Изучение лёгких векторных мезонов в процессах рождения адронов в e+e- аннигиляции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

АЧАСОВ Михаил Николаевич

ИЗУЧЕНИЕ ЛЁГКИХ ВЕКТОРНЫХ МЕЗОНОВ В ПРОЦЕССАХ РОЖДЕНИЯ АДРОНОВ В е+ с" АННИГИЛЯЦИИ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

18 НОЯ 2013

005541178

НОВОСИБИРСК - 2013

005541178

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

СЕРЕДНЯКОВ - доктор физико-математических наук, профессор,

Сергей Иванович Федеральное государственное бюджетное

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КОЖЕВНИКОВ - доктор физико-математических наук, Федеральное

Аркадий Алексеевич государственное бюджетное учреждение науки

Институт математики им. С.Л. Соболева СО РАН, г. Новосибирск, ведущий научный сотрудник.

ПАХЛОВ - доктор физико-математических наук,

Павел Николаевич член-корр. РАН, Федеральное государственное

бюджетное учреждение «ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики», г. Москва, начальник лаборатории.

ФЕДОТОВИЧ - доктор физико-математических наук, Федеральное

Геннадий Васильевич государственное бюджетное учреждение науки

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, ведущий научный сотрудник.

ВЕДУЩАЯ - Федеральное государственное бюджетное

ОРГАНИЗАЦИЯ учреждение «ГНЦ РФ Институт физики высоких

энергий», г. Протвино, Московская обл.

Защита диссертации состоится « 2013 г.

в « /О OQy> часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан « ^ ^ » ЯО/?^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук, профессор 1 B.C. Фадин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Метод встречных е+е~ пучков развивается более 50 лет и стал ведущим экспериментальным методом изучения элементарных частиц. Одна из основных задач, решаемая в е+е" экспериментах, - исследование электрон-позитронной аннигиляции в адроны. Сечение процессов аннигиляции е+е~ —> адроны изучено в энергетической области y/s и 0.4 - 190 ГэВ. Область энергии коллайдера ВЭПП-2М (Новосибирск, ИЯФ СО РАН) лежит ниже 1.4 ГэВ и до порога рождения легчайших адронов - 2т7Г±, т.е находится в самом начале энергетической шкалы. В этой области энергии сечение процесса аннигиляции е+е~ —>■ адроны достигает наибольших значений и рождается половина из известных кварков (и, d, s). В области низких энергий, кроме ВЭПП-2М, работали коллайдеры ВЭПП-2 (Новосибирск), АСО и DCI (Орсе), ADONE и DA<I?NE (Фраскати). Кроме того, этот энергетический диапазон исследуется в экспериментах на В-фабрике PEP-II (SLAC) методом радиационного возврата ISR (initial state radiation).

Интерес к исследованиям е+е~ аннигиляции в области энергии ВЭПП-2М всегда был высок. В значительной степени он связан с экспериментами по измерению аномального магнитного момента мюона - одной из наиболее точно измеренных физических величин. Сравнение этих измерений с теоретическим расчётом является одной из наиболее чувствительных проверок Стандартной Модели. В расчётах для определения адронного вклада в поляризацию вакуума используется экспериментально измеренное сечение аннигиляции е+е~ —> адроны. При этом область энергии ВЭПП-2М определяет величину этого вклада.

В области энергии ВЭПП-2М в е+е~ аннигиляции рождаются лёгкие векторные мезоны р, из и ф и их возбуждённые состояния, в частности, р' и из'. Большой интерес для изучения сильных взаимодействий при низких энергиях представляет экспериментальное исследование свойств этих мезонов. Исследования р, из и ф резонансов идут в двух направлениях: ведётся поиск редких распадов этих состояний и увеличивается точность измерения основных параметров резонансов - масс, полных ширин, основных мод распада. Возбужденные состояния р, из и ф мезонов - р', р", из', из" и ф' изучены с гораздо худшей точностью, чем основные состояния. Практически, известно только то, что они существуют.

В период с 1995 по 2000 годы на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М были проведены эксперименты со Сферическим нейтральным детектором (СНД). Калориметр СНД имеет сферическую форму, что обеспечило равномерную чувствительность по телесному углу. В качестве трековой системы для измерения углов заряженных частиц в детекторе была создана систе-

ма из двух дрейфовых камер. СНД является универсальным детектором, способным зарегистрировать и полностью восстановить события, содержащие как заряженные, так и нейтральные частицы. Сочетание высокой светимости коллайдера, хорошего разрешения, большого телесного угла и высокой сегментации детектора позволило выполнить успешные измерения и получить важные физические результаты.

В диссертации представлены результаты изучения следующих процессов е+е~ —> адроны: е+е~ —» тг+тг~ в области энергии до 1 ГэВ, е+е~ —> •7г+7г~7г° во всём диапазоне энергии ВЭПП-2М < 1.4 ГэВ), е+е~ —» К+ К~ и КзКь в области рождения ^—резонанса. Исследования СНД базируются на рекордном числе отобранных событий изучаемых процессов, существенно превосходящем статистику предыдущих экспериментов. Это обстоятельство позволило не только понизить статистическую ошибку определения параметров векторных мезонов (например, статистические ошибки значений произведений ширин распадов р,и и ф по основным каналам на соответствующие лептонные ширины не превышают 1% ), но и тщательно исследовать систематические погрешности измерений, что в конечном итоге привело к снижению систематических ошибок. Как результат точность определения параметров резонансов была существенно улучшена в сравнении с предыдущими измерениями.

Прецизионное измерение сечения процесса е+е~ тт+ж~ в области рождения р и и> (л/в < 1 ГэВ) мезонов имеет первостепенное значение для определния адронного вклада в аномальный магнитный момент мю-она, поскольку даёт около 70% величины этого вклада. В эксперименте СНД удалось измерить величину этого сечения с точностью около 1%. Изучение сечения процесса е+е~~ —> тг+тг~ в этой области энергии на большой статистике позволяет с высокой точностью исследовать интерференцию между р и ш мезонами. Полученные данные по сечению процесса е+е~ —> 7г+тг~ позволяют проверить и развить теоретические модели его описания, основанные на р — и) смешивании.

Сечение процесса е+е~ —> тг+п~тт° было впервые измерено с одним детектором во всём энергетическом диапазоне рождения лёгких векторных мезонов р, и), ф и а/. Это в сочетании с высокой статистикой, набранной в экспериментах СНД, позволило на новом экспериментальном уровне исследовать интерференцию между векторными мезонами. Анализ сечения процесса е+е~ —> 7Г+7Г_7Г° указывает на существование запрещенного по С-четности распада р —> тг+тг~тг° на уровне трех стандартных отклонений. Полученные данные по сечению процесса е+е~~ —> тг+тт~тг° позволяют уточнить и развить теоретические модели описания процесса, основанные нар-ши^-ш смешивании. В области энергии выше 1 ГэВ был экспериментально обнаружен новый механизм процесса

е+е- 7Г+7Г~7Г° - е+е~ —W7г° ->• 7Г+7Г_7Г°, идущий за счёт распада ы -> 7Г+7Г-. Путём анализа спектра масс тг+г~ была впервые измерена фаза интерференции между амплитудами процессов е+е~ —»■ /от —» 7г+тг 7Г и е+е- _> W7r° 7г+7г-7г°. Увеличение точности измерения сечения в области энергии ,/» = 1.1-1 Л ГэВ дало экспериментальные доказательства существования резонансной структуры, которая отождествляется с резонансом и)'.

Наряду с процессами е+е~ -> адроны в области ВЭПП-2М представляет интерес исследовать процессы квантовой электродинамики. В частности, процесс е+е~ —> который является одним из наиболее

важных в физике высоких энергий. Он является фундаментальным для изучения электромагнитного и слабого взаимодействия, электромагнитных свойств адронов. Этот процесс использовался для проверки квантовой электродинамики (КЭД), для измерения электрослабой интерференции, лептонных ширин векторных мезонов с квантовыми числами jGjPC _ — н Z-бозона, а также для измерения значений бегущей электромагнитной константы a(s) во времениподобной области. До эксперимента СНД процесс е+е~ -> в области энергии ВЭПП-2М изучался только в двух экспериментах на небольшом числе событий. В представленной работе сечение процесса е+е~ —> измерено в области энергии 1-1.4 ГэВ с точностью лучше 2%. Впервые в энергетической области y/s и 1 - 1.4 ГэВ определено значение константы a (s) электромагнитного взаимодействия.

Большинство точечных фермионов (кварки, нейтрино) участвуют в процессах с изменением аромата: в распаде кварков и в осцилляции нейтрино. В то же время, процессы с изменением аромата заряженных леп-тонов пока не наблюдались. Теоретически такие процессы не исключаются и присутствуют во многих расширениях Стандартной Модели. Поиск изменения аромата заряженных лептонов проводится в распадах /1ит-лептона, К, В, D, r¡ мезонов, в процессе конверсии ¡J.N —> eN. Для таких исследований также подходят процессы аннигиляции е+е~ —> e/i, ет, /¿т. Ранее проводились поиски распадов J/^(T,Z) ->• ец,ет,цт, процессов е+е- —> e/t, ет и цт в области рождения Т(45)-мезона и при sfs = 189 - 209 ГэВ. В частности, были установлены верхние пределы на уровне Ю-6 на распады J/ф -4 e/i и Z —> ец. При энергии ниже рождения J/ф подобные исследования впервые были выполнены с детектором СНД. В диссертации представлен поиск распада ф —»■ ец. Впервые установлен верхний предел на относительную вероятность распада.

