Изучение процесса e+e-→π+π-π+π-π° с детектором КМД тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

ПОПОВ Александр Сергеевич

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА

е+е" -> 7Г+7Г-7Г+7Г-7Г° С ДЕТЕКТОРОМ КМД

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 0 ДЕК 2009

НОВОСИБИРСК - 2009

003487644

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Хазин — доктор физико-математических наук,

Борис Исаакович Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Блинов — кандидат физико-математических наук,

Владимир Евгеньевич Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Кожевников — доктор физико-математических наук,

Аркадий Алексеевич Институт математики им. С.Л. Соболева

Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ — ГНЦ "Институт теоретической

ОРГАНИЗАЦИЯ: и экспериментальной физики"

им. А. И. Алиханова, г. Москва.

ЗащиуадЕвдгертации состоится "' " 2009 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.02

Упреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан " № " 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ,

доктор физ.-мат. наук, ^ A.A. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Стандартная модель - общепринятая сегодня теория, описывающая взаимодействия элементарных частиц - сталкивается со значительными техническими трудностями при попытках последовательного описания сильных взаимодействий в области низких энергий. Феноменологический подход на основе теоретико-группового анализа с использованием фундаментальных законов теории поля часто допускает множество механизмов рождения и распада промежуточных состояний с одним или несколькими адронами. Для построения и проверки феноменологических моделей необходимо знать вероятности появления различных промежуточных ад-ронных состояний в процессах рождения той или иной конфигурации конечных частиц. Кроме того, большой интерес представляют сами величины сечений, которые широко используются при построении теоретических моделей и расчетах фундаментальных констант, таких как ад-ронный вклад в аномальный магнитный момент мюона а^ = (д — 2)/2 и константу связи фотоном при энергии, равной массе Ъ - бозона а(М^). Адропный вклад в величину можно определить только с использованием экспериментальных данных о сечении электрон-позитронной аннигиляции в адроны по следующей формуле:

„ оо

% -127Г3 у я V)

4т5

где К(в) - гладкая, монотонная, слабо меняющаяся функция, вычисленная в рамках квантовой электродинамики, а0 (я) - полное Борнов-ское сечение процесса е+е~ —> адроны, а я - квадрат полной энергии в системе центра масс. Так как подынтегральная функция К^/э усиливает вклад малых энергий, то точность вычисления этого интеграла в основном определяется ошибкой измерения полного сечения процессов е+е~ —* адроны при низких энергиях, которая, в свою очередь, в основном определяется сегодня систематической ошибкой измерения сечения е+е~ —» 7Г+7Г-. Уже при существующей экспериментальной точности прямого измерения акоторая составляет 0.54 ррт, становятся существенными вклады ошибок измерения процесса е+е~ —> 4тг и др.

Дальнейшее улучшение почти в .4 раза точности измерения величины ам, планируемое в подготавливаемых экспериментах в Лаборатории им. Ферми (США) и ^А11С (Япония), потребует более точных данных о сечениях рождения адронов в электрон-позитронной аннигиляции. В области энергий до 1.4 ГэВ процесс е+е~ —> тг+тт~ должен быть измерен с систематической точностью 0.3%, а другие каналы аннигиляции не хуже 14-2%. Точность адронных сечений в диапазоне от 1.4 до 2 ГэВ должна быть не хуже 2-3%. Методы и оборудование, созданные в работах на основе которых написана данная диссертации, позволят решить эту задачу.

Рис. 1. Механизм реакции е+е —» Рис. 2. Механизм реакции е+е

Т)1У+7С .

Помимо всего перечисленного, интерес также представляет изучение динамики рождения 5тт. Естественно предположить, что механизм реакции е+е~ —> г]тг+тт~ состоит в переходе виртуального фотона в промежуточных векторный мезон, который распадается на псевдоскаляр г/ и вектор р, как это показано на рисунке 1. Аналогично, можно ожидать, что динамика рождения состояния штг+7г~ соответствует диаграмме, приведенной на рисунке 2, где в каждой вершине излучается по одному пиону в в волне. Можно ожидать четкий сигнал от Ь1 в спектре инвариантных масс 4 пионов, при энергиях в с.ц.и. выше 1.5 — 1.6 ГэВ, однако он не был обнаружен при анализе данных полученных методом 1Б11 детектором ВаВаг. Доступная и исследованная область энергий для ВЭПП-2М, до 1.38 ГэВ в с.ц.и. не позволяет подтвердить или опровергнуть механизм е+е- —> И^тг^ —> 1лг+тт~~. Расширенный диапазон энергий и высокая светимость коллайдера ВЭПП-2000 позволят с высокой точностью изучить этот процесс в экспериментах с детектором КМД-3.

Цель работы состояла в следующем:

• Разработка алгоритма отбора событий процесса е+е~ —>

7г+7г~7г+7г-7г°.

• Создание процедуры выделения промежуточных состояний Ш7Г7г, Г)-КЖ.

• Написание генератора для моделирования процессов е+е~ —> штгтг, т)ттж и определения эффективности регистрации.

• Измерение сечения процессов е+е~ штттг и е+е~ —► ?]тгтг в области энергий 1280-1380 МэВ в системе центра масс. Для повышения достоверности результатов, последний процесс измерялся в двух каналах распада г) мезона. Установка верхнего предела на сечение рождения состояния 7г+7г_7г+7г""7г° через другие промежуточные каналы.

• Проектирование и изготовление дрейфовой камеры нового детектора КМД-3.

• Доводка и испытания считывающей и триггерной электроники.

• Проверка работоспособности и измерение параметров дрейфовой камеры и всего комплекса электроники.

