2Е'хЕ'2{\ - cos cos — sin в\ sin 62 cos 0), (2)

где индекс 1(2) соответствуетэлектрону(позитрону), = Еьеат~Ец2) и Ф является углом между плоскостями рассеяния электрона и позитрона. Для удобства описания

)

кинематически выделенного случая двухфотонных столкновений, который является целью данного исследования, вводятся специальные обозначения Q2 и Р2 соответственно для переданного 4-х импульса электрона и позитрона. Эти переменные являются Мерой 'виртуальности' фотонов, т.е. если, например, Р2 равен нулю, то испущенный позитроном фотон находится на 'массовой поверхности'.

В зависимости от того, были ли зарегистрированы рассеянью электрон и позитрон, процесс называют немеченым, меченым или процессом двойного мечения соответственно для случаев, когда оба лептона остались недетектированными, один или оба лептона зарегистрированы в установке. В диссертации приведена классификация задач анализа двухфотонных взаимодействий, которая основывается как на критериях мечения рассеяных пептонов, так и на том, что представляет из себя система X и была ли она рождена через какие-либо промежуточные состояния. Одной из задач . является измерение структурной функции фотона (СФФ) в анализе меченых двухфотонных взаимодействий. Измеряя энергию и полярный угол рассеяния электрона6, можно определить переданный соответствующему фотону 4-х импульс Q2. Предполагая, что недегектированный позитрон имеет практически нулевой угол рассеяния и соответствующий ему фотон квазиреален (т.е. Р2 ~ 0) и Q2 > 1 ГэВ2, процесс взаимодействия выглядит как глубоконеупругое рассеяние электрона на 'мишенном' фотоне. Или другими словами, процесс выглядит как рассеяние виртуального фотона-пробника на квазиреальном фотоне-мишени.

Основной интерес к изучению СФФ при различных Q2 связал с предсказаниями, основанными на КХД вычислениях. Было показано7, что СФФ имеет две компоненты, адроно- и точечно-подобную, и что область значений Q2=(5-10) ГэВ2 является переходной в том смысле, что вклад адроно-подобной компоненты СФФ в полное сечение, доминирующий в области малых Q2, постепенно уменьшается и при достаточно больших Q2 доминирующей становится точечно-подобная компонента.

Разделение на две компоненты связано с различным поведением фотона-мишени. Качественно, процесс взаимодействия виртуального фотона с квазиреальным фотоном-мишенью может быть представлен как взаимодействие фотона-пробника с партон-ным содержимым фотона-мишени. Иными словами, мишенный фотон флуктуирует в qq (или в ) состояние и второй фотон взаимодействует с партонами данного состояния. Таким образом, если партоны образуют связанную систему, то взаимодействие выглядит как рассеяние фотона на векторном мезоне и подпроцесс называется

6В дальнейшем термин 'электрон' будет использован для обозначения меченого лептона, оставляя термин 'позитрон' для неяетектированного лептона.

7Т. F.Walsh and P.M.Zerwas, Phys. Lett. B44 (1973), 195; C.Peterson, T.F.Walsh and P.M.Zerwas, Nucl.Phys. B174 (1980), 424.

адроно-подобным. Если же относительный поперечный импульс кварков достаточно большой, говорят о взаимодействии с точечно-подобным фотоном-мишенью. Количественное описание двух компонент СФФ дано в разделе диссертации о моделировании конечного адронного состояния в реакции двух фотонов.

Принято выражать сечение двухфотонных взаимодействий через следующие переменные:

<Э2 = 4£1ад£Ьеатмп2(6Ц/2),

« = 4 Е1ат,

у = 1 - (Еид1Еъеат)с-О$2(0гад11),

О2

X =

г =

Е'Ч^атзеЬ

Ьеагп

где Еьеат - энергия пучка электронов/позитронов; Е1ад - энергия меченого электрона; 0(ад - полярный угол рассеяния меченого электрона и £7,(0Где{ - энергия мишенного фотона.

