Изучение дифракционного рождения D мезонов в реакциях глубоконеупругого ep рассеяния на колайдере HERA тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

1 Введение

2 Дифракционное рождение чарма в реакциях ГНР

2.1 Физика тяжелых кварков.

2.2 Рождение очарованых кварков в глубоко-неупругом рассеянии

2.3 Большой быстротный зазор в событиях на HERA

2.4 Модели дифракционного рождения чарма в реакциях ГНР

2.5 Модели структурного померона

2.5.1 Модель ACTW

2.6 Моделирование жесткой дифракции в рамках пертурба-тивной КХД.

2.6.1 Модель насыщения.

2.6.2 Модель двухглюонного обмена BJLW.

3 Эксперимент ZEUS на электрон-протонном коллайдере HERA

3.1 Кол лай дер HERA

3.2 Детектор ZEUS.

3.2.1 Центральный трековый детектор (CTD).

3.2.2 Урановый калориметер (UCAL)

3.2.3 Передний калориметр (FPC)

3.2.4 Задний трековый детектор для малых углов (SRTD)

3.2.5 Монитор светимости (LUMI).

3.2.6 Система триггера и набор данных.

3.2.7 Монте Карло симуляция детектора ZEUS.

4 Отбор событий глубоко-неупругого рассеяния и реконструкция переменных

4.1 Offline реконструкция.

4.1.1 Кластеризация энергии в калориметре.

4.1.2 Реконструкция треков и вершины взаимодействия

4.2 Программы и методы пост-реконструкции.

4.2.1 Отбор событий Evtake.

4.2.2 Подавление шума.

4.2.3 Идентификация рассеяного позитрона.

4.2.4 Коррекция энергии в калориметре.

4.2.5 Zeus Unidentified Flow Objects (ZUFOs).

4.3 Реконструкция кинематики взаимодействия.

4.3.1 Электронный метод.

4.3.2 Адронный метод.

4.3.3 Метод "Двойного Угла" (DA).

4.4 Отбор событий глубоко-неупругого рассеяния

4.4.1 Выделение фона.

4.4.2 Триггер.

4.4.3 Итоговый список требований к отбору событий ГНР

5 Реконструкция D* мезонов и отбор дифракционных событий

5.1 Програмы Монте Карло.

5.1.1 Фильтр D*

5.1.2 Программа Монте Карло RAPGAP

5.1.3 Программа Монте Карло HERWIG

5.1.4 Программа Монте Карло RIDI.

5.2 Реконструкция Я** (2010).

5.2.1 Метод разницы масс.

5.2.2 Кинематическая область D*.

5.2.3 Инклюзивные распределения по ДМ и M(D°)

5.3 Отбор дифракционных событий

5.3.1 Реконструкция дифракционных переменных

5.3.2 Критерий отбора дифракционных событий

Оглавление

5.3.3 Кинематическая область дифракционных процессов

5.3.4 Оценка числа дифракционных И* методом М\

5.3.5 Анализ сигнала дифракционного образования Б* мезонов.

5.4 Оценка примеси событий протонной диссоциации.

6 Результаты изучения дифракционного рождения И* мезонов

6.1 Сравнение с предсказаниями моделирования.

6.2 Расчет сечений дифракционного рождения £>*±

6.3 Оценка систематических ошибок и сравнение с результатами предыдущих измерений.

6.4 Отношение сечений дифракционного и инклюзивного рождения

6.5 Сравнение результатов измерений с моделями.

6.6 Вклад рождения открытого чарма в дифракционную структурную функцию протона

Обнаружение на коллайдере HERA жестких адронных состояний с дифракционной топологией (событий с большим быстротным зазором между рассеянным протоном и остальными конечными адронами) послужило стимулом к детальному изучению процессов дифракционной диссоциации, которые раньше традиционно относились к разряду мягких процессов. В процессах взаимодействия при высоких энергиях неотъемлемым атрибутом дифракционного механизма является померон, переносящий вакуумные квантовые числа. Вся имеющаяся феноменологическая информация указывает на то, что померон - это полюс сопровождаемый движущимися разрезами. Наиболее последовательно померон может быть описан в рамках теории Редже, но этот подход оставляет в стороне информацию о его структуре. Исследования структурной функции померона [1] показывают, что в помероне имеет место жесткое распределение глюонов, которые несут большую часть его импульса. Однако, в различных моделях глюонные распределения сильно различаются.

Наряду с представлениями о помероне как обменном объекте существуют альтернативные подходы к описанию дифракционного механизма, в которых обмен вакуумными квантовыми числами осуществляется четным числом глюонов. Выбор между той или иной моделью дифракционного механизма может быть сделан только на основе анализа соответствующей экспериментальной информации. Важную информацию дают экспериментальные данные о дифракционном рождении тяжелых кварков. В анализе этих данных можно использовать различные вычислительные схемы квантовой хромодинамики (КХД), так как массы тяжелых кварков задают естественный масштаб вычислений.