Цель работы

Цель работы состояла в измерении сечений процессов е+е~ —> тт+тг~ в области энергии -^/s < 1 ГэВ, е+е~ -» 7г+7г~тг° в области энергии д/i < 1.4 ГэВ, е+е~ —> К+К~ и е+е~ —> KsKl б области рождения ф-мезона, анализе сечений и определении основных параметров р, со, гД-мезонов, изучении интерференции между ними, исследовании свойств и)' резонанса, поиске подавленного по G-чётности распада р —> 7Г+7Г-7Г°, изучении посредством анализа спектра инвариантных масс тгтг пар свойств р-мезона и механизмов перехода векторных мезонов в конечное состояние 7Г+7Г-7Г°, измерении сечения процесса е+е~ —> ¡л+ в области энергии 1 - 1.4 ГэВ, поиске распада ф e/j, подготовке калориметра детектора СНД к экспериментам на новом коллайдере ВЭПП-2000, проведении первого измерения светимости ВЭПП-2000.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в получении результатов диссертации является определяющим. В ходе эксперимента автор принимал участие в обеспечении работоспособности калориметра детектора СНД, обеспечил его энергетическую калибровку, принимал участие в наборе данных, на основе которых выполнены измерения, представленные в работе. Автор лично проводил анализ данных: разработал методику отбора событий изучаемых процессов и определения систематических ошибок измерений, аппроксимировал измеренные сечения и спектры масс пар пионов теоретическими моделями, разработал часть необходимого программного обеспечения. Под руководством автора и с его непосредственным участием калориметр СНД был подготовлен к экспериментам на новом коллайдере ВЭПП-2000, выполнены первые измерения светимости ВЭПП-2000.

Научная новизна работы

На рекордной статистике проведены исследования процессов аннигиляции е+е~ —> 7г+7Г~ в области рождения р и w-мезонов, е+е~ —> 7г+тг_7г0 в области области рождения р, ы, (^-мезонов и и>' резонанса, е+е~ — К+К~, KsKl в области рождения ф-мезона. Сечение е+е~ —7Г+7Г-7Г° впервые измерено в одном эксперименте в широком диапазоне энергии л/s от 660 до 1380 ГэВ. С лучшей, по сравнению с предыдущими экспериментами, точностью измерены основные параметры р, ш, ф-мезонов -массы, ширины, произведения ширин распадов по основным каналам на соответствующие лептонные ширины. Улучшена точность определения фаз интерференции между векторными мезонами. Показано, что значение фазы (рШф между амплитудами процессов е+е~ и —» 7г+тг~7г° и е+е~ ф —> 7Г+7Г~7Г° согласуется с предсказанием, основанном на ф — ш

смешивании за счёт общих каналов распада. Значение фазы <ррш между амплитудами процессов е+е~ —> р —>• 7Г+7Г- и е+е~ —> ы —» 7Г+7Г~ превышает величину, ожидаемую из р — смешивания.

В области энергии выше 1 ГэВ был экспериментально обнаружен и исследован новый процесс е+е~ -> штг° —» 7г+7г~7г°. Впервые измерена фаза интерференции между амплитудами процессов е+е~ —р7г -> 7г+7г_7г° и е+е_ —»• а;7г° > 7Г+7Г_7Г°. Получены экспериментальные доказательства существования резонанса и/.

Анализ сечения процесса е+е" —> 7г+7г~7г° указывает на существование запрещенного по (^-четности распада р —> 7Г+7Г_7Г° на уровне трёх стандартных отклонений. Полученные значения относительной вероятности распада и фаза между амплитудами ш и р согласуются со значениями, ожидаемыми из р — ш смешивания.

С лучшей точностью измерено сечение процесса е+е~ —> ■ Впер-

вые в этой энергетической области определено значение константы а электромагнитного взаимодействия.

Впервые установлен верхний придел на величину распада с нарушением аромата заряженных лептонов ф —» ер,.

Научная и практическая ценность работы

Разработаны методика выделения событий процессов е+е~ —>■ 7г+7Г_, 7г+7г~7г°, К+К~, КбКь из массива экспериментальных данных на детекторе СНД и методика оценки систематических погрешностей определения эффективности регистрации.

Результаты работы внесены в таблицу свойств частиц и в базы данных сечений процессов в физике высоких энергий, используются для построения теоретических моделей описания изученных процессов, в обработке и интерпретации данных других экспериментов. Измеренные сечения используются для расчётов адронного вклада в аномальный магнитный момент мюона.

Калориметр детектора СНД был подготовлен и в настоящее время работает в экспериментах на новом коллайдере ВЭПП-2000. Первые измерения светимости нового коллайдера ВЭПП-2000, выполненные калориметром СНД, подтвердили справедливость концепции круглых пучков, применённой для многократного увеличения светимости коллайдера.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Измерение сечений процессов е+е~ 7г+7г_, 7г+7г-7г°, К<зКК+К~ и с высокой точностью в экспериментах с детектором СНД на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М.

2. Определение основных параметров лёгких векторных мезонов р,и,ф.

3. Экспериментальное обнаружение нового механизма процесса е+е —> 7Г+7Г~7Г° - е+е~ штт° —» 7Г+7Г~7Г° в области энергии y/s > 1 ГэВ.

4. Первое измерение значения бегущей константы электромагнитного взаимодействия a(s) в области энергии y/s = 1040 - 1400 МэВ.

5. Первое установление верхнего предел на относительную вероятность распада ф —» ед.

Апробация работы

Материалы диссертации неоднократно докладывались на международных конференциях, на семинарах экспериментальных лабораторий ИЯФ СО РАН и опубликованы в российских и зарубежных научных журналах.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 206 страницах, включает список литературы, содержащий 226 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассказано об экспериментах по изучению е+е~ аннигиляции, об эксперименте СНД на ВЭПП-2М и обоснована актуальность работы.

Первая глава посвящена описанию экспериментальной установки. Приведена схема электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М и его основные параметры. Описаны системы детектора СНД (Рис.1). Детектор СНД состоит из трековой системы, включающей в себя две цилиндрические дрейфовые камеры, трехслойного сферического калориметра на основе кристаллов Nal(Tl) и мюонной системы, состоящей из двух слоев стримерных трубок и пластмассовых сцинтилляционных счетчиков. Энергетическое и угловое разрешение калориметра для фотонов с энергией Е составляет <je/E(%) = 4.2%/ УЕ(ГэВ) и аф,в = 0.82°Д/ЩГаВ) © 0.63° Угловое разрешение трековой системы для заряженных частиц по азимутальному углу составляет <7ф = 0.5°, по полярному - erg = 2.0°. Описаны системы сбора и обработки данных, моделирование детектора.

В период с 1995 по 2000 годы с детектором СНД на ВЭПП-2М были проведены эксперименты, в ходе которых получены данные в области энергии y/s — 360 - 1380 МэВ. Данные набирались методом сканирования энергии. Суммарный интеграл светимости составил около 30 пбн-1.

I.......I_I_I

О 20 40 60 80 100 ст

Рис. 1. Детектор СНД - сечение вдоль оси пучков; 1 - вакуумная камера, 2 - дрейфовые камеры, 3 - цилиндрический сцинтилляционный счетчик, 4 - световоды, 5 - ФЭУ, 6 - кристаллы N81(14), 7 - вакуумные фототриоды, 8 - железный поглотитель, 9 - стримерные трубки, 10-1 см железные пластины, 11 - сцинтилляционные счетчики, 12 - магнитные линзы, 13 -поворотные магниты.

Вторая глава посвящена изучению свойств лёгких векторных мезонов посредством измерения сечений процессов е+е~~ -> К уК \KsKl, 7Г+7Г~7Г° и 7Г+7Г~. Кратко описывается методика измерения сечений процессов е+е~ / рождения конечного состояния / в е+С аннигиляции. Сечение такого процесса в энергетический точке во определяется как

N__т

ао(5о) = 1Ье(1 + 6г)(1 + 6еУ [ '

где N - число отобранных событий изучаемого процесса, 1Ь - интегральная светимость, е - эффективность регистрации событий в применённых условиях отбора, 5Г - радиационная поправка, 5е - поправка на разброс энергии в пучках коллайдера.

Для определения поправок 5Г к 5е, эффективности регистрации необходимо иметь предположение (модель) об энергетическом поведении сечения. В рамках модели доминантности векторных мезонов (ДВМ) (Рис. 2) сечение процесса аннигиляции е+е~ / записывается следующим образом:

Рис. 2. Диаграмма процесса аннигиляции е+е —» / в модели ДВМ.

РЛ*)

ОТ/ =

¿3/2

Гугп1у/а{У ->■ /)шу е^

(2)

Здесь V обозначает векторный мезон р,ш,ф,..., Ву - обратный пропо-гатор векторного мезона V, Р/(й) - фактор фазового объёма конечного состояния /, сг(У ->•/) = 12-7гВ(У —> /)В(У —> е+е~)/гпу. В рамках модели ДВМ приведены теоретические выражения для сечений изучаемых процессов.

Сечения процессов е+е~ —> КК (К+К~ или КвКь) измерялись с использованием данных, набранных в области рождения </>(1020)-резонанса (у/И = 984 - 1060 МэВ) с суммарным интегралом светимости около 8.5 пбн~ Измерения основаны на 106 событий процесса е+е~ —> К+К~, 0.5 х 106 событий процесса КзКь- Описаны условия отбора событий. В рассматриваемой энергетической области события процесса е+е~ К+К~ имеют следующие характерные особенности:

• заряженные каоны относительно медленные (/З7 ~ 0.2 - 0.4) и, как следствие, имеют большие ионизационные потери в дрейфовой камере;

• в событиях е+е~ —> К+К~ в калориметре часто регистрируются фотоны за счет распадов каонов (К± —> тг^тг0, 7г±7г°7г°, тг 7г°е±^е) в детекторе;

• в событиях находятся дополнительные треки (вторичные частицы), связанные с распадами каонов в трековой системе.

Эти особенности были использованы для выработки основных условий отбора. Отбирались события, в которых были зарегистрированы две кол-линеарные заряженные частицы с большими ионизационными потерями {¿Е/(1х) в дрейфовой камере. Событие должно содержать не менее двух фотонов и хотя бы одну вторичную частицу от распада каона в трековой системе.

В изучаемой энергетической области распадные длины Ks и Kl мезонов равны соответственно ст/З7 ~ 0.3 - 1 см и 2 - 5.6 м. К$ распадается внутри вакуумной камеры коллайдера или трековой системы, а Kl достигает калориметра, где дает срабатывания («фотоны») за счёт распадов на лету или взаимодействия с веществом, или вообще не регистрируется. Анализ процесса е+е~ —> KsKl построен на выделении событий, в которых регистрируются распады К s —> п+тг~ и К s —> 7г°7Г°.

В первом случае (заряженная мода) отбирались события, содержащие две заряженные частицы и хотя бы один «фотон». Так как Ks мезоны имеют распадную длину около 0.5 см, то основным условием отбора являлось требование, чтобы наименьшее расстояние г от оси пучков до траектории заряженных частиц в г — ф проекции удовлетворяло условию 0.2 см < г < 1.0 см.