Предполагая, что рассеяный позитрон недетектирован, сечение процесса может быть записано в виде:

-щ; = ^ [(! + (! - У?)р- У2П{х,Я2)\ в^гЛг (3)

где Ту(г,вГПах) описывает поток мишенных фотонов с энергией Еу~, 6то.х - максимум угла рассеяния позитрона, когда он не детектируется в установке вследствие ограниченного углового аксептанса установки; О1) и ^¿(г, С}2) являются структурными функциями фотона-мишени, определяемыми следующим образом через сечения взаимодействия фотонов с различной поляризацией:

= (<7ТГ + ^Т).

Я2

Е2(х,Я2) = <ТЬТ-

47Г 2а'

где первый (второй) индекс в обозначении сечений сг отражает поляризацию фотона-пробника(фотона-мишени). Поскольку мишенный фотон квазиреален, его поляризация может быть только поперечной (Т), в то время как виртуальный фотон-пробник может иметь и поперечную и продольную (Ь) поляризацию. Сечения а являются функциями инвариантной массы Ж,-, и ф2.

f

Если допустить, что экспериментальные условия обеспечивают малость величины переменной у и после интегрирования по потоку мишенных фотонов, сечение оказывается чувствительным только к Р^'.

Отмечены предсказываемые особенности в поведении СФФ. Вычисления показали, что СФФ (в отличии от структурной функции нуклона) растет с х. Зависимость СФФ от Q2, усредненная по х, ведет себя как In Q2. В последнее время активно обсуждается проблема поведения СФФ в области малых значений х. Это связано с тем, что некоторые параметризации СФФ предсказывают её рост при малых (< 0.1) х. Недавно введенные в эксплуатацию е+е~ коллайдеры (такие как ЛЭП,ТРИСТАН и СЛСи) открыли возможность проникновения в область значений х меньших 0.01.

Вторая глава содержит описание техники эксперимента. В главе приведено краткое описание коллайдера ЛЭП и его основных характеристик. Затем дан краткий обзор компонент детектора ДЕЛФИ, наиболее существенных для данного анализа. Основное внимание уделено описанию трековой системы, включающей микровершинный микростриповый детектор; внутренний детектор, состоящий из дрейфовой и пропорциональной камер; дрейфовые трубки внешнего детектора и время-проекционную камеру. Также в работе приведено краткое описание системы электромагнитных калориметров.

Далее в главе описаны особенности постановки эксперимента по измерению СФФ. Основное внимание уделено рабочим характеристикам установки, таким как аксеп-танс трековой системы, энергетические пороги электромагнитных калориметров. Отмечено, что с точки зрения кинематики процесса и необходимой для анализа статистики, для мечения двухфотонных событий на ДЕЛФИ пригодны два детектора - Калориметр Малых Углов (КМУ) и Передний Электромагнитный Калориметр (ПЭМК) . Отмечено, что при детектировании рассеяного лептона в одном из этих калориметров при достаточно высокой (больше 25-30 ГэВ) энергии, условия на малость величины у и Q2 Р2 будут удовлетворены, что является необходимым для представления сечения процесса в виде (4). Вследствие кинематических особенностей двухфотонного процесса, детектированной в установке оказывается лишь часть системы рожденных адронов и для получения СФФ необходимо провести коррекции на аксептанс установки (так называемая процедура анфолдинга - unfolding).

В заключении главы приведено краткое описание математическое аппарата, на основе которого такие коррекции могут быть сделаны. Применение метода регуляризации при решении 'обратной' задачи позволяет получить стабильное к статисти-

dxdQ2

da

Q4 x

(4)

ческим флуктуациям набора данных решение. Математический аппарат был реализован в виде компьютерной программы, результаты тестов которой, проведенные на уровне генератора событий двухфотонных взаимодействий, продемонстрированы в диссертации.