Научная новизна работы

В диапазоне энергий от 1280 до 1380 МэВ измерено сечение процессов е+е~ —> с^тг+тг" и е+е~ —> г}ж+тг~, причем последний процесс измерен в двух каналах распада 7] мезона. Результаты измерений согласуются между собой и с предыдущими измерениями, имея лучшую статистическую точность. Приведенные в диссертации результаты подтверждены работами по измерению сечений этих процессов методом ЕЗЛ детектором ВаВаг.

Спроектирована и изготовлена дрейфовая камера нового детектора КМД-3. Камера имеет высокую сегментацию регистрирующих ячеек и высокую плотность обслуживающей электроники. Благодаря тому, что корпус камеры изготовлен из углепластика, минимизировано количество вещества перед калориметрическими системами детектора.

Научная и практическая ценность работы

Полученные в работе результаты по измерению сечений на момент публикации имели лучшую в мире статистическую и систематическую точность. Впервые показано, что реакция рождения пяти пионов идет через промежуточные состояния ипг и г/тттт.

Изготовлена новая дрейфовая камера с координатным разрешением в 2.5 раза лучшим, чем в камере КМД-2, что позволит в сильной степени улучшить качество физических результатов нового детектора КМД-3.

Апробация работы

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах в ведущих научных центрах. Кроме того, результаты работы докладывались на сессииях-конференциях отделения ядерной физики (ИТЭФ, Москва, 2000, 2002, 2005, 2006, 2007) и на международных конференциях:

ICHEP06 - INTERNATIONAL CONFERENCE ON HIGH ENERGY PHYSICS (Moscow, Russia, 2006),

VCI07 - VIENNA CONFERENCE ON INTRUMENTATION (Vienna, Austria, 2007),

INSTR08 - INTERNATIONAL CONFERENCE ON INSTRUMENTATION FOR COLLIDING BEAM PHYSICS (Novosibirsk, Russia,2008),

TIPP09 - Technology and Instrumentation in Particle Physic (Tsukuba, Japan, 2009)

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 154 страницы, включая 120 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 62 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко сформулированы основные задачи работы, структура и содержание диссертации. Обсуждены её актуальность и результаты аналогичных предыдущих экспериментов. Указано на возможность наблюдения Ы мезона на коллайдере ВЭПП-2000.

В первой главе приведены характеристики ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-2М и детектора КМД-2, с помощью которых в течение 1997г. велся набор статистики в анализируемом диапазоне энергий. Схема детектора приведена на рис. 3. Столкновение пучков происходит внутри вакуумной камеры, изготовленной из бериллиевой трубки со стенкой толщиной 700 мкм. Координаты, углы вылета и импульсы заряженных частиц измерялись в магнитном спектрометре, состоящем из дрейфовой и 2-камер и тонкого (0.38Хо) сверхпроводящего соленоида с магнитным полем 1 Тл. Цилиндрический и торцевой электромагнитные калориметры, изготовленные из Сцинтилляционных кристаллов

Сэ1 и ЕЮО, обеспечивают измерение энергий и углов вылета фотонов и идентификацию частиц по спектру энерговыделений. Пробежная система служит для разделения мюонов и адронов.

Рис. 3. Продольный и поперечный разрезы детектора КМД-2. 1 - вакуумная камера; 2 - дрейфовая камера; 3 - 2-камера; 4 - основной сверхпроводящий соленоид; 5 - компенсирующий соленоид; б - торцевой калориметр на основе ВСО; 7 - цилиндрический калориметр на основе Сэ1; 8 - пробежная система; 9 - ярмо магнита; 10 - квадрупольные линзы ВЭПП-2М.

Во второй главе описана методика измерения сечений исследуемых процессов в области энергий от 1.280 до 1.38 ГэВ в системе центра масс с детектором КМД-2. В процессе сканирования указанного диапазона энергий был набран интеграл светимости 3.5 пб-1, что соответствует примерно 275 событиям рождения пяти пионов. Набор велся в 10 точках по энергии, однако из-за малого количества событий и большого комбинаторного фона в каналах Ьтт, некоторые энергетические точки были объединены. События 5тг делились на классы ютти и щ-п путем аппроксимации спектров масс 7г+7г~7г° определенными из моделирования кривыми, описывающими эти спектры для конечных состояний а>7Г7т, т^тгтг и фона. На рисунке 4 показан такой спектр для энергии в с.ц.и. 1380 МэВ. Каждому событию 5тг на рисунке соответствуют четыре возможные комбинации 7г+7г_7г°.

, 20 318 16 14 12 10 8 б 4 2

N,„=2715.3 Мч«.= 28±5'8

400 500 600 700

Рис. 4. Распределение по инвариантной массе т^+^-^а при энергии 1380 МэВ в системе центра масс.

Одной из встретившихся проблем было наличие "лишних" кластеров в калориметре, для правильной отбраковки которых пришлось применять двухступенчатую кинематическую реконструкцию к событиям, в которых было зарегистрировано четыре заряженных трека и больше двух фотонов. На первом этапе требовалось только выполнение законов сохранения энергии и импульса. Перебирались все комбинации пар фотонов, отбиралась та из них, которой соответствовал лучший х2- Для улучшения разрешения по инвариантной массе 7г+7г~"7г°, на втором этапе накладывалось дополнительное требование равенства инвариантной массы отобранной пары фотонов массе нейтрального пиона. Основным источником систематической ошибки является неточность моделирования разрешений детектора КМД-2, вследствие чего ответ зависит от некоторых отборов, в частности по х2- Границы выбирались достаточно мягкими, чтобы при их изменении ответ менялся слабо. Еще одним источником систематики являлась нестабильность эффективности реконструкции треков в дрейфовой камере КМД-2, в связи с чем оценка систематической ошибки составила ~20%. В сильной степени по этой причине, для подтверждения достоверности методики получения сечений, процесс образования конечного состояния щп был измерен независимой методикой в канале распада Т] 77. Как видно из рисунка 5, полученные результаты хорошо согласуются. Измеренное сечение образования состояния штгтг показано на рисунке б.

