Измерение вероятности распада гамма (1S) - ми+ми- и поиск распадов гамма (1S) - пи+пи-, К+К- тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

На правах рукописи

КЛИМЕНКО Сергей Григорьевич

ИЗМЕРЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ РАСПАДА Т(18)—> И ПОИСК РАСПАДОВ Т(18)-> тг+тг", К+К~

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1992

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкер; Сибирского отделения Российской Академии наук.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Онучин Алексей Павлович

Тихонов Юрий Анатольевич

— доктор физико-математических наук, профессор, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск

— кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РА1 г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Барков Лев Митрофанович

Вовенко Анатолий Серафимович

Ведущая организация:

академик, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирс

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт ядерной физики высоких энерги! г. Протвино.

Институт теоретической и экспериментальной физики, г. Москва.

- У

1993 г.

Защита диссертации состоится " №часов на заседании специализированного совета Д.002.24.01 Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН.

Автореферат разослан

« О

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.-мат. наук, профессор

1992 г.

В.С. Фад

FCV; ;;;чгчай ГОСУм ! : ; : БИВЛИСПЁОД

ОбЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТЫ

Актуальность темы диссертации. Эксклюзивные моды распада Т-мезонов являются важным источником информации о свойствах тяжелых кваркониев. Поскольку состояние T(1S) лежит ниже порога рождения b-кварка, то распад резонанса в адроны происходит в основном посредством аннигиляции bb кварков в три глюона. Полная ширина Т(15)-мезона примерно на два порядка меньше, чем разрешение е*е~-коллайдеров и поэтому может быть получена только из отношения электронной ширины резонанса и его лептонного бранчинга. Измерение полной ширины резонанса дает такой важный параметр ОД как константа сильного взаимодействия а .

Большой интерес представляют эксклюзивные адронкые распады, так как они дают информацию о взаимодействии кварков и глюонов. Образование адронов определяется непертурбативными эффектами, которые ответственны за механизм фрагментации кварков и глюонов, амплитуды процессов сильно зависят от свойств адронных волновых функций. При больших передачах импульса взаимодействие двух кварков определяется одноглюонным обменом, что позволяет вычислить взаимодействие кварков и выделить вклад адронных волновых функций в амплитуду процесса. Таким образом, измерение эксклюзивных адронных распадов кваркониев позволяет получить информацию об адронных волновых функциях.

Целью работы являлось создание системы мюонных камер детектора МД-1, измерение лтносительной вероятности процесса e*e"-»T(lS)~>ц*ц~, поиск адронных распадов T(1 S)-»n п" и T(1S)-»KK", измерение сечения рождения мюонных пар вне резонанса, калибровка монитора светимости.

Научная новизна работы.

1. Измерена относительная вероятность распада T(1S)-»mh :

В = (2.12 ± 0.20 ± 0 10) %. mi v '

2. Впервые при измерении вероятности В учитывалась интерференция амплитуд процессов е*е~-*и*ц~ и e*e~-»T(lS)-»;iVr.

3. Впервые проведен эксперимент по поиску распадов T(lS)->n*jr",K*K", установлены верхние пределы на вероятности распадов:

Br(ï(lS)-*nV) < 5-Ю"4, Br(ï(lS)-»K*K") < 5-Ю"4

(на уровне достоверности 90%).

Научная к практическая ценность работы.

1. Созданы пропорциональные камеры большой площади для идентификации мионов в экспериментах с детектором МД-1.

2. Измерено сечение процесса однофотонной аннигиляции e*e"->|iV" в диапазоне энергий 8+10 ГэВ. Точность измерения сечения составляет 2.7%. По этому процессу проведена абсолютная калибровка монитора светимости детектора МД-1.

3. Показано, что учет интерференции резонанса и нерезонансного фона необходим для правильного измерения относительной вероятности распада Т ( 1S) ->ц*и~.

4. Измерение верхних пределов распадов Т (1S)-»ti*7ï",K+K~ важно для проверки предсказаний квантовой хромодинамики.