В третьей главе приведено описание методики эксперимента. Для отбора меченых мультиадронных двухфотонных событий были применены следующие критерии (физическое обоснование которых приведено в диссертации) :

А в одном из модулей КМУ или ПЭМК была зарегистрирована частица с энерговыделением больше 30 ГэВ (критерий мечения), в то время как в симметричном по оси 2 модуле КМУ не было обнаружено никаких частиц с энерговыделением выше 10 ГэВ (критерий антимечения, который позволяет сохранить величину массы мишени близкой к нулю).

Б было зарегистрировано как минимум 3 заряженных частицы. Это так называемое условие зарядовой множественности Заряженная частица должна удовлетворять следующим критериям: импульс частицы должен быть больше 0.4 ГэВ; полярный угол должен быть от 20 до 160 градусов; прицельный параметр в плоскости Яф - меньше 4 см и прицельный параметр по оси г - меньше 10 см.

В полное энерговыделение в электромагнитных калориметрах (исключая энерговыделение меченого электрона) было меньше 15 ГэВ. В основном, это энергия зарегистрированных фотонов от распадов короткоживущих тг° мезонов. Энергия нейтральной частицы суммировалась в полное энерговыделение только в том случае, если она(энергия) превышала порог, установленный для обоих ('бочкового' и переднего) калориметров в 0.5 ГэВ.

Г инвариантная масса системы адронов, вычисляемая в предположении массы пиона для заряженных частиц и нулевой массы (фотона) для нейтралов, находится в интервале от 2 до 20 ГэВ.

Д угол аяф между вектором поперечного импульса меченого электрона и векторной суммой поперечных импульсов адронов и фотонов был больше 2.5 радиан.

Критерии В-Г были использованы для того, чтобы отбросить фоновые события от распадов бозона, критерий Д эффективно выбрасывает события, в которых меченый электрон был имитирован частицами пучка, выбывшими из процесса ускорения.

Для отбора событий рождения мюонных пар в меченых двухфотонных столкновениях, были использованы критерии А-В, Nc/,=2 и одна из заряженных частиц была идентифицирована как мюои.

Данные, собранные в период с 1991 по 1993 год при энергии пучка от 44.1 до 47.5 ГэВ, были обработаны и было найдено 977 (123) событий, меченых в КМУ (ПЭМК). Стабильность данных разных периодов была проверена на основе анализа числа отобранных событий и соответствующей им интегральной светимости, на основе сравнения различных распределений (зарядовой множественности, инвариантной массы и т.п.) и найдена удовлетворительной.

Квадрат 4-импульса, переданного фотону-пробнику, вычисленный по измеренным в КМУ (ПЭМК) параметрам меченого электрона, лежит в области от 4(45) до 30(200) ГэВ2 со средним значением 12(90) ГэВ2.

Для событий, меченых в КМУ, вклад фоновых событий рождения qq системы или г пар в процессах -у/Z0 аннигиляции был найден пренебрежимо малым. Фон , от процесса рождения т пар в меченых двухфотонных взаимодействиях был оценен в 33±4 события, используя моделированные события, сгенерированные программой TW0GAM8. Вклад событий неупругого Комптон-рассеяния был найден пренебрежимо малым. Появление случайных сигналов в КМУ, имитирующих меченый электрон, приводит к тому, что события с рожденным Za или немеченые двухфотонные события будут ложно идентифицированы как меченые 77 события. Критерий на угол адф редуцирует вклад таких событий до 1.5±0.5 в отобранном наборе данных. Для того, чтобы оценить фон событий рассеяния электрона на остаточном в ионопроводе газе, был использован так называемый метод полос, основанный на предположении о равномерном распределении таких событий вдоль оси г. Фон от рассеяния электрона на остаточном газе был оценен в 5.5±1.8 событий. Суммарный вклад фоновых процессов в отобранном наборе данных не превышает 4%.