Для анализа процесса е+е~ —> KsKl по нейтральной моде распада К s (Ks —» 7г°7г°) отбирались события, в которых были зарегистрированы не менее четырех фотонов и отсутствовали заряженные частицы. Основой дальнейшего отбора служила кинематическая реконструкция распада К s —> 7Г°7Г°.

Эффективность регистрации определялась по моделированию методом Монте-Карло. Для оценки фона использовались данные, набранные ниже порога рождения К К. Оценены систематические ошибки и определены поправки к эффективности регистрации, связанные с неточностью моделирования параметров отбора. Число отобранных экспериментальных событий аппроксимировалось числом ожидаемых событий, которое определялась с использованием эффективности регистрации и теоретической модели энергетического поведения сечений. В результате были определены параметры модели, что позволило вычислить поправки 5Г и де и определить полное сечение процессов. Результаты измерений -сечения процессов е+е~ —> К К в энергетических точках представлены в виде таблиц. Систематические ошибки измерения сечений определяются систематическими ошибками измерения эффективностей регистрации и светимости и составляют 7.1% и 3.2% для е+е~ —> К+К~ и е~е~ —» KsKl соответственно.

Сечение процесса е+е~~ -> 7г+7г~7г° измерялось во всём диапазоне энергии ВЭПП-2М (s/s = 660 — 1380 МэВ) с суммарным интегралом светимости 28 пбн"1. Измерения основаны на 1.7 х 106 отобранных событий, основная часть которых набрана в области рождения и> и ф мезонов.

Анализ процесса е+е~ —» 7г+7г~7г° основан на кинематической реконструкции событий, содержащих две заряженные частицы и два и более фотонов. Кинематическая реконструкция проводилась в предположении, что заряженные частицы - пионы, полный импульс системы равен нулю,

полная энергия равна у/Ш и что фотоны появились в результате распада 7Г° —> 77.

Описаны условия отбора, определена эффективность регистрации. Число фоновых событий оценивалось по моделированию. В области пика <£-мезона (•/$ = 1016 — 1030 МэВ) фон определяется событиями процесса е+е- КцКI. В области энергии у/э > 1030 МэВ основным фоном являются события процесса е+е- -> 7г+7г~7г0тг0. В области энергии ниже пика ф-мезона фон определяется процессами КЭД (е+е- —> е+е-7, е+е-77), е+е- -»• 7Г+7Г~(7), е+е- -» -у). Процесс е+е- штт° 7Г+7Г-7Г°7Г°

не даёт вклада ниже у/1 ~ 900 МэВ.

Оценены систематические ошибки и определены поправки к эффективности регистрации, связанные с неточностью моделирования параметров отбора. Оценена систематика вычитания фона. По отобранным событием определено сечение процесса е+е- —> 7г+7г-7г°. Результат представлен в виде таблицы. Систематическая ошибка измерения составила 3.5% при энергии у/% < 900 МэВ, 4.5% при 900 < у/Ъ < 980 МэВ, 5% при 980 < у/И < 1060 МэВ и 5.5% при 1060 < у/э МэВ.

Сечение процесса е+ е ~ —> тг+тг~ измерялось в области рождения р и и) мезонов 390 < у/в < 1000 МэВ. Была использована статистика в 12.4 х 106 коллинеарных событий, из которых 7.4 х 10б события процесса е+е- —> е+е", 4.5 х 106 события процесса е+е- —>■ 7г+7г- и 0.5 х 106 события процесса е+е- —» ¡1~ц~ .

Сечение процесса е+е- —^ 7г+7г- измерялось следующим образом.

1. Отбирались коллинеарные события е+е- —> е+е-,7г+7г-,^+уи-.

2. Используя энерговыделение в слоях калориметра, проводилось разделение событий по типам на е+е- и на тт+тг~ (ц+ /1~) и определялось их число.

3. По событиям е+е- —> е+е- измерялась светимость. Для определения числа событий процесса е+е- 7Т+7г- число событий реакции е+е- —» /1+ рассчитывалось по теоретическому сечению и вычиталось.

4. Для определения сечения процесса е+е- —>• 7Г+7Г- число событий е+е- —»• 7Г+7Г- в каждой энергетической точке нормировалось на светимость, делилось на эффективность регистрации и на радиационную поправку.

Разделение электронов и пионов в детекторе СНД основано на различии энерговыделений этих частиц в слоях калориметра. Процедура разделения основывается на нейронной сети - многослойном перцептроне.

Описаны условия отбора событий, методика определения фона от космических частиц и событий процесса е+е- -> 7г+7г-7г°, определены систе-

матические погрешности. Систематическая ошибка измерения сечения составила 1.3% при энергии y/s > 420'МэВ и 3.2% при y/s < 420 МэВ. Результаты измерения сечения представлены в виде таблицы.

Описано изучение динамики процесса е+е~ —> 7г+7г~7г° посредством анализа спектров инвариантных масс тг+тг~ и 7Г±7Г° мезонов в области рождения ^»-мезона (y/s ~ 1020 МэВ) и в диапазоне энергии y/s = 1100

- 1380 МэВ. В области рождения ^-резонанса основной целью являлось измерение масс и ширин р° и р±-мезонов, а в области y/s > 1100 МэВ

- поиск процесса е+е~ W7r° -> 7Г+7Г~7Г° и определение фазы между амплитудами процессов е+е~ рж —> тг+7г-7г° и е+е~ -> штг° —> 7г+7г~7г°.

Изложена методика построения распределений по инвариантным массам 7Г7Г, вычитания фона и подгонки спектров (Рис. 3,4) и оценки систематической погрешности определения параметров. Подгонки показали, что при данной точности экспериментальные данные могут быть полностью описаны с помощью р-гг перехода. Массы заряженного и нейтрального р-мезонов и их разница составили

тро = 775.8 ± 0.9 ± 2.0 МэВ,

тр± = 774.5 ± 0.7 ± 1.5 МэВ, 771 п± — 771 по = —1. 3± 1.1 ±2.0 МэВ. Ширины заряженного и нейтрального р - мезонов составили

Гро = 151.1 ±2.6 ±3.0 МэВ,

Гр± = 149.9 ± 2.3 ± 2.0 МэВ.

Эти значения согласуются с предположением о равенстве констант связи дро^ъ = g-гк- Измеренные параметры р-мезона согласуются с результатами других экспериментов, проведенных на установках с е+е~ пучками е+е- 7Г+7Г-, е+е~ рп ж+1г~тт° и т~ —> к~тт°1/т. Масса р-мезона, измеренная по другим методикам ( в фоторождении, адронных столкновениях и т.д.), равна 768.1 ± 0.6 и противоречит этим результатам. Это может быть связано с тем, что в этих экспериментах р-мезон рождаеся на нуклонах и взаимодействует с ними в конечном состоянии. Такого рода эффекты трудно учитывать, и это может приводить к смещению измеряемой массы резонанса.

В области энергии выше пика ^-мезона в спектре масс 7г+7г- ясно виден вклад от ю мезона (Рис. 4), что свидетельствует о существовании процесса е+е~ -»• штг° 7Г+7Г~7Г°. В области энергии y/s = 1100 - 1380 МэВ в каждой энергетической точке проводилась аппроксимация спектров масс 7т+тт~ моделью, в которой учитывались два механизма реакции

. • ЕхрептегИ

. - ТИеогу

•г.

г"

0.06

0.02

Рис. 3. Результат подгонки спектра масс 7Г+7Г 7г+7г-7г° в области энергии у/з ~ тф.

в процессе е+е

—>

0.04

2 О-2

2" 0.15

0.1

0.05

0

Рис. 4. Спектр масс 7г+7г в процессе е+е —> 7Г+7Г 7Г° в области энергии у/з от 1200 до 1380 МэВ.

е+е~~ —> 7Г+7г_7г°: е+е- -4- штг0 7г+7г~тг° и е+е~ —р7г —> 7г+7г~7г°. При этом определялась фаза интерференции между амплитудами процессов. Зависимость фазы от энергии в системе центра масс е+е- пучков приведена в таблице. Для определения параметров (^-мезона использовались сечения процессов е+е- —> К+К~, КвКь и 7Г+7Г-7Г°, измеренные в области ф-резонанса. Данные совместно аппроксимировались теоретическими сечениями, записанными в рамках модели ДВМ (Рис. 5, 6). Определены

ЕХР

- Р1Т (ртс+аж) МС (рте)

400 600 800 1000 1200

пу„-(МеУ)

-О 2000 ^1750 1500 1250 1000 750 500 250 0

;

:

; ___________

\

\

1010 1020 1030 1040 1050 1060

(МеУ)

Рис. 5. Измеренное сечение процесса е+е- -> К+К~ с подгоночной кривой.

основные параметры ф—мезона:

1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060

•ч/э (МеУ)

Рис. 6. Измеренное сечение процесса е+е~ —> КяКь с подгоночной кривой.

В(ф В(ф В(ф

гпф = 1019.42 ± 0.02 ± 0.04 МэВ,

Г^ = 4.21 ± 0.03 ± 0.02 МэВ, е+е~)В(ф К+К~) = (13.93 ± 0.14 ± 0.99) х Ю-5 )В(ф КвКь) = (10.27 ± 0.07 ± 0.34) х Ю-5,

е+е

е+е

)В(ф

7Г+7Г 7Г

°) = (4.67 ± 0.04 ± 0.26) х 10

-5

Сравнение полученных значений с результатами других экспериментов показывает, что они имеют, как правило, лучшую точность по сравнению с предыдущими измерениями. С использованием полученных результатов по основным распадам ф удалось определить вероятность распада 0-мезона на электрон-позитронную пару

В{ф -> е+е~) = 2.93 ± 0.14.

Целью анализа сечения процесса —¥ 7г+7г~7ги являлось опре

деление параметров и и/'-мезонов, значений фазы интерференции

<рыф между процессами е+е

В(ф е+е")В(ф 7г+7г~7г°) и поиск распада р -»7г+7г_7г°.