Сечения процессов дифракционного рождения тяжелых кварков малы, поэтому для их анализа необходимо выполнение двух важных условий - большая статистическая обеспеченность экспериментального материала и низкий уровень систематических неопределенностей. Реализация этих требований стала возможной на установке ZEUS кол-лайдера HERA, где в период 1998-2000 г.г. были набраны обширные экспериментальные данные по ер - взаимодействиям.

В 1998 году установка ZEUS [2], на которой выполнялась данная работа, была оснащена новой компонентой - "Передним Калориметром" (FPC [3]) для измерения потоков энергии в узком телесном угле вдоль направления пучкового протона. Это открыло дополнительные возможности для экспериментального изучения образования тяжелых конституентов в ер - взаимодействиях и, в частности, сепарации дифракционных состояний, содержащих с - кварки.

Дифракционная диссоциация виртуального фотона в конечные состояния, содержащие очарованные кварки, представляет интерес прежде всего в плане сравнения экспериментальных данных с предсказаниями моделей, основанных на различных вариантах механизмов обмена и процессов фрагментации. Такое сравнение позволяет сделать критическую оценку рассматриваемых подходов и получить информацию о природе дифракционного рассеяния.

Экспериментальному изучению этих вопросов и посвящена настоящая работа. Продукты диффракционных ер - взаимодействий с открытым чармом (т.е. конечные состояния содержащие одиночные с- кварки) детектировались в так называемом "золотом"канале распада D* мезона: D* —> D°7r, с последующим распадом D0 мезона :D° —» К ir. В анализе использовались экспериментальные данные полученные в режиме глубоко неупругого ер - рассеяния при виртуальности обменного фотона Q2 > 1.5 ГэВ2. В течение 1998 и частично 1999 годов в эксперименте ZEUS была собрана база данных ер - взаимодействий обьемом 16 пб-1 с энергией электронного пучка 27.5 ГэВ и энергией протонного пучка 920 ГэВ. В период 1999(частично) - 2000 годов набор данных производился с позитронным пучком с энергией 27.5 ГэВ и с той же энергией протона. Полная база данных, используемая в данной работе составляет 82 пб-1.

Диссертация состоит из 7 глав, включая введение и заключение. Введение содержит краткую характеристику темы, формулировку целей и описание структуры диссертационной работы. Во 2-ой главе описываются основные механизмы дифракционного рождения чарма в реакциях ГНР и дается описание модельных представлений, привлекаемых для сравнения. В 3-ей главе приводится краткое описание кол-лайдера HERA, основных компонент многоцелевого детектора ZEUS и его триггерной системы. В 4-ой главе подробно описывается методика отбора событий глубоко-неупругого рассеяния и определяется кинематическая область для реконструируемых переменных ГНР. В 5-ой главе описывается методика реконструкции D*± и дается описание метода отбора дифракционных событий. В конце 5-ой главы приводится полная кинематическая область, в которой были виполнены измерения. В 6-ой главе приведены результаты измерений интегрального и дифференциальных сечений дифракциионного рождения D*± в реакциях ГНР, интегрального и дифференциальных отношений сечений дифракционного и инклюзивного рождения D*4", а также вклада рождения открытого чарма в дифракционную структурную функцию

в данной работе представлены результаты изучения дифракционно го рождения В* мезонов в реакциях глубоко-неупругого рассеяния, полученные на основе данных 1998-2000 г.г. На защиту выносятся сле дующие основные результаты работы: 1 Полное сечение дифракционного рождения В*^ резонанса, изме ренное с наилучшей в настоящее время точностью для кинема тической области 1.5 < (5^ < 200 ГэВ^, 0.02 < у < 0.7, Хр <

0.035, 15 < 0.8, рт{0*) > 1.5 ГэВ и \^{0*)\ < 1.5 и равное: 512 ± Щstat)t7Usyst)tlUp.dis.) пб.2 Дифференциальные сечения дифракционного рождения В* мезо нов в реакциях ГНР в зависимости от переменных Рт{В*), Г1{В*),