Структура работы. Основной текст диссертации состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст диссертации содержит 18 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 67 наименований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на семинарах экспериментальных лабораторий Института ядерной физики им. Будкера СО РАН, на сессиях Отделения ядерной физики РАН (1984 г. и 1S91 г.), на третьем международном семинаре в Сан-Миниато (1991 г.) и опубликованы в журналах Zeitschrift fur Physik и Nuclear Physics.

СОДЕРЖАНИЕ РАбОТЫ

Во введении приводятся физические свойства семейства Т-незонов и дана краткая история их обнаружения. Отмечается, что измерение сечения многоадронных распадов Т(1Б)-мезона и его лептонного бранчинга является единственным способом измерения полной ширины резонанса. Отмечается важность изучения эксклюзивных адронных распадов резонанса.

В первой главе дается описание экспериментальной аппаратуры, с помощью которой был проведен эксперимент. Эксперимент проводился на ускорительно-накопительном комплексе ВЭПП-4. Энергия накопителя измерялась с помощью метода резонансной деполяризации. Поляризация пучка контролировалась по асимметрии рассеяния циркулярно поляризованных фотонов на частицах пучка. В качестве источника фотонов использовалось синхротронное излучение встречного пучка. Светимость установки измерялась по процессу е*е~- рассеяния на малые углы и составляла ~3 • Ю^см^с"1 при энергии ГэВ.

С 1980г. на накопителе начал работу магнитный детектор НД-1. Схема детектора приведена на рис.1. Детектор оптимизирован для изучения двухфотонных процессов и имеет магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости орбиты пучков. Регистрация заряженных частиц производится с помошью 38 пропорциональных камер (ПК). Телесный угол с анализом по импульсу для одиночных частиц составляет 0.4x4л, разрешение сгр/Р = (5*7) Р [ГэВ/с]% при поле 12 кГс. Пропорциональные камеры окружены сцинтилляционными счетчикани, которые использовались для запуска триггера и измерения времени пролета. Разрешение пары счетчиков по времени пролета составляет <г г^'" нс" Лив" необразующие частицы (е,у) регистрируются с помощью системы ливнево-пробежных камер (ЛПК), которая состоит из 14 блоков, покрывающих телесный угол 0.8x4л. Каждый блок содержит 10 пропорциональных камер, прослоенных стальными пластинами

толщиной 13 мм. Проволочки соседних камер натянуты под углом 90° друг к другу и обьединены в группы шириной 4-10 мм, что позволяет измерять координаты регистрируемых частиц. Для измерения энергетических потерь используются анплитуды с каждой плоскости ЛПК. Хорошая продольная и поперечная сегментация ливневых камер позволяет получить эффективное е-д-разделение.

Далее более подробно описывается система мюонных камер (МК), в создании и эксплуатации которой автор диссертации принимал непосредственное участие. Система мюонных камер состоит из 48 блоков площадью 2.2 м2. Мюонные блоки расположены за обмоткой магнита ( <:~420 г/см2), внутри ярма (<:~750 г/см2) и за ярмом (1:-1000 г/смг) (рис.1). Покрываемый камерами телесный угол составляет 0.6-4гг. В одном блоке МК расположены 2 пропорциональные камеры, измеряющие взаимно перпендикулярные координаты.

Рис. 1. Магнитный детектор МД-1:

1 - ярмо; 2 - медная обмотка 3 - вакуумная камера; 4,8,10 - ливнево-пробежные камеры, 5 - сцинтилляционные счетчики; 6 - координатные камеры; 7 - газовые черенковс-кие счетчики, 9 - мюонные камеры.

Точность измерения координаты составляет <т~25-30 мм. Полная площадь, покрываемая мюонными камерами, составляет 120 мг, число каналов электроники - 1840.

Во второй главе описаны условия проведения эксперимента и организация обработки информации. Экспериментальные данные включают статистику, набранную в двух циклах измерений: декабрь 1983 г.-июнь 1984 г. и октябрь 1984 г.-июнь 1985 г. Полный интеграл светимости составляет 20.4 пб~1. В первой цикле набрано

8.5 пб"1, из них 3.4 пб"1 вблизи резонанса и 5.1 пб"1 в резонансе. Во второй цикле было проведено сканирование в широком диапазоне энергий Vs-7.6+10 ГэВ..