1300 1350 1400

И^.МеУ

• СМО-2 о ЭМ2

Ьоо

1250 1300 1350 1400 1450 1500 гЕ^.МеУ

Рис. 5. Сечение процесса е+е~

7]1Т+Ж .

Рис. 6. Сечение процесса е+е

Третья глава целиком посвящена дрейфовой камере детектора КМД-3. Подробно рассмотрены физические задачи нового детектора и связанные с ними особенности его конструкции. В следующих разделах описаны пути решения встретившихся при разработке и производстве дрейфовой камеры проблем. Прежде всего, это выбор основного материала элементов конструкции и расчет прогибов фланцев при натяжении проволочек, выбор конфигурации и расчет высоких напряжений на охранных проволочках и высоковольтном экране.

В четвертой главе описан основной элемент считывающей электроники дрейфовой камеры - плата Т2С}. Так как ДК формирует часть триггерных сигналов для системы сбора данных, в эту главу вошли описания работ по основным ее элементам: интерфейсам первичного триггера ИПТД, блокам приема-передачи данных БППД, блоку заряженного триггера.

В пятой главе описаны процедуры калибровок по физическим событиям и реконструкции треков в дрейфовой камере детектора КМД-3, а также приведены полученные разрешения и параметры камеры, полученные на основе анализа событий космического излучения и при моделировании некоторых физических процессов. Координатное разрешение для событий космического излучения составляет 90^110 мкм в поперечной плоскости и 2ч-3 мм в продольной, как показано на рисунках 7(а) и 7(Ь). Для треков пересекших всю камеру, точность измерения удель-

вТ>.03:~

°Гдо калибровки! | \! после тЦтабровШ!

! I' ' : Г --............•.................•..........-.....щ

А1

- I - ' » * -

' 'Ца Ь 5 о.ь ^07 "'о в

г«,, с™

(а)

Рис. 7. Координатные разрешения: (а) Координатное разрешение в поперечной плоскости до (кружочки) и после (звездочки) калибровки изо-хрон.; (Ь) Координатное разрешение в продольной плоскости.

| ЕИ"1С|ОТСу у« ¿¡>ипс» |

I ътыюсу у»д |

(а)

-30 >16 -10 '5

0

(Ь)

Рис. 8. Усредненные по всем проволочкам эффективности срабатывания: (а) эффективность в зависимости от длины дрейфа Д, усредненная по всем 2; (Ь) эффективность в зависимости от координаты, усредненная по всем Д.

ных ионизационных потерь лучше 15%. Эффективности срабатывания ячеек в зависимости от места пролета трека показаны на рисунках 8(а) и 8Ь). Практически для всего сечения ячейки эта эффективность близка к 100%. Соответствующее этим параметрам импульсное разрешение, определенное из моделирования, приведено на рисунке 9. Угловые разрешения в продольной и поперечной плоскостях составляют ~2 мрад.

Рис. 9. Ошибка определения импульса для мюонов.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Обработаны данные детектора КМД-2, записанные в диапазоне энергии в с.ц.и. от 1280 до 1380 МэВ. Получены сечения процессов е+е~ —> г]тт+тг~ и е+е~ —> и>л+7г~, причем сечение е+е~ —> т]тг+п~ измерено в двух каналах распада г] - мезона — г] —» 77 и т] —»7г+7г~7г° с хорошо согласующимися результатами. Полученные в работе сечения процессов е+е- —> г]тг+тт~ и е+е~~ —► и>тт+-к~ согласуются с данными других экспериментов. Статистическая точность полученных результатов составляет 25 -Ь 50% в зависимости от энергии, что лучше точности предыдущих измерений в этой области энергий (см. рис. 6 и 5). Оценка систематической ошибки составляет ~ 20%, что сравнимо с имеющейся статистической точностью измерений. Основные источники систематики в сильной степени будут устранены в детекторе КМД-3, благодаря новому цилиндрическому калориметру на основе жидкого ксенона (далее ЬХе) и модернизированному торцевому калориметру на основе кристаллов ВвО (далее ВСО) с полупроводниковыми фотоприемниками. Высокое координатное разрешение ЬХе существенно улучшит как эффективность пришивки заряженных кластеров к треку, так и разрешение по инвариантной массе нейтрального пиона. Улучшенные фотоприемники и электроника калориметра ВСО позволит уменьшить количество мертвых и шумящих зон калориметра, что приведет к уменьшению количества "лишних" фотонов. Новая, достаточно сегментированная дрейфовая камера с аксиальной ячейкой и современной электроникой, обеспечивает более чем двукратное улучшение импульсного и угловых разрешений по сравнению с ка-

мерой детектора КМД-2. Это улучшит разрешение по инвариантным массам комбинаций конечных частиц, позволяя отказаться от многих отборов при анализе событий и тем самым снижая систематическую ошибку. Кроме того, высокое разрешение позволит легко измерять эффективность восстановления треков по событиям процесса е+е~ —> 7г+7г_7г+7г~ восстанавливая недостающий импульс потерянного трека. Это обстоятельство значительно уменьшит систематическую ошибку, связанную с моделированием.

2. На основе поставленных перед новым детектором физических задач спроектирована дрейфовая камера и разработана технология ее изготовления. Обеспечена механическая точность сборки деталей не хуже 200 мкм в поперечной плоскости и 500 мкм в продольной. Натянуто более 3500 полевых и сигнальных проволочек, с приемлимой потерей натяжения на прогиб фланцев. В настоящее время камера установлена в детектор.