Сечение процесса е+е~ у/Ъ < 1.4 ГэВ, который не перекрывает область рождения и". На момент измерения СНД единственным результатом выше 1.4 ГэВ являлось

—> Ш 7Г+7Г 7Г°,

—> 7г+7г_7г° измерено в диапазоне энергии

измерение БМ2. которое противоречит данным СНД. Для того, чтобы определить массу и ширину из", сечение, измеренное СНД, аппроксимировалось одновременно с сечением процесса е+е~ —> илг+тт~, измеренным БМ2 в области энергии ^/ё от 1340 до 2200 МэВ.

Для описания данных использовались две модели. В первой были учтены вклады ш, ф, ш' и ш", а также процесс е+е~ —> р —> 7г+7г_7г°. Во второй не учитывался распад р —7г+7г-7г°, но использовался формфак-тор, который ограничивал рост с энергией парциальных ширин распадов векторных мезонов. Параметром формфактора является го - параметр обрезания (эффективный «радиус» векторного мезона), характеризующий размер области взаимодействия.

Рис. 7. Измеренное сечение процесса е+е —> тг+7г 7г° с подгоночной кривой, учитывающей из,ф,р,из',из" резонансы.

Обе модели удовлетворительно описывают экспериментальные данные. В результате аппроксимации данных (Рис. 7) были определены параметры о;-мезона:

тпш = 782.79 ± 0.08 ± 0.09 МэВ,

Гш = 8.68 ± 0.04 ± 0.15 МэВ,

В(из е+е~)В{из -> ■к+ъ'-к0) = (6.74 ± 0.04 ± 0.24) х Ю-5.

Сравнение полученных значений с результатами других экспериментов показывает, что они имеют, как правило, лучшую точность по сравнению с предыдущими измерениями. С использованием полученных результатов по основным распадам из удалось определить вероятность распада <^-мезона на электрон-позитронную пару

В(и е+е~) = (7.51 ± 0.04 ± 0.24) х Ю-5.

Аппроксимация первой моделью даёт:

= 163 ± 3 ± 6 град, В(р е+е")Б(р 7Г+7Г-7Г0) = (4.58 ±Ц64 ±1.56) х 1(П9, Vwp = -135 ±13 ±9 град.

Полученное значение фазы (рыф согласуется с теоретическим предсказанием ¡ршф = 163°, которое учитывает ф — из смешивание за счёт общих каналов распада. Значения В(р -> е+е")В{р -> 7г+7г~7г°) и согласуются с теоретическими значениями, ожидаемыми из р — и> смешивания.

Для второй модели было получено

го = 2.5 ±о"8 ±0.5 ГэВ-1.

Это значение согласуется с ожидаемым эффективным «радиусом» векторного мезона. При этом <ршф — 190 ± 5 ± 10, что не согласуется с теоретическим предсказанием. Если при аппроксимации сечения одновременно учитывать и распад р —> 7г+7г-7Г° и формфактор, ограничивающий рост парциальных ширин, то значения фазы <ршр и произведения В(р —> е+е~)В(р —> 7Г+7Г~7Г°) практически не изменятся, а величина «радиуса» г о становится малой и совместима с нулём.

Показано, что отношение электронных ширин ш, ф мезонов, измеренных на СНД, и J/ф, T(1 S) (взяты из таблицы свойств частиц) согласуются с предсказаниями кварковой модели для случая, когда волновая функция векторного мезона в нуле пропорциональна квадрату его массы. Проведен анализ отношения электронных ширин и> и ф мезонов и констант связи этих мезонов с piг, полученных по данным СНД. Результаты анализа указывают на то, что прямой переход предпочтительнее, чем ф — ui смешивание в качестве механизма распада ф —> тг+7г~7г0.

Были получены следующие параметры со' и ш"\

тпы> = 1350 ±100 МэВ,

Гы< = 670 ±|88±340 МэВ> В (и' е+е~)В(ш' тг+тг^тг0) = (0.76 ± 0.12 ± 0.20) х Ю-6,

¥W = 180°, T(w' -» е+е~) ~ 500 эВ, тш» = 1800 ±18 ±50 МэВ, Гы» = 570 ±^8 ±230 МэВ,

-)B(U>" -> 7г+7г-7г°)

В(ш" <

В(ш" е+е~)В(ш" -> ытг+тг-) -

(1.52 ±0.44 ±0.53) х Ю-6, (0.31 ±0.07 ±0.09) х Ю-6, 4>шш" — 0°, Г(ш" е+е") ~ 980 эВ.

Эти результаты согласуются с последовавшими измерениями ВАВАГ1, выполненными методом радиационного возврата. Энергетическая зависимость сечения процесса е+е~ —> 7г+7г-7г°, полученная в этом анализе, качественно правильно описывает данные ВАВАЫ в области энергии у/3 > 1400 МэВ (Рис. 8).

Используя приведенные электронные ширины и>' и ш", в рамках нерелятивистской кварковой модели можно получить следующие отношения:

2

2 f тпш,

Ф5(о) \гпш

*£»(0) 2 ( ГПш"

ф£(о) ^ TTluj

Г (а/ е+е~)

Г(ш

е+е-

)

2,

—е+е-)

Г(ш -> е+е-)

где ф£(0) радиальная волновая функция связанного qq состояния в нуле. Для кварк-антикварковых потенциалов, используемых для описания тяжелых кваркониев, эти отношения всегда меньше единицы. Приведённые отношения могут указывать на необычную природу и>' и ш" резонансов или на большие модельные неточности в их описании. В любом случае требуются более точные данные и более глубокий анализ для получения чётких выводов.

Целью анализа сечения процесса е+е~ —> 7г+7г- являлось определение параметров р°-мезона и произведения В (со —> е+е~)В{ш —> 7г+тг-). При аппроксимации данных учитывались вклады р,ш,р' и р" мезонов. Так как в данной работе сечение процесса е+е- —» 7г+тг" измерено в области y/s < 1 ГэВ, то для определения параметров р' и р" использовались результаты других измерений. С этой целью были проанализированы данные по реакции е+е- —» 7Г+7Г-, полученные в экспериментах с детектором ОЛЯ в области энергии y/s < 1400 МэВ и с детектором DM2 для 1350 < y/s < 2400 МэВ, и данные CLE02 по спектральной функции т-лептона в распаде т- —> тт~тт°ит. Полученные параметры р' и р" использовались при аппроксимации данных СНД (Рис. 9).

Были определены параметры р мезона, В{ш —> е+е~)В(ш —» я"+7г~) и фаза интерференции фрш между процессами е+е- —> р —> 7г+тг- и е+е- —у и> 7Г+7г-:

тпр = 774.6 ± 0.04 ± 0.05 МэВ,

Рис. 8. Сечение процесса е+е_ —> 7Г+7Г_7Г°, измеренное ВАВАЯ (точки), и подгоночная кривая, полученная в результате анализа экспериментальных данных, проведенного в этой работе.

Рис. 9. Измеренное сечение процесса е+е~ 7Г+7Г- с подгоночной кривой.

Гр = 146.1 ± 0.8 ± 1.5 МэВ,

В(р _». е+е~~)В(р -»• тг+тГ) = (4.876 ± 0.023 ± 0.064) х ИГ5,

Г(р ->• е+е-) — 7.12 ± 0.02 ± 0.11 кэВ,

В(ы -»■ е+е~)В(и> -> тг+тг-тг°) = (6.74 ± 0.04 ± 0.24) х ИГ5,

фрш = 113.7 ±1.3 ±2.0 град.

Сравнение полученных значений с результатами других экспериментов показывает, что они имеют, как правило, лучшую точность по сравнению с предыдущими измерениями. Значение фрм превышает величину 101°, которая ожидается из р — и) смешивания.

Третья глава посвящена измерению значения бегущей константы электромагнитного взаимодействия а(в) во времениподобной области при энергии у/в =1040 - 1400 МэВ. Величина бегущей константы электромагнитного взаимодействия определялась посредством изучения сечения процесса е+е~ -> ■ Для изучения сечения процесса е+е_ ->

с детектором СНД более всего подходит область энергии у/5 > 980 МэВ. Здесь величина сечения процесса е+е~ -» больше или равна сече-

нию основного фонового процесса е+е~ 7г+тг- и большинство мюонов регистрируются мюонной системой. Измерение и анализ сечения процесса были проведены в области энергии у/в = 980, 1040 - 1380^ МэВ с использованием суммарного интеграла светимости около 6.3 пб .

Сечение процесса е+е~ измерялось следующим образом.

1. Отбирались коллинеарные события е+е —> ц , е+е —> е+е и е+е~ —»• 77.

2. События процессов е+е~ —> е+е~ и е+е~ —> 77 использовались для измерения светимости.

3. Сечение процесса е+е_ —> определялось следующим образом:

/V

~ 1Ье(1 + 5г)(1 + 5еу (3)

Здесь - число отобранных событий процесса е+е~ радиационная поправка 5Т учитывает излучение фотонов начальными и конечными частицами.

Описаны условия отбора событий, методика определения фона от космических частиц и событий процесса е+е~ —> тг+7г~. Эффективность регистрации определялась по моделированию. Определены систематические погрешности эффективности регистрации и вычитания фона. Систематическая ошибка измерения сечения составила 1.6 и 1.8 % при использовании светимости, определённой по событиям процессов е+е~ —> е+е~ и е+е~ —> 77 соответственно. Также было измерено сечение процесса е+е~ —> е+е—(7) с использованием светимости, определённой по процессу е+е~ —» 77. Результаты измерения сечений представлены в виде таблицы.

Сечение процесса е+е~ —> е+е~ аппроксимировалось зависимостью

_ г, СВН\уюе

°ее(7) — ^/и х --->

где Свн\уюе ~ коэффициент посчитанный с помощью программы ВН\УГОЕ. Точность расчёта составляет 0.5 %. Коэффициент С ¡и - свободный параметр подгонки и является отношением измеренного сечения к теоретически ожидаемому (расчётному) значению. В результате подгонки (Рис. 10) было найдено

Сщ = 0.999 ± 0.002 ± 0.011.

Измеренное значение сечения процесса е+е~~ —> е+е~ согласуется с расчётом.

Для аппроксимации сечения процесса е+е~ использовалась

формула

ч N.U |

V \

. . . , . . . . .

1000 1100 1 200 1300

■Js. MeV

Рис. 10. Сечение процесса е+е~ —>■ е+е~ в области углов 30° < ве± < 150°, измеренное в этой работе (точки), и подгоночная кривая (X2/Ndf = 48.1/34).

к

ii -—.......