В процессе набора статистики использовались два варианта триггера, Ti и Тг. В обоих случаях требовалось срабатывание хотя бы одного сцинтилляционного счетчика. Кроме этого, требовалось срабатывание двух пропорциональных камер (Ti) или двух ливневых блоков (Тг). Для процесса однофотонной аннигиляции е*е"-»ц*д~ эффективность триггера составляла 35.7% и 44.9% для условий Ti и Тг соответственно.

В этой главе описываются основные этапы отбора и реконструкция коллинеарных событий, а также исследуется вклад фоновых процессов. Условия отбора сформулированы следующим образом.

1. Минимальное расстояние от трека частицы до оси пучков (Rv) не превышает 16 мм и 32 им соответственно для 0>45° и 0<45°, где в - угол вылета мюонов относительно оси пучков.

2. Вершина события вдоль оси пучков находится в пределах ±4 - и^ от точки взаимодействия пучков, где т - среднеквадратичная ширина области взаимодействия.

3. Среднее время срабатывания счетчиков Tin лежит в пределах ±2-иот момента столкновения пучков.

4. Время пролета лежит в интервале -4*2.69 не.

5. Энерговыделение в каждом сцинтилляционном счетчике меньше 12 МэВ.

6. Среднее энерговыделение в ливнево-пробежной камере Е\ меньше 5 кэВ. При вычислении El примерно 45% камер с минимальными и максимальными амплитудани исключались из обработки.

Для дополнительного подавления событий е*е~-рассеяния используется отбор по числу сработавших групп (искр) в ЛПК.

Для е*е событий искры в ливневых камерах в основном широкие, т. е. одна искра состоит из нескольких групп. Часто в камере появляются 2 и более искр. Для д*д~ событий характерны искры, состоящие из одной группы, и дополнительные искры обычно отсутствуют. Па рис.2 представлена двунерная гистограмма для мюонов и событий е е -рассеяния, где по одной оси отложено число дополнительных искр (Ым), по другой - число дополнительных групп (Had) в событии. Событие считается фоном, если Had>9 или если H»d>3 и Nhi>0.

N

Рис. 2. Двумерное распределение по числу лишних искр (Nhl) И числу ЛИШНИХ групп (Had) ДЛЯ СуММЫ СОбытий д д~ и е*е~.

Для определения величины фона от процесса е е~-рассеяния использовалось отсутствие корреляции между амплитудами сработавших сцинтилляционных счетчиков.

После наложения перечисленных условий отбора вклад фоновых процессов составил: 4.9"/. - от космических частиц, 2.1% - от процесса е*е"-рассонния и 3.2% - от процесса двухфотонного рождения д'д" пар. Приведенная величина фона нормирована на процесс однофотонной аннигиляции при ^5-9.46 ГэВ.

В результате отбора событий получено сечение регистрации д*д~ пар в диапазоне энергий 8+10 ГэВ (рис.3).

Третья глава посвящена изучению процесса однофотонной аннигиляции е*с.~ . В этой главе описана процедура но лелирования процесса е*е~-*д*д" и приводятся результат!.; измерения сеченин вне резонанса.

0.9 0.8 0.7

0.6 0.5 0.4 0.3

УЭ, СеУ

Рис. 3. Измеренное сечение регистрации процесса е е ->д д~ вне резонанса (а) и в резонансе (б).

Эффективность регистрации процесса е*е"->дV определялась с помощью моделирования, которое проводилось в две стадии. Вначале производилась генерация д*д~ пар с учетом излучения фотонов, затем частицы проводились через детектор. При моделировании процесса е*е~->д*д~ учитывались радиационные поправки -а3.

В результате было измерено борновское сечение процесса е*е~-»д*д~: сгъ=0. 949±0. 013±0. 024 нб (/Ё=9.4б ГэВ). Первач ошибка является статистической. Систематическая ошибка учитывает ошибки, связанные с вычитанием фона (1.1%), неопределенность эффективности регистрации (1.2%) и неточность измерения интеграла светимости (2.2%). Измеренное сечение хорошо согласуется с расчетом по квантовой электродинамике: <ть-0.970 нб.