3. Проведены запуск и доводка считывающей и триггерной электроники детектора, произведены и проверены все требуемые для ДК блоки. Написаны необходимые программы по конфигурированию, чтению и калибровке плат T2Q, ИПТД, HU.TZ и трекфайндера. В настоящее время вся электроника работает в штатной конфигурации.

4. В многочисленных тестах на космических частицах проверена работоспособность и измерены параметры ДК, найдены и устранены недоработки в считывающей электронике и электронике системы сбора данных.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. D.V. Chernyak, D.A. Gorbachev, ..., A.S.Popov et al., "The performance of the drift chamber for the CMD-2 detector", Nucl. lustrum. Meth. A 419 (1998) 370.

2. Ф.В. Игнатов, П.А. Лукин,..., А.С.Попов и др., "Дрейфовая камера КМД-2", Препринт ИЯФ 1999-64, Новосибирск, 1999.

3. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin, ..., A.S.Popov et al., "Status of experiments and recent results from CMD-2 detector at VEPP-2M". - Nucl. Phys. A675: 424C-431C, 2000.

4. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin, ..., A.S.Popov et al., "Study of the

process e-f- e--> pi+ pi- pi+ pi- piO with CMD-2 detector". - Phys.

Lett. B489: 125-130, 2000.

5. R.R. Akhmetshin, ..., A.S.Popov et al., Total cross section of the process e-t- e- —> pi+ pi- pi-f pi- in the C.M. energy range 980-MeV to 1380-MeV. - Phys. Lett. B595: 101-108, 2004.

6. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin, ..., A.S.Popov et al., "Status of experiments and recent results from CMD-2 detector at VEPP-2M". - Nucl. Phys. A675: 424C-431C, 2000.

7. V.M. Aulchenko, R.R. Akhmetshin, ..., A.S.Popov et al., "CMD-2M Detector Project". - BUDKER-INP-2001-45, 2001. 57pp.

8. D.A. Drozhzhin, ..., A.S. Popov,et al., Current status of the CMD-3 time-of-flight system. - Nucl. Instrum. Meth. A598: 203-204, 2009.

9. F. Grancagnolo, G. Fiore, ..., A.S.Popov et al., "Drift chamber for the CMD-3 detector". - Nucl. Instrum. Meth. A598: 105-106, 2009.

ПОПОВ Александр Сергеевич

Изучение процесса е+е~ —> 7г+7г~7г+7г~7г° с детектором КМД

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 17.10.2009 г. Подписано к печати 17.10.2009 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0,7 печ.л., 0,6 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 35_

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

Введение

1 Описание эксперимента

1.1. Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М.

1.2. Детектор КМД-2.

1.2.1. Дрейфовая камера.

1.2.2. г-камера.

1.2.3. Цилиндрический калориметр.

1.2.4. Торцевой калориметр

1.2.5. Пробежная система

1.2.6. Система запуска детектора.

2 Изучение процессов е+е~ —» и е+е~ —> 7]тг+тт"

2.1. Процесс е+е~ —> 7г+7г7г+7г7г°.

2.1.1. Отбор событий процесса е+е~ —► 7г+7г-7Г+7Г-7г°.

2.1.2. Моделирование.

2.1.3. Процедура аппроксимации спектров т^+^-^о.

2.1.4. Устойчивость процедуры аппроксимации.

2.2. Процесс ее —» тг+7г~~Г) 7Г+7г~77.

2.2.1. Отбор событий.

2.2.2. Моделирование.

2.2.3. Процедура аппроксимации и ее устойчивость.

2.3. Полученные результаты.

3 Дрейфовая камера детектора КМД-3 57 3.1. Ускорительный комплекс ВЭПП

3.2. Физические задачи детектора КМД-3.

3.3. Общая конструкция и элементы детектора.

3.4. Дрейфовая камера.

3.4.1. Общие требования.

3.4.2. Радиационная нагрузка и старение.

3.4.3. Изготовление поддержек проволочек.

3.4.4. Сборка камеры.

3.4.5. Натяжение проволочек.

3.4.6. Высокое напряжение в ДК.

4 Электроника дрейфовой камеры детектора КМД

4.1. Структура Системы Сбора Данных.

4.2. Плата Т2(^.

4.2.1. Назначение платы.

4.2.2. Электронные калибровки платы

4.3. Заряженный триггер.

5 Реконструкция событий

5.1. Восстановление треков.

5.2. Калибровки по физическим событиям.

5.2.1. Калибровки момента ТО и амплитудных порогов

5.2.2. Калибровки изохрон.

5.2.3. Калибровки параметров, используемых для измерения ^-координаты.

5.2.4. Калибровки удельных ионизационных потерь.

5.3. Реконструкция треков космических частиц в экспериментах без магнитного поля.

5.4. Проверка работы программ реконструкции треков на моделировании

5.4.1. Эффективность реконструкции.

5.4.2. Импульсное разрешение.

В период с 1992 по 2000 год на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М [1] в Новосибирском институте ядерной физики имени Г.И.Будкера проводились эксперименты с детекторами КМД-2 [2] и СНД [3]. Изучаемый диапазон энергий составлял от 360 до 1400 МэВ в системе центра масс.