Для событий, меченых в ПЭМК, основным фоновым процессом является рождение qq системы в процессе 7fZ° аннигиляции. Суммарный вклад данного процесса (9.4 ± 3.9 событий) в отобранном наборе данных был оценен на основе моделирования таких событий.

Затем в работе описано моделирование двухфотонных взаимодействий, являющееся важной составляющей данного анализа вследствие того, что коррекции на аксептанс установки могут быть проделаны лишь на основе моделированных событий.

В случае, если мишенный фотон флуктуирует в связанное состояние кварка- ан-

8S.Nova, A.Olshevski and T.Todorov, 'A Monte Carlo event generator for two photon physics', DELPHI-note 90-35, 1990 (unpublished).

тикварка, процесс выглядит как глубоконеупругое взаимодействие электрона с векторным мезоном V (р,и,ф ...) и может быть описан в рамках модели векторной доминантности (ВДМ). Для того, чтобы учесть виртуальность фотонов, была использована так называемая обобщенная модель векторной доминантности (OBДМ). Ее основная идея заключается в предположении о факторизуемости каждой компоненты полного сечения в виде

£rOVDM(Q2)jp2jVt/) = /.(Q2)/.(p2W^) (5)

где i,j означают различные поляризации (продольную L или поперечную Т) фотонов. Для сечения а0 была использована зависимость, полученная в работе®

Кроме полного сечения необходимо определить кинематику кварков адроно--подобной компоненты. Мультиадроны генерировались как система qq с распределением поперечного импульса кварка, имеющим вид dajdp\ ~ ехр(—5Рт)10> затем система кварк-антикварк была адронизована (фрагментирована) программой JETSET7.3.

Другой компонентой модели является так называемая точечно-подобная компонента, когда мишенный фотон флуктуирует в кварк и антикварк с достаточно большим поперечным импульсом друг относительно друга и процесс может быть представлен как рассеяние виртуального фотона на свободном кварке(антикварке). Описание данной компоненты может быть проведено как в теории возмущений КХД так и рамках квар'к-партонной модели (КПМ). Для генерации событий было использовано два различных подхода. Первый из них, реализованный в программе TWOGAM, заключается в генерации событий, учитывающей дифференциальные сечения взаимодействия фотонов различной поляризации. Основой для генерации точечно-подобной компоненты является КЭД процесс рождения лептонной пары 77 —» /+/-11. Для генерации адронного события, масса и заряд лептона были заменены на массу и заряд кварка. Были использованы следующие значения масс кварков: 300 МэВ для und, 500 МэВ для s и 1.6 ГэВ для с кварка. Для адронизации кварков данной компоненты была использована программа JETSET7.3 без каких-либо изменений встроенных параметров. Проведенное таким образом моделирование кварк-антикварковой пары соответствует процессу рождения свободных кварков, описываемому диаграммой 'коробка'-'Ьох' в рамках КПМ. •

Другим подходом к моделированию, реализованным в программе MCF2, является использование аналитического вида структурной функции в выражении (4). Такой

9I.F.Ginzburg and V.G.Serbo, Phys. Lett. B109 (1982), 231.

10Выбор вида зависимости был сделан с учетом экспериментальных результатов, полученных на других установках.

31 V.M.Budnev ei. al., Phys.Rep. 15C (1975), 181.

подход был применен для привлечения КХД коррекций в лидирующем порядке12 для легких кварков. Была использована, называемая по первым буквам фамилий авторов, ФКП параметризация, которая содержит параметр р° - поперечный импульс кварка в мишенном фотоне. Этот параметр был введен в параметризацию для того, чтобы разделить описание адроно- и точечно-подобной компонент и избежать повторного счета событий. Данный параметр наиболее существенен в случае немеченых событий.

Сравнение наблюдаемых и моделированных распределений инвариантной массы адронов и переданного 4-х импульса для событий, меченых в КМУ(ПЭМК), приведено на рисунке 2(3). Видно, что двухкомпонентная модель удовлетворительно описывает наблюдаемые спектры.