В качестве монитора светимости использовался процесс е*е" -рассеяния на малые углы (монитор ЗА). Для абсолютной калибровки

0у,пЬ

8 8.4 8.8 9.2 9.6 10

монитора светимости использовался процесс двойного тормозного

излучения и процесс е*е~-рассеяния на большие углы (0>45°) .

+ - * -

Результаты изкерекия процесса е е ->д (I также использовались для калибровки нонитора светимости. Сечение регистрации ст определялось отдельно для первого и второго циклов измерений. Результаты кзнерений приводятся в таб.1.

Таблица 1. Результаты калибровки монитора светимости

Процесс Цикл о- [дбн], у^5=9.46ГэВ ^ба/^ба" 1' ^^

е*е~->е*е~ гг 1 0.358±0.005+0.011

1 6.8±з.з

V -а 1:1111°о.°о11 — 89 4 36

е*е"->е*еТ 12°<е<45° - 6. 0 ± 1. 8

диссертации было отмечено, что сечение регистрации монитора светимости различается для первого и второго циклов измерений. Это различие подтверждается результатами измерения процесса е*е~-рассеяния на средние углы (12°<е<45°) к связано с изменениями в системе регистрации монитора светимости в период между циклами измерений.

В четвертой главе описан эксперимент и приводятся результаты измерения вероятности распада T(lS)->n*u . Описана процедура выделения многоадронных событий.

Величина мюонного бранчинга находилась из отношения числа мюонных и адронных распадов резонанса. Для определения эффективностей регистрации процессов е*е->T(lS)->/i ц ,

е*е"->Т(13)-»адроны использовалось моделирование.

В результате анализа экспериментальных данных были получены

. li. , h. сечения в нюонном (о-) и адронном (<т ) каналах при энергии в

г г

системе центра масс равной массе резонанса. Отношение этих сечений позволяет получить величину В . Форма резонансной кривой, которая использовалась для аппроксимации сечения регистрации, рассчитывалась с учетом радиационных поправок и энергетического разброса пучков. При расчете мюонного сечения учитывалась интерференция резонанса и нерезонансного фона.

В результате анализа всех измерении величины сг^^ автором

В таб. 2 приводятся значения сечений, зарегистрированных распадов Т(13)->д*д~ ^дд' ' результате обработки экспериментальных данных.

и число в

Приведенные

ии

полученные

величины ошибок получены при фиксированном значении сечения вне резонанса.

Таблица 2. Адронное

кюонное сечение в резонансе, N

дд'

В^^ для двух вариантов триггера Т1 и Тг.

триггер ь О" г , нб с11, нб г ндд Б , % ДД

Т1 15. 8±0.13 0.348+0.045 27б±36 2 . 20±0.28

Т2 15. 4±0.14 0.357±0.042 339+40 2 . 32±0.27

Учитывая соотношение

В

ДД

В /(1 + 3-В ) ДД' * дд'

и добавляя статистическую ошибку, связанную с вычитанием нерезонансного фона, получаем значение вероятности распада Т (13) ->д*д~:

В = (2.12 ± 0.20 ± 0.10) %. дд 1

Систематическая ошибка для величины в учитывает неопределенность эффективности регистрации мюонных событий (2.2%) и многоадронных событий (2.ОХ), неточность измерения энергии накопителя СО.8%), ошибку фона от многоадронных распадов Т (13) (0.7%) ------------------—' ............ ...........- ~2

(3.2%). Отношение иг /сг1

* ' БА 5А

и неопределенность величины отношения <7о4/сгЗА находилось по процессу е*е ->е*е~ (таб.1) и использовалось для определения светимости во втором цикле измерений.

Пятая глава посвящена поиску распадов Т (1Б) -п*п~, К*К~.

Для поиска адронных распадов Т(1Б)-мезона использовались двухчастичные события с углами в>45°. Идентификация мюонов осуществлялась с помощью мюонных камер. Для этого проверялось срабатывание МК, пересеченных треком. Событие браковалось, если сработали МК, расположенные внутри ярма и вне ярма. Б случае, если сработавших камер нет или сработали камеры, расположенные за обмоткой магнита (1>420 г/смг) , отбирались события, в которых число пересеченных и несработавших НК больше одной. Для уменьшения фона от процесса двухфотонного рождения д*д~ использовались дополнительные условия отбора по вершине события Ич и миникальному импульсу частиц Р. Отбирались события, удов-

и

летворяющие требованиям: Rv<10 мм и Р>2 ГоВ или Rv<5 мм, если импульсы частиц не были восстановлены. Разделение адронов не производилось.