Эта область энергий интенсивно исследовалась со времени появления методики встречных пучков. Первые эксперименты были проведены на накопителях ACO (Орсэ, Франция) и ВЭПП-2 (Новосибирск) в конце 60-х годов. В 70-х-80-х годах велись эксперименты с детекторами M3N и DM1 на накопителе ACO и с детекторами ОЛЯ, КМД и НД на коллайдере ВЭПП-2М, пришедшем на смену накопителю ВЭПП-2. Обилие интересных физических задач в данной области энергий привело к модернизации комплекса ВЭПП-2М и созданию детекторов нового поколения - КМД-2 и Сферического Нейтрального Детектора (СНД), работавших на накопителе до 2000 года. В этих экспериментах был получен ряд данных о сечениях электрон-позитронной аннигиляции в адроны при низких энергиях, необходимых для решения многих проблем физики частиц. Следует отметить, что последовательных теоретических методик применения КХД для описания адронных взаимодействий при низких энергиях до сих пор не существует. Для их развития необходимы еще более подробные измерения как в области резонан-сов, так и в континууме чтобы расширить информацию о взаимодействиях легких кварков.

Основной целью данной работы является измерение сечения в процессах е+е-аннигиляции событий с пятью пионами в конечном состоянии и изучение динамики их рождения. Большая множественность конечных частиц допускает большое число вариантов промежуточных состояний и каналов

Pcharge

Entries Mean RMS 40000 9.2313 3.0785

Angular distribution of charged pions

Ь) Распределение полярных углов вылета заряжен-(а) Распределение по импульсам заряженных частиц. ных частиц GeV с) Распределение инвариантных масс нейтральных (с!) Распределение инвариантных масс заряженных комбинаций 3-х пионов. комбинаций 4-х пионов.

Рис. 1: Сравнение некоторых кинематических параметров моделей процесса и>7г+7г-описываемых диаграммами 7.1 и 7.2, везде далее именуются модель илг+7г~и Ь\тт соответственно. Энергия в с.ц.и. 1.38 ГэВ. их распадов. Наиболее естественными для них являются состояния г)7г+тг~и илг+/к~, которые обладают противоположными G-четностями и рождаются через различные изовекторные состояния семейства р мезонов и изоскаляр-ные состояния семейств и и ф мезонов. Соответствующие фейнмановские диаграммы показаны на рисунках 7.3 и 7.1. Последняя диаграмма, описывающая рождение илт+тт~, допускает усложнение путем добавления еще одной промежуточной вершины Ь\-к. На рисунке 1 приведены сравнения распределений для некоторых кинематических параметров, вычисленных в рамках этих двух моделей при энергии 1.4 ГэВ в с.ц.и. - максимально доступной энергии ВЭПП-2М. Как видно из рисунка, в области энергий до 1400 а) Распределение по импульсам заряженных частиц.

М3р1

Entries 40000 Mean 0.9905 RMS 0.215

Ы тс шкп

Pcharge Entries 40000 Mean 0.3609 RMS 0.1537 с) Распределение инвариантных масс нейтральных комбинаций 3-х пионов.

Moment of жсЫгяш

MeV

Ь) Распределение полярных углов вылета заряженных частиц. с!) Распределение инвариантных масс заряженных комбинаций 4-х пионов.

Рис. 2: Сравнение некоторых кинематических параметров моделей процесса Ш7Г+7Г~И &17Г, при энергии в с.ц.и. 1.9 ГэВ.

МэВ в с.ц.и. распределения кинематических параметров конечных частиц отличаются столь незначительно, что выбрать какую-либо модель не представляется возможным. Изменение эффективности регистрации, связанное с ограниченным телесным углом, составляет менее 5% (рис.1(Ь)), а распределения по импульсам заряженных частиц (рис.1 (а)) практически идентичны, вследствие чего модельная ошибка в определении эффективности регистрации незначительна.

Возможность уточнения описанных моделей появится с началом работы комплекса ВЭПП-2000 (глава З.1.). На рисунке 2 показаны кинематические распределения при энергии 1900 МэВ в с.ц.и. Уже при регистрации 10000 событий четко виден сигнал от Ь\ мезона в спектре инвариантных масс четырех пионов рис.2(с1). Вполне возможно, что это будет первое наблюдение Ъ\ мезона на встречных е+е~пучках при энергиях ниже 2 ГэВ. Время набора такой статистики при светимости 1032 см2/сек, сечении 2.5 нб и эффективности регистрации 20% составит всего несколько часов.

Хз С к 3 Т и и а)

Рис. 3: Сечения е+е~ тодом ТБИ.

2.5 3

Ес.т. (ОеУ)

7г+7г 7г+7г 7г°, полученные на детекторе ВаВаг ме

Ь)

Следует сказать, что уже получены и опубликованы результаты измерения сечений е+е~ —> ит+тт~ и е+е~ —> г]7г+1г~ на детекторе ВаВаг методом 18Я (рис.3) [8], однако сопутствующий фон приводит к большим статистическим ошибкам и не позволяет выделить возможный сигнал от Ъ\-мезона. Кроме того, значительно возросшие аппаратные возможности детектора при восстановлении точки конверсии фотонов и лучшие координатные разрешения новой дрейфовой камеры в сильной степени позволят снизить систематические ошибки в определении сечений. Все перечисленные обстоятельства подчеркивают значимость полученных результатов, а также показывают актуальность продолжения изучения процесса рождения пяти пионов на кол-лайдере ВЭПП-2000 с детектором КМД-3. Поэтому другой важной целью данной работы является разработка, изготовление и испытание одной из ключевых систем детектора - дрейфовой камеры (ДК).

В первой главе диссертационной работы представлено описание ускори-тельнонакопительного комплекса ВЭПП-2М и детектора КМД-2, на котором в течение 1992-2000 гг. велся набор экспериментальных данных во всем диапазоне энергий коллайдера. Универсальный Криогенный Магнитный Детектор (КМД-2) [2, 4, 5] состоял из трековой системы, цилиндрического и торцевого электромагнитных калориметров на основе кристаллов Сз1 и ВСО соответственно и мюонной пробежной системы. Трековая система состояла из дрейфовой камеры и двухслойной пропорциональной Z-кaмepы, помещенных внутри тонкого сверхпроводящего соленоида с полем 1 Т.