1одго{М1), х{В*), /3, Хр, 1од,о{Я') и ] ¥ .3 Отношение сечения дифракционного рождения В*"^ мезонов к полному сечению рождения В*^ мезонов, равное: Кр, = 6.3 ± OЦstat)tQKsyst)tQi(p.dis.) %.4 Дифференциальные отношения Яп в зависимости от переменных Рт{В*), г](В*), х{В*), loglQ{Q'^) и ] ¥ . Полученные результаты сви детельствуют о том, что Ко не зависит от х{В*), Q^ и Ш в пре делах ошибок. Относительный дифракционный вклад больше при малых значениях и отрицательных значениях г]{В*).5 Анализ дифракционного рождения В*^ мезонов в области глубо конеупругого ер рассеяния на основе сравнения эксперименталь ных данных с предсказаниями моделей дифракционного ГНР. С Глава 7. Заключение 136 учетом различия областей компетентности моделей, не наблюда ется существенной разницы в результатах их предсказаний. Это означает, что как подход, основанный на пертурбативной КХД, так и представления о структурном помероне, основанные на редже феноменологии, - правильно оценивают (и количественно и каче ственно) основные свойства дифракционной динамики.Суммируя результаты сравнений, можно сделать два общих вы вода о динамике дифракционного механизма : — О природе обменной системы : Все опробованные модели дифракционного рождения чарма указывают на необходимое присутствие в обмене глюонной компоненты.рующим вкладом глюонной компоненты.Не противоречат данным и представления об обмене синглет ной по цвету глюонной компонентой. В последнем случае, ими тирующая номеров функция распределения обменных глюо нов ограничивает нижний предел области изменения их им пульсов. • О конечном партонном состоянии : В случае адроноподобного обмена, конечное состояние сводит ся к образованию сс пары, что дает хорошее согласие с экспе риментальными данными.В предположении механизма двухглюонного обмена, для успеш ного описания данных недостаточно вклада только состояния сс и требуется учет вклада суперпозиции состояний сс и сед.При этом для удовлетворительного описания эксперименталь ных данных поперечные импульсы § канальных партонов долж ны удовлетворять условию наличия мягкой глюонной компо ненты : дт <С ктд ^ ктд (в модели насыщения), а в модели B J L W - ограничению на поперечный импульс глюона : дт >

1.5 ГэВ. Глава 7. Заключение 137 6 Впервые измерен вклад рождения открытого чарма в дифрак ционную структурную функцию протона р^'^^^'^_ Показано, что что чарм дает значительный вклад в структурную функцию. Для наименьших значений Р этот вклад составляет 20%. Это зна чит, что рождение чарма не подавлено в дифракционном ГНР в сравнении с рождением легких ароматов.В заключении считаю своим долгом выразить мою благодарность профессору Ермолову Павлу Федеровичу за предоставленную мне воз можность работать в эксперименте ZEUS.Выражая особую благодарность моим руководителям Лейкину Ев гению Моисеевичу и Дементьеву Роману Константиновичу за помощь и поддержку, оказанную мне на всех этапах моей работы в лаборато рии Высоких Энергий ОЭФВЭ. Они с большим терпением занимались со мной и помогали решать все не только научные, но и администра тивные проблемы.Особенно я хочу поблагодарить Гладилина Леонида Константино вича за бесчисленные дисскуссии на протяжении всей моей работы в коллаборации ZEUS и переданный мне громадный экспериментальный Успешной и быстрой подготовке данной работы способствовала та уникальная дружественная и доброжелательная атмосфера, которая создана и существует благодаря всем сотрудникам нашей лаборатории.За это я благодарен всем моим коллегам - Рудю Вячеславу Ивановичу, Коржавиной Ирине Аркадиевне, Кузьмичевой Галине Александровне, Силаевой Тамаре Георгиевне, Нимиткину Алексею Викторовичу, Кат кову Игорю Игоревичу, Лукиной Ольге Юрьевне, Хейну Льву Абра мовичу, Зоткину Сергею Алексеевичу.За многочисленные научние дисскуссии и сотрудничество я благо дарен нашим иностранным коллегам по коллаборации Йонкйон Ким, Гюнтеру Вольфу, Малькольму Деррику и Юджи Ямазаки.

1. L.P.A. Haakman, А.В. Kaidalov, J.H. Koch, EPJ С 1, 547 (1998).

2. ZEUS Coll., M. Derrick et al, Phys. Lett. В 293, 465 (1992); ZEUS Coll., M. Derrick et al., Z. Phys. С 63, 391 (1994).

3. ZEUS Coll., FPC group, A. Bamberger et al., Nucl. Inst. Meth. A 450, 235 (2000).л} лт Л71„„ а тэ оо ооп^7tj J.-V. v laouv, i-vi^ta t ii^oi^a. x wiuiii^a jlj ou, uZikj i

4. ZEUS Coll, S. Chekanov et al., Phys.Lett. В 545, 244 (2002).

5. ZEUS Coll, S. Chekanov et al, Phys. Lett. В 516, 273 (2001).

6. ZEUS Coll, Paper 780, XXXI International Conference on High Energy Physics, 24 31 July 2002, Amsterdam, The Netherlands. (2002).

7. H.H. Власов, Л.К. Гладилин, P.K. Дементьев, Preprint НИИЯФ МГУ 2002-25/709, 2002.

8. Н.Н. Власов, Л.К. Гладилин, Р.К. Дементьев, Preprint НИИЯФ МГУ 2002-26/710, 2002.

9. Н.Н. Власов, Л.К. Гладилин, Р.К. Дементьев, Preprint НИИЯФ МГУ 2003-3/716, 2002.И. HI Coll, С. Adloff et al, Z. Phys. С 72, 593 (1996).

10. J.R. Forshaw and D.A. Ross, Quantum Chromodynamics and the Pomeron, Cambridge Lecture Notes in Physics, Vol. 9. Cambridge University Press, 1997.

11. G. Ingelmann and P.E. Schlein, Phys. Lett. B 152 (1985);A. Donnachie and P.V. Landshoff, Nucl. Phys. B 303, 634 (1988).14