1000 1100 1200 1300 1400 МеУ

Рис. 11. Сечение процесса е+е~ —> (1+, измеренное в этой работе при нормировке на 1Ь~Г1 (точки), и подгоночная кривая (х2/Л^/ = 37.2/34).

Здесь П(з) - поляризация вакуума.

В результате подгонки сечения было получено

С/ц = 1.006 ± 0.007 ± 0.016

для случая, когда светимость определялась по процессу е+е" —> е+е~, и

С/ц = 1.005 ± 0.007 ± 0.018

в случае измерения светимости по событиям процесса е+е~~ —>• 77 (рис. 11) Полученные значения согласуются с теоретическими ожиданиями. Если во втором случае параметром подгонки сделать среднее значение (1 /а), т.е. в качестве подгоночной функции использовать выражение

(-"О"*

то получим

(1/а) = 134.1 ±0.5 ±1.2,

что согласуется с расчётом значения а(л) при этой энергии в рамках Стандартной Модели.

Четвёртая глава посвящена поиску распада ф —> ед. Использовались данные, набранные в диапазоне энергии у/в = 984 - 1060 МэВ с интегралом светимости 8.5 пб-1. В реакции е+е~ —> е/х конечные частицы регистрируются трековой системой и дают существенно различные энерговыделения в калориметре. Мюонная система регистрирует мюо-ны с эффективностью более 90%, а электроны менее 0.2%. Отбор был

1 '

Рис. 12. Аппроксимация спектра отношения Е* / Ее энергии Е*, измеренной калориметром, к энергии Ее частицы кандидата в электроны.

Vs, MeV

Рис. 13. Сечение регистрации кандидатов в е+е~ —> e/i события. Сплошная линия - резонансная кривая, соответствующая верхнему пределу на В(ф -> e/i), пунктирная кривая - описание фона.

построен на выделении коллинеарных событий с двумя заряженными частицами, из которых одна вызвала срабатывание мюонной системы СНД и её энерговыделение в слоях калориметра соответствует ионизационным потерям энергии (кандидат в мюоны), а для второй мюонная система не сработала, а энерговыделение в слоях соответствует энерговыделению электромагнитного ливня, вызванного электроном с энергией пучка (кандидат в электроны).

В результате было отобрано 146 событий. Сечение регистрации (число событий, нормированных на интегральную светимость) практически не меняется в зависимости от энергии. Чтобы определить число событий процесса е+е~ —> е/х, было проанализировано распределение по энергии кандидатов в электроны, измеренное калориметром. Число событий процесса е+е~~ —> ец определялось путём аппроксимации спектра суммой распределений для электронов и фона (Рис. 12). Распределение для измеренной энергии электронов было получено по экспериментальным событиям е+е~ —> е+ е~. В качестве распределения для фона бралось нормальное распределение или многочлен третьего порядка. Свободными параметрами подгонки являлись число событий изучаемого процесса и параметры функций, описывающих распределение фона. Было найдено

ЛГем = 12±Ц,

что соответствует верхнему пределу

< 21(90%).

Для определения эффективности регистрации событий процесса е+е~ —> ер трековой системой использовалось моделирование. Первичные частицы моделирования распределялись по полярному углу в соответствии с 1 + соз2в. Эффективности регистрации частиц мюонной системой и калориметром определялись по экспериментальным событиям е+е_ —»■ е+е~ и е+е~ —> .

С использованием полученной эффективности был установлен верхний предел на сечение процесса е+е~ —> ер

стед < 8 пб СЬ=90%.

Верхний предел на относительную вероятность распада ф —»■ ер был установлен в предположении отсутствия нерезонансного вклада в сечение процесса е+е~~ ер. и при дополнительном условии отбора на энергию кандидата в электроны 0.9 < Е*е/Е0 < 1.1. Здесь Е* - энергия, измеренная калориметром, Ее - энергия частицы кандидата в электроны, ожидаемой из кинематики ер, событий.

На Рис. 13 показана зависимость сечения регистрации от энергии. Сечение аппроксимировалось суммой функций

. . 47га'

а- = £ем X (1 + 5Г) х

где $г - радиационная поправка на излучение начальными частицами, Р2(з) - многочлен второго порядка для описания фона. Параметрами подгонки являлись В(ф -> ер) и коэффициенты многочлена P'¿(s). Выло получено

В(ф -»• ер) = (0.0 ± 1.5) х Ю-6, что соответствует верхнему пределу

В(ф ер) < 2 х Ю-6 CL=90%.

Пятая глава посвящена описанию калориметра детектора СНД и начала его работы на новом коллаГгдере ВЭПП-2000. Трехслойный калориметр детектора СНД на основе кристаллов Nal(Tl) имеет сферическую форму, что обеспечивает равномерную чувствительность по телесному углу. Калориметр является основной частью СНД. Счетчики первых двух слоев толщиной 2.9Х0 и 4.8Х0, где Х0 = 2.6 см - радиационная длина Nal(Tl), находятся в общем контейнере из алюминиевой фольги толщиной 0.1 мм (Рис. 14 ). Контейнеры укреплены на несущей алюминиевой сфере толщиной 5 мм. За ней находится третий слой счетчиков

3 \/В(ф е+е~)В{ф -» ер)тфТф

Шф — s — i4/ir^,(s)

+ ад,

Рис. 14. Вид кристаллов Ка1(Т1) в калориметре; 1 - кристаллы Иа1(Т1), 2 - вакуумные фототриоды, 3 — алюминиевая полусфера.

Рис. 15. Схема электроники канала калориметра СНД; Nal -кристалл Nal(Tl), VPT - вакуумный фототриод, CSA -зарядо-чувствительный преду-силитель, ADC - аналогово-цифровой преобразователь, Gen -калибровочный генератор, SHA -усилитель-формирователь, АТТ - аттенюатор, FLT - первичный триггер.

(5.7Хо). Общее число счетчиков калориметра - 1632, число кристаллов в слое - 520 -г- 560. Полный вес калориметра составляет 3.5 т.

Коэффициент светосбора в кристаллах разных слоев составляет 7 4- 15%. В качестве фотоприемников используются компактные вакуумные фототриоды с диаметром фотокатода 17 мм на первом и втором елях и 42 мм на третьем слое. Средний квантовый выход фототриодов в спектре излучения Nal(Tl) составляет ~ 15%, коэффициент усиления ~ 10. Канал электроники калориметра (Рис. 15) включает в себя:

1. Зарадо-чувствительный предусилитель ( ЗЧУ ) с коэффициентом преобразования 0.7 В/пКл,

2. 12-ти канальный усилитель-формирователь ( УФ ) с регулируемым коэффициентом усиления, относительные коэффициенты усиления УФ устанавливаются с помощью входных аттенюаторов в пределах от 0 до 1 с шагом 1/255,

3. 24-х канальный 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с максимальным входным сигналом Umax = 2 В.

Эквивалентный шум электроники составляет 150 -f- 350 кэВ для разных счетчиков. На ЗЧУ каждого канала может подаваться сигнал с калиб-

ровочного генератора с управляемой амплитудой 0<ï/<1Bhc шагом 1/4096.

Процедура калибровки калориметра состоит из двух этапов:

1. Предварительная калибровка с использованием космических мюо-нов, проводимая во время эксперимента,

2. Калибровка по событиям процесса е+е~ —> е+е~, проводимая при обработке набранной статистики.

Основу калибровки по космическим мюонам составляет сравнение экспериментальных данных по энерговыделениям в кристаллах с результатами моделирования методом Монте-Карло. Для уменьшения влияния различий в угловых распределениях космических мюонов в эксперименте и моделировании среднее энерговыделение в счетчике нормировалось на среднюю длину пробега в нем. Описаны алгоритмы процедуры калибровки и обработки калибровочных событий.

Для улучшения энергетического разрешения детектора необходимо увеличение точности калибровки, которое можно достичь, используя экспериментальные события процесса е+е~ —» е+е~, зарегистрированные во время набора статистики. Метод калибровки основан на сравнении коэффициентов, полученных путем минимизации ширины спектра энерговыделения электронов одинаковой энергии в моделировании и эксперименте. В результате калибровки удалось на 10% улучшить энергетическое разрешение калориметра для фотонов и электронов.

Описаны проблемы, возникшие во время эксплуатации калориметра в экспериментах на ВЭПП-2М, и этапы подготовки установки к экспериментам на новом коллайдере ВЭПП-2000, в котором впервые для подавления эффектов встречи, и как следствие увеличения светимости, был применён метод круглых пучков. В заключение описан эксперимент по первому измерению светимости ВЭПП-2000, выполненному с помощью калориметра детектора СНД. Эти измерения продемонстрировали подавление эффектов встречи и подтвердили справедливость концепции круглых пучков.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе.

1. Измерены полные сечения процессов:

е+е~ —> 7Г+7Г" в диапазоне энергии y/s = 390 - 980 МэВ (область рождения р и и мезонов) с точностью 3.2% при энергии y/s < 420 МэВ и 1.3% при y/s > 420 МэВ,

е+е~ —> 7г+7г~7г° в диапазоне энергии y/s — 660 - 1380 МэВ, включающем области рождения р,ш,ф и и/ мезонов, точность измерения

составила 3.5% при энергии у/5 < 900 МэВ, 4.5% при 900 < у/5 < 980 МэВ, 5% при 980 < у/5 < 1060 МэВ и 5.5% при 1060 < </з МэВ, е+е~ —> К$Кь в области рождения мезона (у/5 = 1004 - 1060 МэВ) с точностью 3%,

е+е~ К+К~ в области рождения 0-мезона (у/5 = 1010 - 1060 МэВ) с точностью 7%.

Точность измерения сечения процесса е+е~ —» тг+тг~ соответствует прецизионным мировым измерениям. Сечение е+е~ —» тт+тт~тт° впервые измерено в широком диапазоне энергии у/5 = 660 - 1380 МэВ в одном эксперименте с точностью лучшей, чем в предыдущих экспериментах.