Вторая глава посвящена измерению сечения исследуемых процессов в области энергий от 1.280 до 1.38 ГэВ в системе центра масс с детектором КМД-2. В процессе сканирования указанного диапазона энергий был набран интеграл светимости 3.5 пб-1, что соответствует примерно 275 событиям рождения пяти пионов. Набор велся в 10 точках по энергии, однако из-за малого количества событий и большого комбинаторного фона в каналах 57г, некоторые энергетические точки были объединены. Для подтверждения достоверности методики получения сечений, процесс т]7т+7т~6ьт измерен независимой методикой в канале распада т] —> 77. В данной главе приводится детальный анализ информации. Полученные данные на момент публикации [9, 10] в 2000 году обладали лучшей в мире точностью.

Третья глава целиком посвящена описанию дрейфовой камеры детектора КМД-3. В разделе 3 подробно рассмотрены физические задачи нового детектора и связанные с ними конструктивные особенности [11]. В следующих пунктах описаны пути решения проблем, встретившихся при разработке и производстве дрейфовой камеры. Прежде всего, это выбор основного материала элементов конструкции и расчет прогибов фланцев при натяжении проволочек, выбор конфигурации и расчет высоких напряжений на охранных проволочках и высоковольтном экране.

В четвертой главе описан основной элемент считывающей электроники дрейфовой камеры - плата Т2С^. Так как ДК обеспечивает триггерные сигналы для системы сбора данных, в эту главу вошли описания работ по основным ее элементам: интерфейсам первичного триггера ИПТД, блокам приема-передачи данных БППД, блоку заряженного тригера и т.д.

В пятой главе описаны процедуры реконструкции треков и вершин в дрейфовой камере детектора КМД-3, а также приведены разрешения и параметры ДК, измеренные с помощью событий космических частиц и при моделировании некоторых физических процессов.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ экспериментальных данных детектора КМД-2, записанных в диапазоне энергий от 1280 до 1380 МэВ в системе центра масс. Получены сечения процессов е+е~ —► г]7г+7г~ и е+е~ —» аж+7г~, причем сечение е+е~ —» г]7г+тг~ измерено в двух каналах распада 77 - мезона — 77 —»• 77 и г) —> 7г+7г7г° с хорошо согласующимися результатами. Полученные в работе сечения процесса е+е~ —> г}тг+т:~ согласуются с данными экспериментов [32] и [33], а сечение процесса е+е~ —> а;7г+7г~~ не противоречит работе [34]. Статистическая точность полученных результатов составляет 25 Ч- 30%, что лучше точности предыдущих измерений в этой области энергий (см. Рис. 2.33 и 2.32). Оценка систематической ошибки также составляет ~ 20%. Основные источники систематических ошибок в сильной степени будут устранены в детекторе КМД-3, благодаря новому цилиндрическому калориметру на основе жидкого ксенона (далее ЬХе) и модернизированному торцевому калориметру на основе кристаллов В СО (далее ВСО) с полупроводниковыми фотоприемниками. Высокое координатное разрешение ЬХе существенно улучшит как эффективность пришивки заряженных кластеров к треку, так и разрешение по инвариантной массе нейтрального пиона. Улучшенные фотоприемники и новая электроника ВСО при том же энергетическом разрешении поднимет качество работы калориметра, что приведет к уменьшению количества "лишних" фотонов. Новая дрейфовая камера с высокой сегментацией и современной электроникой обеспечивает как минимум вдвое лучшее импульсное и угловое разрешения по сравнению с камерой детектора КМД-2. Это улучшит разрешение по инвариантным массам комбинаций конечных частиц, позволяя отказаться от многих отборов при анализе событий и, тем самым снижая систематическую ошибку. Кроме того, высокое разрешение позволит легко измерять эффективность восстановления треков по событиям процесса е+е~ —> 7г+7г-7г+7г, восстанавливая недостающий импульс незарегистрированного трека, что уменьшит систематическую ошибку связанную с моделированием.

2. На основе физических задач, стоящих перед детектором КМД-3, спроектирована дрейфовая камера и разработана технология ее изготовления. Обеспечена механическая точность сборки деталей 200 мкм в поперечной плоскости и 500 мкм в продольной, натянуто более 3500 полевых и сигнальных проволочек, с приемлемыми потерями натяжения на прогиб фланца. Камера установлена на свое место в детекторе с точностью не хуже 1 мм относительно других систем.

3. Проведены запуск и отладка считывающей и триггерной электроники детектора, произведены и проверены все требуемые блоки. Написаны необходимые программы по конфигурированию, чтению и калибровке плат Т2(^, ИПТД, ИПTZ, трекфайндера. В настоящее время вся электроника работает в штатной конфигурации.

4. В многочисленных тестах на космических частицах подтверждены работоспособность, параметры и разрешения ДК, найдены и устранены недоработки в считывающей электронике и электронике системы сбора данных.

В заключение я хочу выразить огромную благодарность своему научному руководителю Б.И. Хазину, чей определяющий на всех этапах вклад позволил довести работу не просто до конца, но и так быстро, как только это было возможно в наших условиях. Данная работа никогда бы не была выполнена без своевременного и деятельного участия B.C. Охапкина решившего многочисленные технические трудности при изготовлении оснастки и отдельных компонентов ДК, ее транспортировке на ВЭПП-2000 и интеграции в детектор. Н.М.Рыскулова разработавшего для ДК концепцию заряженного триггера.