В итоге было наблюдено 5 событий в резонансе (Jut-5. 1пб~') и 21 событие вне резонанса (/ин-15.0 пб"1) . Измеренное число событий согласуется с ожидаемым фоном, который определяется процессами , e*e~->e'e~ß ц~, е*е~*е*е". фон от

перечисленных процессов оценивался из моделирования и составляет соответственно 2.5±1.0, 3.0±3.0, 2.3±1.5 событий для интегральной светимости 5.1 пб~'. Вклад от многоадронных событий пренебрежимо мал.

Эффективность регистрации для распадов Т (1S)К*К" определялась с помощью моделирования и составляет (11. 3±1.0±1.7)%. Первая ошибка определяется статистикой событий моделирования, вторая ошибка учитывает неточность моделирования ядерного взаимодействия частиц с веществом детектора.

Анализ данных вне резонанса производился для двух предположений об энергетической зависимости фона: -const и -1/s. Число адронных распадов резонанса практически не зависит от способа аппроксимации фона.

В итоге приведем измеренные значения верхних пределов на вероятности распадов T(lS)-w*n~ и T(1S)->K*K~:

Br (1 (IS) ->Ti*Ti") < ü-lO"4, Br (T( IS)-»К* К") < 5'icf

(на уровне достоверности 90%) .

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе:

1. Созданы пропорциональные камеры большой площади для идентификации мюонов в экспериментах с детектором МД-1.

2. Измерено сечение процесса однофотонной аннигиляции е*е~<д*д~ в диапазоне энергий 8+10 ГэВ. Точность измерения сечения составляет 2.7%. По этому процессу проведена абсолютная калибровка монитора светимости детектора МД-1.

3. Измерена относительная вероятность распада Т(1Б)->ц*д":

= (2.12 ± 0.20 ± 0.10) %.

4. Впервые при измерении вероятности В , учитывалась интерференция амплитуд процессов е*э"->д*д~ и е*е~->Т (1S) .

Показано, что в случае, если интерференция не учитывается, возникают дополнительные систематические ошибки величины

5. Впервые проведен эксперимент по поиску распадов Т {1S) ->п+п~, К+К~, установлены верхние пределы на вероятности распадов:

Br(T(lS)-*rrV) < 5• 10"4 , Br(T(lS)-+K*K") < 5-Ю"4

(на уровне достоверности 90%).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Детектор МД-1 /С.У.Бару, А. Е. Блинов,... ,С. Г. Клименко и др./, Новосибирск, 1983, 27стр. (Препринт ИЯФ 83-39, в кн.: Рабочее совещание по программе экспериментов на встречных пучках, Дубна, 1983, с29.

2. Luminosity measurement with the MD-1 detector at VEPP-4. / А. E. Blinov, A. E. Bondar, A.D.Bukin, S.G.Klimenko et al. /, Nuclear Instr. and Methods, A273, 1988, p.31.

3. Measurement of particle polarization in e*e~ storage rings by means of synchrotron radiation scattering on the colliding beam. / A. E. Blinov, Л. E. Bondar, V. R. Grochev, . . . , S.G.Klimenko et al./, Nucl. Instrum. and Methods, 1985, Vol.A241, p.80-88.

4. Measurement of the branching ratio for T(1S) state into and search for decays T (IS) -тг*тт~,K*K~,pp.

/S.E.Baru, H.V.Beilin,. . . , S.G.Klimenko et al./, Z.Phys., 1992, Vol.C54, p.229-234.

5. Measurement of the leptonic width and the muon-pair branching ratio of the T(1S) with the MD-1 detector.

/S.E.Baru, H.V.Beilin,... , S.G.Klimenko et al./, Nuclear Physics, 1992, Vol.27B, p.89-93.