12 14 W (GeVIc2)

25 30 35 Q2 (GeV'lc4)

Рисунок 2. Сравнение распределений экспериментальных и моделированных данных для инвариантной массы системы адронов W и переданного J-i импульса Q2 для событий с детектированным в КМУ электроном.

12J.II.Field, F.Kapusta and L.Poggioli, Phys.Lett. 181B (1986), 362; J.H.Field, F.Kapusta and L.Poggioli, Z.Phys. C36 (1987), 121; F.Kapusta, Z.Phys. C42 (1989), 225.

75 10 12.5 15 17.5 20 ¡тапаШ та55 (йеУ)

75 100 125 150 175 200 225

п2 1веУ2)

50

10

Рисунок 3. Сравнение распределений экспериментальных и моделированных данных для инвариантной массы системы адронов IV и переданного 4-х импульса , <22 для событий с детектированным в ПЭМК электроном.

В заключении главы описаны тесты программы коррекции измеренного распределения переменной х. Для тестов были использованы генерированные события и применены некоторые критерии, 'моделирующие' экспериментальную установку.

Основные результаты анализа экспериментальных данных приведены в четвертой главе диссертации. Представлены результаты исследования процесса рождения мюонных пар в меченых двухфотонных взаимодействиях. Подобный анализ является необходимой составляющей анализа мультиадронных двухфотонных событий, т.к. позволяет провести сравнение экспериментальных данных с моделированием точно вычисляемого в КЭД процесса рождения мюонных пар и ,таким образом, провести тест работы детектора, используемого для регистрации рассеянного электрона. Анализ событий, меченых в КМУ и ПЭМК, был дополнен использованием так называемого Калориметра Очень Малых Углов (КОМУ) и Бочкового Электромагнитного Калориметра (БЭМК). Таким образом, в работе проведен анализ рождения мюонных пар с использованием всех электромагнитных калориметров установки ДЕЛФИ для регистрации рассеянного электрона. Это позволило провести тест КЭД процесса в максимально возможном интервале изменения С,}2 от практически нулевого значения (что соответствует столкновению двух квазиреальных фотонов) до нескольких тысяч ГэВ2. В работе показано удовлетворительное согласие экспериментальных спектров с пресказаниями КЭД для событий, меченых в КОМУ, КМУ и ПЭМК. Было найдено два события с детектированным в БЭМК рассеянным электроном. Была вычислена вероятность рождения событий данной кинематической топологии в муль-типериферическом канале.

В диссертации показаны результаты измерения КЭД-СФФ, полученные с использованием меченых в КМУ событий. Обсуждается зависимость СФФ от массы мишен- •

ного фотона (Р2). Отмечено, что эта зависимость определяется отношением массы мишени к массе рожденного фермиона. Показано, что КЭД-СФФ чувствительна к Р2, в то время как зависимость КХД-СФФ от Р2 слабая. Измеренная КЭД-СФФ удовлетворительно описывается модельным предсказанием, усредненным по некоторому набору Р2 (полученному из модели), т.е. =< Щ{Р{) >•

Дальнейший анализ был проведен для КХД-СФФ. На рисунке 4 показано сравнение наблюдаемого спектра инвариантной массы адронной системы с предсказаниями моделей с различным поведением СФФ в зависимости от кинематической переменной х\ СЯ"(штрих), (пунктир) и Б АС 16 (штрих-пунктир).

W (GeV/с )

°L.E.Gordon and J.K.Storrow, МСТИ 91-29 (1991).

'D.W.Duke and J.F.Owens, Phys. Rev. D26 (1982), 1600.

'H.Abramowicz, K.Charchula and A.Levy, Phys. Lett. B269 (1991), 458.

Рисунок 4. Сравнение распределения инвариантной массы для экспериментальных данпых и предсказании модели для различных параметризаций.