Отдельных слов благодарности заслуживают А.Рубан, Ю.Юдин и А.Козырев, которые предложили и реализовали совершенно новую для нас концепцию аппаратной части системы сбора данных, которая сменила сослуживший добрую службу стандарт "КЛЮКВА". Не могу не отметить их в огромной степени гибкую и удобную реализацию чтения "новой" электроники. Также хочу поблагодарить А.Талышева, тесное сотрудничество с которыми обеспечило быстрый запуск и доводку триггерной части электроники системы сбора данных. И, конечно, благодарю остальных членов электронной команды, без чьего участия электроника детектора КМД-3 была бы невозможна.

Конечно же выражаю огромную благодарность всем членам команды "Дрейфовой камеры" Д.Горбачеву, И.Игнатову, А. Каравдиной, А.Сибиданову, Б. Хазину без интеллекта, программ и рук которых ничего нельзя было бы сделать.

Я признателен компьютерной команде под руководством И. Логашенко за удобную реализацию программы чтения данных, и за постоянную помощь в написание большого количества других необходимых програм.

Так же нельзя не вспомнить Игоря Снопкова и Владимира Титова - людей, которых с нами уже нет, но которыми были решены многие инженерные и технические проблемы, а все "ювелирные" работы были выполнены на высочайшем уровне в сложнейших условиях.

Кроме этого, я признателен коллективу ВЭПП-2М и команде КМД-2, благодаря которым функционировал ускорительный комплекс и детектор, где была набрана статистика для анализа событий 5тг.

Глава 7

Заключение

1. В. В. Анашин, И. Б. Вассермаи, В. Г. Вегцеревич и др., Электрон-позитронный накопитель-охладитель ВЭП, Препринт ИЯФ 84-114, Новосибирск, 1984.

2. Е. V. Anashkin, V. М. Aulchenko, S. Е. Baru et al., General purpose Cryogenic Magnetic Detector CMD-2 for Experiments at The VEPP-2M Collider, ICFA Instrumentation Bulletin, 1988, v.5 p.18.

3. M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, S. E. Baru et al., Spherical neutral detector for VEPP-2M collider, Nucl. Instrum. Meth. A 449, 125 (2000)

4. Г. А. Аксенов, В. M. Аульченко, JI. М. Барков и др., Проект детектора КМД-2, Препринт ИЯФ 85-118, Новосибирск, 1985.

5. Е. V. Anashkin, V. М. Aulchenko, ., F. V. Ignatov et al., The CMD-2 cryogenic magnetic detector, Instrum. Exp. Tech. 49 (2006) 798

6. V. V. Anashin, I. B. Vasserman, Y. G. Vescherevich et al., The 75-Kg Superconducting Wiggler Magnet For The Electron Positron Storage Ring VEPP-2M, Novosibirsk Inst. Nucl. Phys. Acad. Sci. 84-123, 1984. Prib. Tekh. Eksp. 49 (2006) 63].

7. L.M.Barkov, V.S.Okhapkin, S.G.Pivovarov et al, The magnetic system of the CMD-2 detector., Proc. of the 5th Int. Conf. on Instrumentation for Colliding Beam Physics, March 1990, Novosibirsk.8. D76 092005 2007

8. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin,.,A.S.Popov et al, "Status ofexperiments and recent results from CMD-2 detector at VEPP-2M." Nucl.Phys.A675:424C-431C,2000.

9. R.R. Akhmetshin, E.V. Anashkin,.,A.S.Popov et al., "Study of the process e+ e- —> pi+ pi- pi+ pi- piO with CMD-2 detector." Phys.Lett.B489:125-130,2000.

10. V.M. Aulchenko, R.R. Akhmetshin,. .„A.S.Popov et al., "CMD-2M Detector Project." BUDKER-INP-2001-45, 2001. 57pp.

11. F. Grancagnolo, G. Fiore,. S.Popov et al, "Drift chamber for the CMD-3 detector." Nucl.Instrum.Meth.A598:105-106,2009.

12. L.M.Barkov, N.S.Bashtovoy, S.V.Karpov et al., Superconducting rectifier fluxpump for magnet system of the CMD-2 detector., IEEE Trans, on Applied Superconductivity, v.9 (1999) 4585.

13. D. V. Chernyak,., A.S.Popov et al., The performance of the drift chamber for the CMD-2 detector, Nucl. Instrum. Meth. A 419, 370 (1998).

14. Ф.В.Игнатов, П.А.Лукин, А.С.Попов и др., Дрейфовая камера КМД-2., Препринт ИЯФ 99-64, Новосибирск, 1999.

15. В.М.Аульченко, Б.О.Вайбусинов, В.М.Титов, Информационные платы ТП, AT и Т2А системы сбора данных КЛЮКВА., Препринт ИЯФ 8822, Новосибирск, 1988.

16. Э.В. Анашкин, Z-камера детектора КМД-2, ИЯФ 99-84, Новосибирск, 1999.

17. А.С.Кузьмин, Изучение процесса е+е~ —> 37Г в области энергий 0-мезона с детектором КМД-2, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, ИЯФ СО РАН, 1998.

18. В.М.Аульченко, Л.А.Леонтьев, Ю.В.Усов, Информационная плата А32 системы сбора данных КЛЮКВА., Препринт ИЯФ 88-30, Новосибирск, 1988.

19. D.N.Grigoriev, R.R.Akhmetshin, V.P.Smakhtin et al., IEEE Trans.Nuc.Sci., v.42 (1995) 505.

20. V.M.Aulchenko, B.O.Baibusinov, A.G.Chilingarov et al., Muon system based on streamer tubes with time-difference readout., Nucl. Instr. and Meth. A 265 (1988) 137.