2. Проведён анализ полученных экспериментальных данных в рамках модели ДВМ, который показал, что измеренные сечения процессов е+е~ К К, 7г+7г-7г° и ■к+тт~ описываются с учетом р,ш,ф-резонансов и их возбужденных состояний р',и>', —

3. Определены основные параметры лёгких векторных мезонов р,и>, ф - массы, полные и лептонные ширины, произведения вероятностей распадов по основным каналам на вероятность распада в е+е~: тпр = 774.6 ± 0.4 ± 0.5 МэВ,

Гр = 146.1 ± 0.8 ± 1.5 МэВ,

В(р е+е~)В(р 7Г+7Г-) = (4.876 ± 0.023 ± 0.064) х КГ5, тш = 782.79 ± 0.08 ± 0.09 МэВ, Гш = 8.68 ±0.04 ±0.15 МэВ,

Ве+е~)В(и 7Г+7Г-7Г0) = (6.74 ± 0.04 ± 0.24) х М"5, В(и е+е~)В(ш тг+тг") = (1.225 ± 0.058 ± 0.041) х ПГ6, тф = 1019.42 ± 0.02 ± 0.04 МэВ, Г^ = 4.21 ± 0.03 ± 0.02 МэВ,

В(ф -»■ е+е~)В(ф ->■ К+К~) = (13.93 ± 0.14 ± 0.99) х КГ5, В(ф е+е~)В(ф К3КЬ) = (10.27 ± 0.07 ± 0.34) х 10"5, В(ф -)■ е+е~)В(ф -> 7Г+7Г-7г°) = (4.67 ± 0.04 ± 0.26) х КГ5. Многие из этих результатов на момент опубликования имели наилучшую точность.

4. Измерены фазы интерференции между амплитудами р и ш мезонов в процессе е+е~ —¥ тс+тт~ и между амплитудами ш и ф мезонов в процессе е+е- —» п+тг~тт°:

срри) = 113.7 ± 1.3 ±2.0 град, 1ршф = 163 ± 3 ± 6 град.

Значение фазы 1рри) превышает величину, ожидаемую из р — и) смешивания. Значение фазы <ршф согласуется с предсказанием, основанным на ф — и> смешивании за счёт общих каналов распада.

5. Измеренное сечение процесса е+е~ —>■ 7г+7г-7г° предоставило чёт-

кие экспериментальные доказательства существования резонансной структуры в районе ^ = П00 - 1400 МэВ, которая отождествляется с резонансом из'.

6. Проведён анализ сечения процесса е+е~ тг+тг^тг0, который указывает на существование запрещённого по G-чётности распада р ■к+п'тт0. Значения произведения вероятности распада р тг+тг тг на вероятность распада р е+е~ и фазы интерференции между и> и р мезонами в процессе е+е~ —>■ 7Г+7Г-7Г°

В(р е+е-)В(р 7Г+7Г-7Г0) = (4.58 ±?;|| ±1.56) х 10"9, fu,p = —135 ±13 ±9 град

согласуются с теоретическими значениями, ожидаемыми из р — и) смешивания.

7. Проведен анализ спектров инвариантных масс пар пионов в процессе е+е- тг+7г~7г0 в областях энергии y/s ~тпфИ y/s = 1100 -г-1380 МэВ. Показано, что в реакции доминирует промежуточное состояние ртт. Измерены масса р±, разница масс и р°, ширины р-' и р : тр± = 774.5 ± 0.7 ±1.5 МэВ,

тр± - тпро = -1.3 ± 1.1 ± 2.0 МэВ, Гро = 151.1 ± 2.6 ± 3.0 МэВ, Г ± = 149.9 ± 2.3 ± 2.0 МэВ.

В области энергии у/1 = 1100 - 1380 МэВ впервые наблюдался вклад в процесс е+е~ -> tt+tt'tt0 промежуточного состояния штг за счёт распада и -> тт+тг~. Впервые измерена относительная фаза ■ между амплитудами процессов е+еГ ртт и е+еГ —> илт .

8. Измерено сечение процесса е+е" р+р~ в области энергии y/s =1040 - 1400 МэВ с точностью 1.8%. Впервые измерено значение константы электромагнитного взаимодействия a(s) во времениподобной области при энергии y/s =1040 - 1400 МэВ

(1/а) = 134.1 ±0.5 ±1.2.

9. Впервые проведён поиск распада ф ер с нарушением аромата заряженных лептонов. Установлен верхний предел на относительную вероятность распада

В(ф -*ер)< 2 х Ю-6 CL=90%

и верхний предел на сечение процесса е+е -э- е/х при энергии y/s ~ 1020 МэВ aefl < 8 пб CL=90%. 10. Калориметр детектора СНД был подготовлен к экспериментам на новом коллайдере ВЭПП-2000. Выполнено первое измерение светимости ВЭПП-2000, которое продемонстрировало верность концепции круглых пучков, применённой для многократного увеличения светимости коллайдера.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, S.E. Baru et. al. Spherical neutral detector for VEPP-2M collider. // Nucl. Instr. and Meth. - 2000. -Vol.449A, - P.125-139.

2. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Study of the process e+e~ 7г+7г~ in the energy region 400 < y/s < 1000 MeV. // ЖЭТФ. - 2005. - T.128, вып.6. - C.1201-1219.

3. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Update of the e+e~ —> 7Г+7г_ cross section measured by SND detector in the energy region 400 < y/s < 1000 MeV. // ЖЭТФ. - 2006. - T.130, вып.З. -C.437-441.

4. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Measurements of the parameters of the </>(1020) resonance through studies of the processes e+e~ K+K~, KSKL, and 7г+7г~7г°. // Phys. Rev. - 2001. - Vol.63D. - 072002.

5. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et. al. Study of the 7Г7Г mass spectra in the process e+e~ -» 7Г+7Г~7Г° at y/s ~ 1020 MeV. // Phys. Rev. - 2002. - Vol.65D. - 032002.

6. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et. al. Study of the process e+e~ —» тг+7г-7г° in the energy region y/s from 0.98 GeV to 1.38 GeV. // Phys. Rev. - 2002. - V0I.66D. - 032001.

7. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Study of the process e+e~ —>• тг+тт~тг° in the energy region \fs below 0.98 GeV. // Phys. Rev. - 2003. - V0I.68D. - 052006.

8. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et. al. Study of the process e+e_ —> in the energy region s/s = 980, 1040-1380 MeV. 11 Phys. Rev. - 2009. - Vol.79D, №11. - P.112012.

9. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Bergyugin, et. al. Search for lepton flavor violation process e+e~ —> e/j in the energy region y/s = 984 - 1060 MeV and ф efi decay, Phys.Rev.-2010.Vol.81D №5.-P.057102

10. M.N. Achasov, A.D. Bukin, D.A. Bukin et. al. Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using cosmic muons. // Nucl. Instr. and Meth. - 1997. - Vol.A401. - P.179-186.

11. M.N. Achasov, D.A. Bukin, T.V. Dimova et. al. Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using e+e~ -> e+e~ events. // Nucl. Instr. and Meth. - 1998. - Vol.A411. - P.337-342.

12. S.I. Serednyakov, M.N. Achasov, K.I. Beloborodov et. al. New results on e+e- -> hadrons exclusive cross sections from experiments with SND detector at VEPP-2M e+e- collider in the energy range y/s = 0.4-1.4 GeV. // Proc. of the Intern. European Conference on High Energy Physics, Lisboa, Portugal, July 21-27, 2005. - PoS HEP2005. - 2006. -P.284-287.

13. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, S.E. Baru et. al. Detector SND for VEPP-2M. // Proc. of the Intern, workshop on e+e- collisions from ф to J/i[>, Novosibirsk, Russia, March 1-5, 1999. - Новосибирск, 2000. -С.193-195.

14. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, S.E. Baru et. al. The process e+e- ~> 7г+7г-7г° above ф at VEPP-2M from SND. Results of preliminary study. // Proc. of the Intern, workshop on e+e- collisions from ф to J/tf>, Novosibirsk, Russia, March 1-5, 1999. - Новосибирск, 2000. - С.87-90.

15. M.N. Achasov, V.M.Aulchenko, K.I.Beloborodov et. al. Resent results from SND experiment at the VEPP-2M e+e- collider. // Proc. of the Workshop for hadron spectroscopy, Frascaty, Italy, March 8-13, 1999. Frascaty physics series. - 1999. - Vol.XV. - P.489-497.

16. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et. al. New data from SND detector in Novosibirsk. // Proc. of the 8th Intern, conference on hadron spectroscopy, Beijing, China, August 24-28, 1999. Nucl. Phys. Proc. Suppl. - 2000. - Vol.675A. - P.391-397.

17.. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Review of experimental results from SND detector at VEPP-2M. // Proc. of the III Intern, workshop on physics and detectors for DA<£NE, Frascaty, Italy, November 16-19, 1999. Frascaty physics series. - 1999. - Vol.XVI. - P.523-532.

18. M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et. al. Review of experimental results from SND detector. // Proc. of the IX Intern. Conference on Hadron Spectroskopy, Protvino, Russia, August 25 -September 1, 2001. AIP Conf. Proc. - 2002. - Vol.619. - P.30-39.

19. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Experimental study of the e+e- —> тг+7г-7г° reaction by SND detector in the energy range s/s = 0.42 - 1.38-GeV. // Proc. of the X Intern. Conference on Hadron Spectroskopy, Aschaffenburg, Germany, August 31 - September 6, 2003. AIP Conf.Proc. - 2004. - Vol.717. - P.60-64.

20. M.N. Achasov, R.R. Akhmetshin, V.M. Aulchenko, et. al. Recent results of the study of hadronic production with the CMD-2 and SND detectors at the VEPP-2M collider. // Proc. of the Intern. Europhysics conference

on high-energy physics, Aachen, Germany, July 17-23, 2003. Eur. Phys. J. - 2004. - Vol.33C. - P.583-585.

21. Ачасов M.H. Измерение сечений процессов e+e_ аннигиляции в ад-роны на коллайдере ВЭПП-2М. // Юбилейная научная сессия- конференция секции ЯФ ОФН РАН 'Физика фундаментальных взаимодействий", посвященная 60 летию ИТЭФ, Москва, 5-9 декабря,

2005. Я.Ф. - 2007. - Т.70, №7. - С.1276-1288.

22. M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdyugin et. al. Pion Form Factor at SND (new edition). // Proc. of the Intern, workshop on e+e~ collisions from ф to Ф, Novosibirsk, Russia, February 27 - March 2,

2006. - Nucl. Phys. Proc.Suppl. - 2006. - Vol.162. - P.ll-12.