Отметим, что С8 параметризация предсказывает падение СФФ в области малых х, а ВО и ЬАС1 параметризации включают рост СФФ для х меньших 0.1.

Проведено измерение СФФ (рисунок 5) для легких кварков. Вклад событий с рожденной сс парой был вычтен из экспериментальных данных в соответствие с предсказаниями кварк-партонной модели. Показано, что СФФ нечувствительна к КХД масштабному параметру Л. Оценены различные источники систематической ошибки проведенного измерения. Показано, что результаты измерения указывают на отсутствие роста СФФ в области переменной х менее 0.1. Приведен комбинированный (с результатами, полученными на других установках) результат о зависимости СФФ от среднего значения переданного 4-х импульса в области переменной х от 0.3 до 0.8 (рисунок 6). Нижняя граница была выбрана для уменьшения вклада невычисляе-мой адроно-подобной компоненты. Верхняя граница установлена потому, что область больших х соответствует (в основном) малым значениям инвариантной массы ро-

DELPHI <Q2> = 12 GeV /с 0 OPAL <QV= 14.7 GeV2/c4

r±=H

D purro о JADE л ТРС12-у » Г/ffiO о МП о СТ'ЛЛ • DELPHI

0.3 <х <0.8

_fi-O.IGtVIc

.......fi-0.2? GcVIC

tf-OJGtVIc

жденной системы адронов, где (в силу необходимости применения критериев отбора событий) статистическая ошибка наибольшая.

а"

а

в 225 § 2

1.75 1.5 125 I

0.75 0.5 025 О

В 0.8

СУ

В

0.7

8 0.6

иГ

0.5

0.4

03

0.2

0.1

0,

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

10

Q2 (GeV2//)

Рисунок 5. Г2 для легких кварков при

среднем значении переданного 4-х импульса 12 ГэВ2. Кривые показывают сумму ФКП параметризации, вычисленную для параметра р° = 0.1 ГэВ {верхняя кривая) и 0.5 ГэВ

(нижняя кривая), и ОМВД предсказаний модели. 'Коридор' иллюстрирует эффект ненулевой массы мишени для предсказаний ОМВД модели.

В заключении сформулированы основные

Рисунок 6. Q2-зависимость СФФ, усредненной е интервале изменения х от 0.3 до 0.8. Линии показывают КХД предсказания для различных значений феноменологического параметра р° -поперечного импульса кварка в мишенном фотоне.

результаты диссертационной работы:

Получены и проанализированы первые экспериментальные результаты исследования меченых двухфотонных взаимодействий на установке ДЕЛФИ, работающей на коллайдере электронов и позитронов ЛЭП.

Показано, что меченые в Калориметре Малых Углов двухфотонные взаимодействия могут быть описаны двухкомпонентной моделью, учитывающей двойственность .в поведении мишенного фотона при его флуктуации в кварк-антикварковую пару. В диссертации показано, что описание процесса взаимодействия в рамках кварк-партонной модели оказывается недостаточным для воспроизведения экспериментальных спектров. Предсказания модели, учитывающей радиационные поправки, сделанные в лидирующем порядке КХД, удовлетворительно описывают (в сумме с непертурбативной компонентой модели) экспериментальные данные.

• Программа коррекции (unfolding) измеренных распределений была адаптирована к экспериментальным условиям установки ДЕЛФИ. Показана возможность получения из экспериментального спектра переменной х достаточного (для анализа основных особенностей структурной функции фотона) числа корректированных точек.

• Анализ мюонных пар, рожденных в меченых двухфотонных столкновениях, показал удовлетворительное согласие с предсказаниями КЭД и позволил провести проверку программы коррекции измеренных спектров и экспериментальных данных с детектора, используемого для регистрации (мечения) рассеянного электрона или позитрона.