21. B.M. Аульченко, Г.С.Пискунов, Е.П.Солодов, В.М.Титов, Трековый процессор для КМД-2., препринт ИЯФ 88-43, Новосибирск, 1998.23. И.Лабутин

22. Разработка программного обеспечения системы сбора данных детектора КМДЗ"1. Дипломная работа 2007 г.

23. В.М.Аульченко, Б.О.Байбусинов, А.Е.Бондарь и др., Электроника калориметра КМД-2., Препринт ИЯФ 92-28, Новосибирск, 1992.

24. S.Godfrey,J.Napolitano Submitted to Review of Modern Phisics November 12, 1988.hep-ph/9811410 19Nov 1998

25. Barger V., at al., New evaluation of muon (g-2) hadronic anomaly Phys. Lett., 60B (1975) 89-92

26. R.M.Carey et al. New measurement of the anomalous magnetic moment of the positive muon

27. Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 1632 1635.

28. D.H.Brown Measurement of the three pion production in electoron-positron annihilations for the hadronic contribution to the anomalious magnetic moment of the muon,

29. Boston university, PhD thesises, 1998.

30. Э.В.Анашкин, и др. Моделирование детектора КМД-2.

31. R.R. Akhmetshin,.A.S.Popov et al.,a(l)(1260) pi dominance in the process e+ е- —> 4 pi at energies 1.05-GeV 1.38-GeV.

32. Phys.Lett.B466:392-402,1999.

33. E.A. Кураев и B.C. Фадин, Радиационные поправки к сечению однофо-тонной аннигиляции е+е~ пары блыпой энергии, ЯФ, 41, вып.З, 1985, с. 733. Препринт ИЯФ 99-1, Новосибирск, 1999.

34. A.Antonelli et al., Phys.Lett. 212В (1988) 133.

35. S.I.Dolinsky et al., Phys.Reports 202 (1991) 99.

36. A.Antonelli et al., Z.Phys.C Particles and Fields 56 (1992) 15.

37. R.R. Akhmetshin,.,A.S.Popov et AL,

38. Total cross section of the process e+ e--> pi+ pi- pi-)- pi- in the С.M.energy range 980-MeV to 1380-MeV. Phys.Lett.B595:101-108,2004.

39. L.M.Barkov et al., Proc. of the IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco (1991), p. 183.

40. V.V.Danilov et al., Proc of the Asian Particle Accelerator Conference, Tsukuba (1998), p.257.

41. M.Davier et al. Réévaluation of the hadronic contribution to the muon magnetic anomaly using new e+e~ —» 7г+7г~ cross section data from BABAR http://arxiv.org/pdf/0908.4300

42. H.N.Brown et al., Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 2227.

43. G.W. Bennett, B. Bousquet, H.N. Brown et al, Final report of the E821 muon anomalous magnetic moment measurement at BNL, Phys. Rev. D 73, 2006, p. 1.

44. M. Davier, S. Eidelman, A. Hocker and Z. Zhang, Updated estimate of the muon magnetic moment using revised results from e+e~ annihilation, Eur. Phys. J. C31, 2003, p. 503.

45. S.Eidelman and F.Jegerlehner, Z. Phys. C67 (1995) 585.

46. Y.S.Tsai, Phys. Rev. D4 (1971) 2821.

47. F.J.Gilman and S.H.Rhie, Phys. Rev. D31 (1985) 1066.

48. R.Barate et al., Z. Phys. C76 (1997) 15.

49. K.Ackerstaff et al., Eur. Phys. J. C7 (1999) 571.

50. M.A.Shifman, A.I.Vainshtein, V.I.Zakharov, Nucl. Phys. B147 (1979) 385.

51. S.I.Eidelman, L.M.Kurdadze, A.I.Vainshtein, Phys. Lett. 82B (1979) 278.

52. S.Eidelman et al., Phys. Lett. B454 (1999) 369,

53. F.Close and P.Page, Nucl. Phys. B443 (1995) 233.

54. D.A. Drozhzhin,., A.S. Popov,et al, Current status of the CMD-3 time-offlight system.

55. Nucl.Instrum.Meth.A598:203-204,2009.

56. R.Veenhof, GARFIELD Manual, CERN, 1990.

57. R. Veenhof, Nucl.Instr.&Meth. bf A419 (1998) 726.

58. B.E. Блинов, И.Н. Попков, А.И. Юшков Исследование Радиационного старения проволочных камер. Препринт ИЯФ 2001-52

59. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Volume 274,'Issues 1-2, 1 January 1989, Pages 189-193

60. Bernhard Schmidt Recommendations for building and testing the next generation of gaseous detectorshttp : //www.desy.de/agingworkshop/preprints/pdf / schmidt englishandref.

61. R.Bouclier et al, NIMA346(1994)114 , http://www.inp.nsk.su/events/confs/inst57. http://www.z88.de/

62. Д.Горбачев,.,А.Попов и др. меморандум: Прототип дрейфовой камеры детектора КМД-3 гл.10

63. А.В.Каравдина, Восстановление треков заряженных частиц в детекторе КМД-3. Квалификационная работа на соискание степени бакалавра, Новосибирск, 2007.

64. R. Veenhof, Garfield, a drift-chamber simulation programm. Users guide, Version 5.13, Cern Program Library entry W5050, 1995.

65. B. Sitar et al., Ionization measurements in high energy physics. SpringerVerlag, 1993.

66. JLC Physics Group, Introduction to Helical Track Manipulations. KEK, Japan, 1998.http://www-jlc.kek.jp/subg/offl/lib/docs/helixmanip/main.html