23. Achasov M.N. CMD-2 and SND results on the p, uj and ф. // Proc. of the Int. workshop on e+e~ collisions from ф to Ф, Novosibirsk, Russia, February 27 - March 2, 2006. - Nucl. Phys. Proc.Suppl. - 2006. -Vol.162. - P.114-121.

24. M.N. Achasov, D.E. Berkaev, A.G. Bogdanchikov et. al. First experience with SND calorimeter at VEPP-2000 collider. // Proc. of the 10th Intern. Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics, Novosibirsk, February 28 - March 5, 2008. - Nucl. Instr. and Meth. - 2009. - Vol.598, №1. - P.31-32.

25. M.N. Achasov. Search for lepton flavor violation in e+e~ interactions. // Proc. of Intern, workshop on e+e~ collisions from Phi to Psi, Novosibirsk, September 2011. Nucl. Phys. (Proc. Suppl). - 2012. - Vol.225-227. -P.241-243.

АЧАСОВ Михаил Николаевич

Изучение лёгких векторных мезонов в процессах рождения адронов в е+ е~ аннигиляции

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Подписано в печать 23.09. 2013 г Сдано в набор 27.09. 2013 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.8 печ.л., 1.5 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 22_

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. БУДКЕРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ

НАУК

05201450525 На правах рукописи

Ачасов Михаил Николаевич

ИЗУЧЕНИЕ ЛЁГКИХ ВЕКТОРНЫХ МЕЗОНОВ В ПРОЦЕССАХ РОЖДЕНИЯ АДРОНОВ

В е+е- АННИГИЛЯЦИИ

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор С.И. Середняков

Новосибирск - 2013

Оглавление

Введение 5

1 Эксперимент 17

1.1. Накопитель ВЭПП-2М............................................17

1.2. Детектор СНД....................................................19

1.3. Система сбора данных............................................23

1.4. Обработка данных................................................28

1.5. Моделирование детектора........................................30

1.6. Эксперименты с детектором СНД..............................33

2 Изучение лёгких векторных мезонов посредством измерения сечений процессов е+е~~ —у КК, 7г+7г_7г°, тт+тг~ 36

2.1. Методика измерения сечений е+е~~ аннигиляции..............36

2.2. Теоретические сечения процессов е+е~ —> адроны............40

2.2.1. Теоретические сечения процессов е+е~ —> К+К~, КзКь 42

2.2.2. Теоретическое сечение процесса е+е~ —»■ 7г+7г~7г° ... 44

2.2.3. Теоретическое сечение процесса е+е~ 7г+7г~ .... 48

2.3. Измерение сечений процессов е+е~ —> КК в области рождения (/»-резонанса....................................................49

2.3.1. Измерение сечения процесса е+е~ —»• К+К~ ..........49

2.3.2. Измерение сечения процесса е+е~ —> КвКь............53

2.4. Измерение сечения процесса е+е~ —> ж+7г~7г° в области энергии у/в ниже 1.4 ГэВ..............................................60

2.4.1. Условия отбора событий процесса е+е~ —> 7г+7г-7г° . . 60

2.4.2. Вычитание фона..........................................64

2.4.3. Эффективность регистрации............................67

2.4.4. Измерение сечения процесса е+е~ —> 7г+7г~7г°..........69

2.5. Измерение сечения процесса е+е~~ —> 7г+7г_ в области энергии

< 1 ГэВ........................................................74

2.5.1. Условия отбора............................................77

2.5.2. Определение числа событий фона от процесса е+е~ —> 7Г+7Г-7Г° и космических мюонов..........................77

2.5.3. Эффективность регистрации............................79

2.5.4. Измерение сечения процесса е+е~ —> 7г+7г~ ............84

2.6. Изучение динамики процесса е+е" —> 7г+7г~7г°..................88

2.6.1. Построение распределений по инвариантным массам

7Г+7Г- И Т^ТГ0 ..............................................89

2.6.2. Теоретические распределения............................91

2.6.3. Определение параметров р° и р± мезонов..............94

2.6.4. Определение фазы между амплитудами процессов е+е~ —>• рЖ —>■ 7Г+7Г_7Г° И е+е_ —»• а;7Г0 —> 7Г+7Г_7Г° в области

энергии = 1Ю0 - 1400 МэВ.............102

2.7. Определение параметров лёгких векторных мезонов ф, и, р . 104

2.7.1. Определение параметров 0-мезона...........104

2.7.2. Определение параметров си-мезона...........109

2.7.3. Определение параметров р-мезона...........123

3 Измерение значения бегущей константы электромагнитного взаимодействия а.(в) во времениподобной области при

энергии у/Ъ =1040 - 1400 МэВ 130

3.1. Анализ данных..........................131

3.1.1. Условия отбора......................133

3.1.2. Определение числа фоновых событий.........135

3.1.3. Эффективность регистрации..............137

3.1.4. Измеренные сечения...................145

3.2. Определение величины a(s)...................147

4 Поиск распада ф —> е/л 150

5 Начало работы на коллайдере ВЭПП-2000 156

5.1. Калориметр............................156

5.2. Калибровка калориметра по космическим мюонам......159

5.2.1. Алгоритм калибровки по космическим мюонам .... 159

5.2.2. Алгоритм обработки событий..............162

5.3. Калибровка калориметра по процессу е+е~ —> е+е~~.....164

5.4. Энергетическое разрешение калориметра...........167

5.5. Подготовка калориметра СНД к экспериментам на ВЭПП-2000169

5.6. Первое измерение светимости на ВЭПП-2000 ......... 173

Заключение 177

Литература 181

Введение

Метод встречных е+е~ пучков развивается уже более 50 лет и за это время стал ведущим экспериментальным методом изучения элементарных частиц. Одна из основных задач, решаемая сегодня в е+е~ экспериментах - исследование электрон-позитронной аннигиляции в адроны. Сечение процессов аннигиляции е+е~ адроны изучено в энергетической области y/s ~ 0.4-190 ГэВ благодаря экспериментам, проводившимся в течении 40 лет на е+е- коллайдерах в ИЯФ СО РАН, CERN, DESY, IHEP CAS (Пекин), INFN-LNF (Фраскати), LAL (Орсе), LEPP (Корнелл), КЕК, SLAC.

Область энергии коллайдера ВЭПП-2М (Новосибирск, ИЯФ СО РАН) [1] лежит ниже 1.4 ГэВ и до порога рождения легчайших адронов - 2тж±. В этой области энергии сечение процесса аннигиляции е+е~ —> адроны достигает наибольших значений и рождается половина из известных кварков (■u,d,s). В области низких энергий, кроме ВЭПП-2М, работали коллайде-ры ВЭПП-2 (Новосибирск), АСО и DCI (Орсе), ADONE и ВАФШ (Фраскати). В настоящее время ускорительный комплекс ВЭПП-2М завершил работу и перестроен в ВЭПП-2000 (энергетическая область y/s до 2000 МэВ, светимость до 1032см~2с-1).

В ходе эксперимента на Б-фабрике PEP-II (SLAC) сечения е+е~ —► адроны измеряются методом радиационного возврата ISR ( initial state radiation ) в области энергии от массы Т(45) до порога реакций [2]. Метод ISR основан на использовании событий, в которых начальные частицы (электрон, позитрон) излучают достаточно энергичный фотон, и в резуль-

тате родившаяся система адронов имеет инвариантную массу меньшую, чем энергия в системе центра масс начальных частиц. Таким образом, ведя набор данных при некоторой энергии, можно сканировать всю энергетическую шкалу вниз до порога рождения системы адронов 2тп±.

Во Фраскати, на ф-фабрике БАФИЕ (светимость ~ 1033см2с-1), набор данных проводился в узком диапазоне энергии y/s 1020 МэВ. Главная цель этого эксперимента - исследования распадов </>(1020)-мезона, физики каонов и СР нарушения в распадах каонов. Для измерения сечений в области ниже 1 ГэВ на </>-фабрике также используется метод радиационного возврата [2].

В своем классе машин ВЭПП-2М имел рекордную светимость, которая в зависимости от энергии изменялась от 1028см~2с-1 при y/s = 360 МэВ до 5 • Ю30см~2с-1 при y/s > 1000 МэВ. Физические исследования на ВЭПП-2М проводились с 1974 года. За это время сменилось несколько поколений детекторов. В этих экспериментах были определены основные параметры р,ш и 0-резонансов и измерены сечения процессов е+е~ аннигиляции. Можно без преувеличения сказать, что современные таблицы свойств элементарных частиц в области масс ~ 1 ГэВ в значительной мере базируются на данных детекторов ВЭПП-2М.

Измерение сечений е+е~ аннигиляции в адроны в области низких энергий в значительной степени мотивировано результатом эксперимента Е821 [3] по измерению аномального магнитного момента мюона ар = (<7М — 2)/2. Аномальный магнитный момент мюона - одна из наиболее точно измеренных физических величин

ае*р = (11659209 ± 6) х Ю-10. (1)

Сравнение значения ае^р с теоретическим расчётом этой величины а1^ является одной из самых чувствительных проверок Стандартной Модели. В настоящее время отличие ае*р от а^ составляет около 3.6 стандартных от-

клонений, что указывает на возможный вклад в магнитный момент мюона взаимодействий вне рамок Стандартной Модели.

В рамках Стандартной Модели в величину а1^ дают вклады электромагнитные a®ED, электрослабые aEW и сильные ah^d взаимодействия

< = a%ED + а™ + ah;d. (2)

Вычисление вклада сильных взаимодействий (адронного вклада) не может быть полностью выполнено на основании первых принципов теории и производится с помощью дисперсионного интеграла

где K(s) - подынтегральное ядро, вычисляемое по квантовой электродинамике,

= tj(e+e~ —* адроны)

а{е+е~ —> /¿+/¿~)

Здесь а(е+е~ —> (л+/1~) = 4wa2/3s, сг(е+е~ —> адроны) - экспериментально измеренное сечение аннигиляции е+е- адроны.

Основной вклад в a^ad даёт энергетическая область ВЭПП-2М. В частности, вклад сечения процесса е+е~ —» 7г+7г~ в этой области составляет 70% от величины a^ad, а вклад сечений е+е~~ —> адроны в области рождения UJ и ф резонансов составляет 10%. Таким образом, точность вычисления ah^d полностью определяется точностью измерения сечений е+е~ —> адроны при низких энергиях.