• Впервые в практике измерения структурной функции фотона был продемонстрирован эффект ненулевой массы мишенного фотона. Показано, что данный эффект, определяемый отношением массы мишенного фотона к массе рожденного фермиона, присутствует в измеренной в анализе мюонных пар КЭД-СФФ, в то время как КХД-СФФ менее чувствительна к данному эффекту.

• На основе полного (генерация событий и моделирование эффектов установки) моделирования событий, был разработан метод сравнения экспериментальных данных с предсказаниями модели с любой зависимостью СФФ от переменной х. Используя этот метод проведено сравнение измеренных распределений с предсказаниями нескольких параметризаций СФФ. Показано, что, базируясь лишь на измеренных спектрах, невозможно сделать статистически значимое заключение о поведении СФФ, т.к. модели с существенно различным поведением СФФ дают схожие результаты после моделирования установки.

• Измерена КХД структурная функция фотона при среднем значении переданного 4-х импульса 12 ГэВ2, в интервале изменения переменной х от 0.001 до 0.85. Показано, что СФФ нечувствительна к КХД масштабному параметру Л. Приведено сравнение измеренной СФФ с наиболее часто используемыми параметризациями СФФ и показано, что параметризации без предсказываемого роста в области малых х удовлетворительно описывают измеренную СФФ. В то же время, точность проведенного измерения не позволяет сделать однозначный выбор в пользу какой-либо одной параметризации.

• На основе результатов, полученных на установке ДЕЛФИ и других экспериментальных установках, представлена зависимость СФФ от среднего значения переданного 4-х импульса в интервале изменения переменной х от 0.3 до 0.8. Значение КХД-СФФ, измеренное на установке ДЕЛФИ для среднего значения

переданного 4-х импульса 12 ГэВ2, равно F27(0.3 < х < 0.8)=0.45±0.08. В пределах ошибок измерения, комбинированный результат подтверждает предсказание КХД о логарифмическом росте СФФ с увеличением Q2.

• Проведено исследование двухфотонных событий, меченых в Переднем Электромагнитном Калориметре установки ДЕЛФИ при среднем значении переданною 4-х импульса 90 ГэВ2, и показано удовлетворительнее согласие с предсказаниями модели.

® Проведен анализ рождения мюонных пар в меченых двухфотонных столкновениях. Показано удовлетворительное согласие спектров экспериментальных данных с предсказаниями КЭД в области изменения Q2 от 0.06 до нескольких т ыся1 ГэВ2.

Диссертация основывается на следующих опубликованных работах:

в B.Batyunya,...,V.Pozdnyakov,..., "Study of single tagged multihadronic 77 event: at a Q2 ~ 12 GeV2/c4, сообщение ОИЯИ El-93-458, Дубна, 1993.

• B.Batyunya,...,V.Pozdnyakov,..., "Study of single tagged multihadronic 77 event: at a Q2 ~ 90 GeV2/c4, в сб. "Краткие сообщения ОИЯИ" номер 3, Дубна, 1995

• F.Kapusta and V.Pozdnyakov "The photon structure function and 77 jet productior at LEP200", Proceedings of the workshop "Two-photon physics from БАФ^ t< LEP200 and beyond" (2-4 February 1994, Paris, France) p.191-198, World Scientific 1994.

• V.Pozdnyakov "A measurement of the photon structure function at an averagi Q2 of 12 GeV2", Proceedings of the "Workshop on two-photon physics at LEP ant HERA" (26-28 May 1994, Lund, Sweden) p.55-63, ed. G.Jarlskog and L.Jonsson 1994.

• P.Abreu,...,V.Pozdnyakov,..., "A measurement of the photon structure function

at an average Q2 of 12 GeV2", препринт CERN PPE-95-87, представлена дл: публикации в Z.Phys.

• F.Kapusta, F.Naraghi and V.Pozdnyakov "Muon pair production in the tagged two photon interactions", Proceedings of the workshop "Photon-95" (8-13 April 1995 Sheffield, England).

Рукопись поступила в издательский отдел 12 июля 1995 года.