В области низкой энергии практически невозможно провести расчёт сечений процессов е+е~ —> адроны в рамках фундаментальной теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамики. Поэтому для описания сечений применяется феноменологические модель доминантности векторных мезонов (ДВМ), которая описывает экспериментальные данные с точностью около 1%.

Согласно модели ДВМ взаимодействие фотона (реального или виртуального) с адронами (мезонами или барионами) происходит посредством перехода фотона в нейтральные векторные мезоны и их последующего распада на адроны. Векторный мезон V состоит из кварка и антикварка д<2 с одинаково направленными проекциями спина и имеет квантовые числа I = 1 или О, 3РС = 1 . Возможность перехода фотона в векторные мезоны обусловлена совпадением их квантовых чисел 3РС = 1 .

Изучение процессов е+е~ —► адроны при низких энергиях позволяет определять параметры р, си, ф мезонов и их возбужденных состояний, исследовать динамику многочастичных реакций, интерференцию между мезонами. Экспериментальное исследование свойств этих мезонов представляет большой интерес для изучения сильных взаимодействий при низких энергиях.

Исследования р, ш и ф резонансов в электрон-позитронной аннигиляции проводятся уже много десятков лет и идут в двух направлениях. С одной стороны, ведется поиск редких распадов этих мезонов, а с другой, увеличивается точность измерения основных параметров резонансов: масс, полных ширин, основных мод распада. Возбужденные состояния р, и) и ф мезонов - р', р'\ и/, и" и ф' изучены с гораздо худшей точностью, чем основные состояния. Практически известно только то, что они существуют. Определение параметров этих частиц затруднено их большой шириной и модельной неопределенностью в описании.

В период с 1995 по 2000 годы на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М были проведены эксперименты со Сферическим нейтральным детектором (СНД) [4] и набран интеграл светимости около 30 пбн-1 в области энергии л/б от 360 до 1380 МэВ. Предшественником СНД является нейтральный детектор (НД) [5], который в 1987 году завершил серию пятилетних экспериментов [6] на ВЭПП-2М. Новый детектор унаследовал от НД многослойную структуру электромагнитного калориметра, при этом размеры калоримет-

pa увеличились, была улучшена его конструкция и, как следствие, угловое и энергетическое разрешение, на 40% увеличился телесный угол. При создании СНД учитывался мировой опыт детекторостроения. Так под влиянием детектора Crystal Ball [7] калориметр СНД получил сферическую форму, что обеспечило равномерную чувствительность по телесному углу. В качестве трековой системы для измерения углов заряженных частиц в детекторе была создана система из двух дрейфовых камер. Таким образом, СНД оказался универсальным детектором, способным зарегистрировать и полностью восстановить события, содержащие как заряженные, так и нейтральные частицы. Сочетание хорошего разрешения, большого телесного угла и высокой сегментации детектора позволило выполнить успешные измерения и получить важные физические результаты. Детектор СНД вел набор экспериментальных данных одновременно с Криогенным магнитным детектором-2 (КМД-2) [8].

В диссертации приведены результаты, полученные по данным набранным детектором СНД на коллайдере ВЭПП-2М, по измерению и анализу сечений процессов е+е~ —> К+К" и KsKl [9] в области рождения ф—резонанса, процесса е+е~ —> 7г+7г~7г° [9-12] во всём диапазоне энергии ВЭПП-2М (л/s < 1.4 ГэВ) и процесса е+е~ —► 7г+7г" [13,14] в области энергии до 1 ГэВ в системе центра масс.

До экспериментов СНД на ВЭПП-2М процессы е+е~~ —► К+К~ и е+е~~ —»• KsKl в области рождения 0-мезона изучались в ряде работ [6,15-22]. Приведённые там результаты имеют, как правило, существенно худшую точность, поскольку основываются на меньшей статистике. Примерно в одно время с результатами СНД появились результаты обработки данных с детектора КМД-2М [23-26]. Результаты СНД и КМД-2М согласуются в пределах ошибок измерений. Измерения СНД основаны на 10е событий процесса е+е~ —> К+К~ и 0.5 х 106 событий процесса KsKl

В экспериментах с детектором СНД сечение процесса е+е~ —» 7г+7г~7г°

было впервые измерено одним детектором в широком диапазоне энергии 660 МэВ < у/в < 1380 МэВ, включающем в себя области рождения ш и ф мезонов и ц/-резонанса. Ранее сечение процесса измерялось в широкой энергетической области от 660 до 1100 МэВ в работах [6,21,27,28]. Область рождения ы-мезона изучалась в работах [6,29-34], а область рождения ф-мезонав [6,15,16,20,35-37]. Сечение е+е~ —> 7г+7г~7г° в области выше ф и до 2200 МэВ измерялось в экспериментах [38-42], причём ни один из них не перекрывал всего диапазона энергии. Во всех этих измерениях статистика существенно уступала статистике эксперимента СНД. На детекторе КМД-2 процесс е+е~ —> 7г+7г_7г° изучался в области рождения ф и и резонансов [23,25,43-45]. Результаты работ СНД и КМД-2 согласуются в пределах ошибок измерений. На детекторе ВаВаг процесс е+е~ —> 7г+7г~7г° изучался методом 13Г1 в области энергии у/Ъ < 3 ГэВ [46]. Сечение е+е~ —> 7г+7г-7г° было вычислено из спектра масс Зтт для области энергии 1.05 < у/в < 3 ГэВ. Результаты СНД и ВаВаг согласуются. Измерения СНД основаны на 1.7 х 106 отобранных событий процесса е+е~ —> 7г+7г~7г°, основная часть которых набрана в области рождения ш и ф мезонов.

Процесс е+е~ —> тг+тт~ в области энергии у/И < 1 ГэВ изучался более 30 лет в ряде экспериментов [47-60]. Наиболее точные измерения сечения были выполнены с детекторами ОЛЯ и КМД [60], систематические ошибки этих измерений составили 4% и 2% соответственно. Измерение СНД имеет систематическую ошибку 1.3% и основано на статистике 12.4 х 106 колли-неарных событий, из которых 7.4 х 106 событий процесса е+е~ —»• е+е~, 4.5 х 106 событий процесса е+е~ —>■ 7г+7г~ и 0.5 х 106 событий процесса е+е~ —> ц+ ¡л~. Результат КМД-2 [25,61-63] основан на примерно 10е событий процесса е+е~ —>■ 7г+7г~ и имеет систематическую погрешность 0.6-0.8 %. Результаты СНД и КМД-2 согласуются в пределах ошибок измерения. Сечение е+е~ —» 7г+7г~ также измерялось методом ¡БЫ в экспериментах КЬОЕ [64-66] и ВаВаг [67,68]. Систематическая ошибка измерений КЬОЕ

составила около 1%, а ВаЬаг - 0.5%—1.3% в зависимости от энергии у/б. Результаты СНД и ВаЬаг согласуются в пределах погрешности измерений, в то время как различие между измерениями СНД и КЬОЕ превышает совместную систематическую погрешность.

В модели ДВМ сечение процесса е+е~ —> 7г+7г~7г° в области энергии л/б ~ 1 ГэВ определяется амплитудами перехода векторных мезонов

V (V = и,ф,и>',ш") в конечное состояние V —> 7г+7г_7г°, причем из экспериментальных данных известно, что в этих переходах доминирует р7г промежуточное состояние. В области энергии у/э ~ тф основной вклад в сечение процесса дает распад 0(1020) —> р7г —> 7г+7г_7г°. Как отмечалось выше, полное сечение реакции е+е~ —> 7г+7г_7г° вблизи 0(1020) мезона изучалось в ряде экспериментов. Существенно меньшее число работ посвящено изучению динамики процесса [37,43,44,69].

Помимо ртг промежуточного состояния переход V —> 7г+7г-7г° может идти через состояния р'^тг. Даже при малой вероятности распада

V —» р'М 7г интерференция этой амплитуды с амплитудой V —> рп может давать заметный вклад в полное сечение. Другой механизм процесса е+е~ —> 7г+7г_7г° связан с р — со смешиванием [70-72]: е+е~ —> V —» илг° —> р°7г° (V — р, р', р"). В процессе е+е~ —> рп может происходить взаимодействие пиона и р-мезона в конечном состоянии [73-75].

В реакции е+е~ —► р7г рождаются как заряженные, так и нейтральные р-мезоны. Таким образом, анализ распределений по инвариантным массам пионов в этом процессе даёт возможность измерять массы и ширины р° и р±-мезонов, а также разницу их масс [76]. Значения массы р, измеренные в различных процессах, существенно различаются между собой [77]. Поэтому представляется интересным сравнить параметры резонанса (тр и Гр), определенные из реакции е+е~ —»• р7г, с результатами других экспериментов.

Анализ распределений по инвариантным массам пионов был выпол-

нен на основе 0.5 х 106 событий процесса е+е~ —> 7г+7г~7г°, набранных в области пика «^-резонанса, с учётом различных промежуточных механизмов процесса е+е~ —»■ 7г+7г~7г°. В результате был получен верхний предел на вклад дополнительного к ртг механизма, например, р'тг, были измерены массы и ширины р° и р±-мезонов.

Механизм перехода е+е~ —► о>7г° —> 7г+7г_7г°, имеющий место за счёт распада ш —> 7г+7г~, впервые наблюдался в экспериментах с детектором СНД в области энергий у/Ъ = 1200-1400 МэВ. Этот эффект был изучен путём анализа спектров инвариантных масс заряженных пионов. Впервые измерена относительная фаза интерференции между амплитудами процессов е+е~ —^ /с»7г —7г+7г~7г° и е+е~ —> штг° —>• 7г+7г~7г°.

Для определения параметров ф-мезона проведён совместный анализ сечений е+е~~ —> К+К~, е+е~ —> К$Къ и е+е~ —»■ 7г+7г~7г° в рамках модели ДВМ и определены параметры 0-резонанса: масса, полная ширина, В(ф —> е+е~), £(</> е+е~)В(ф е+е~)В(ф ^ВД и £(<£

е+е~)В(ф -»• 7Г+7Г-7Г0).

Анализ данных СНД по полному сечению процесса е+е~ —>• 7г+7г~7г° во всём диапазоне энергии ВЭПП-2М совместно с данными ЭМ-2 [42] по сечению процесса е+е~ —> , измеренного в области у/в = 1350-2400

МэВ, показал, что для описания сечени