Изучение радиационных распадов ø → ηγ и ø → η 'γ с детектором КМД-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

Пурлац Татьяна Аркадьевна

Изучение радиационных распадов ф —у 777 и ф —у г]'7 с детектором КМД-2

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель: кандидат физико - математических

^^ наук, А.Е. Бондарь

НОВОСИБИРСК - 1999

Содержание

1 Введение 5

2 Ускорительный комплекс ВЭПП-2М и детектор КМД-2 7

2.1 Дрейфовая камера..................................................................9

2.2 Z-камера ......................................10

2.3 Цилиндрический калориметр на основе кристаллов;*;Isl ...........11

2.4 Торцевой калориметр на основе кристаллов Г.л.............11

2.5 Пробежная система................................12

2.6 Система запуска детектора............................12

2.7 Система сбора данных ..............................13

2.8 Программа реконструкции событий.......................14

2.8.1 Реконструкция траектории заряженных частиц в координатной системе ....................................14

2.8.2 Реконструкция фотонов в электромагнитном калориметре......15

2.8.3 Глобальная реконструкция события и запись информации......15

3 Моделирование детектора КМД-2 17

3.1 Основные принципы программы моделирования КМД-2...........18

3.2 Описание детектора КМД-2 в программе моделирования...........18

3.2.1 Вакуумная камера.............................19

3.2.2 Дрейфовая камера.............................19

3.2.3 Z-камера ..................................21

3.2.4 Цилиндрический калориметр на основе Csl ..............21

3.2.5 Торцевой калориметр на основе BGO..................22

3.2.6 Мюонная система.............................22

3.2.7 Пассивное вещество магнитной системы детектора..........23

3.3 Проведение частиц через детектор........................25

3.4 Структуры данных моделирования детектора КМД-2 ............26

3.5 Оцифровка данных систем детектора......................27

3.5.1 Дрейфовая камера.............................27

3.5.2 2-камера ..................................36

3.5.3 Калориметр Сз1 и ВвО..........................37

3.5.4 Мюонная система.............................37

3.5.5 Моделирование триггера детектора...................38

3.6 Сравнение моделирования с экспериментом ..................39

3.6.1 Эффективность и разрешение координатной части детектора .... 39

3.6.2 Сравнение энергетического и координатного разрешения в калориметре СвГ..................................42

3.6.3 Сравнение энерговыделения в калориметре для разных программ моделирования ядерного взаимодействия................44

4 Описание эксперимента 47

4.1 Общие характеристики набора экспериментальных данных.........47

4.2 Определение энергии пучка............................48

4.3 Определение светимости.............................48

4.4 Подход к анализу данных для процессов ф —У 777 и ф —> ........49

5 Выделение событий ф —> 777 с помощью метода полной кинематической реконструкции 51

5.1 Параметры кинематической реконструкции, ковариационная матрица и используемые соотношения............................51

5.2 События ф —> 777 —> 7г+7г~7г07 в кинематической реконструкции.....54

5.3 Моделирование процесса ф —>• 777 в канале г) —>■ 7Г+7Г~7Г°..........55

5.3.1 Моделирование параметров первичных частиц ............55

5.3.2 Сравнение моделирования процесса ф —> 777 —У 7Г+7Г_7Г°7 и эксперимента для параметров, определяемых в дрейфовой камере ... 57

5.3.3 Сравнение моделирования процесса ф —>• 777 —У 7г+7г-7г°7 и эксперимента для параметров фотонов...................58

5.4 Метод полной кинематической реконструкции для ф —У 777.........60

6 Изучение процесса ф —> 777 в канале 77 —>- 7г+7г-7г° 62

6.1 Общие кинематические характеристики распада ф —777, 77 —У 7г+тг_7г0. Параметр для выделения процесса........................62

6.2 Условия отбора...................................64

6.3 Распределение по параметру Источники фона..............67

6.3.1 Моделирование изучаемого и фоновых процессов...........68

6.3.2 Экспериментальные данные и доля вклада каждого процесса .... 69

6.4 Процедура определения количества событий ф —Г77 в канале г) —>

7Г+7Г~7Г°.......................................71

6.5 Параметризация сечения процесса ф —> 777 и результаты анализа.....74

6.6 Проверка устойчивости результата. Источники систематической ошибки. . 75

7 Измерение вероятности распада ф —> в канале г\' —> тг+7г~т], г/ —>• 77 77

7.1 Кинематические особенности распада ф —?7'7 в канале 7)' — 7г+7г~77, г] —>• 77.................................77

7.2 Отбор событий...................................78

7.3 Выделение событий ф —>• ^'7 ..........................81

7.3.1 Определение числа событий и вероятности распада ф —)■ ^'7 для отбора х2 < 5...............................82

7.3.2 Определение числа событий и вероятности распада ф —>• ^'7 для отбора х2 < 3...............................83

7.3.3 Эффективность для различных типов данных.............84

7.4 Источники фона..................................85

7.5 Систематическая ошибка и проверка устойчивости результата.......86

8 Обсуждение результатов 88

8.1 Результаты по изучению распада ф —> 777 ...................88

8.2 Результаты по изучению распада ф —» 7/7...................90

8.3 Результаты работы с точки зрения теории радиационных распадов .... 90

9 Заключение 93 Литература 94

Глава 1 Введение

С 1992 года в Институте ядерной физики им. Будкера ведутся эксперименты с Криогенным Магнитным Детектором (КМД-2 [1,2]) на накопителе со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2М [3] в области энергий от 360 до 1400 МэВ в системе центра масс.

Детектор КМД-2, подробно описанный в Главе 2 данной работы, содержит как магнитный спектрометр, позволяющий измерять импульсы заряженных частиц, так и электромагнитный калориметр, обеспечивающий регистрацию фотонов, измерение их энергий и углов с достаточно хорошей точностью.

Эксперименты, проводимые на детекторе, в первую очередь направлены на изучение свойств легких векторных мезонов: ф, р и и).

Чрезвычайно интересным с точки зрения проверки кварковой модели Эи(3) симметрии и модели векторной доминантности [4] является изучение радиационных переходов между векторными и псевдоскалярными мезонами. Последние годы научной общественностью активно обсуждались механизмы нарушения Эи(3), влияние аномалий, возможные примеси глюонных составляющих и т.п. [5-11]. Несмотря на многочисленные эксперименты, многие вопросы до сих пор остаются открытыми и требуют более точных измерений вероятностей распада. Радиационный магнитно-дипольный переход ф-мезона в г/-мезон уже изучался во многих экспериментах [12] на основе полностью нейтральных конечных состояний, когда г) распадается на 77 или Зл-0. Универсальность детектора КМД-2 позволяет измерить вероятность распада ^Ч-^в заряженно-нейтральном конечном состоянии: е+е~ —У ф —У 777 —У 7г+7г_7г°7, что и являлось одной из задач настоящей работы.

Редкий распад ф —> 7/7 в течении многих лет оставался единственным радиационным распадом, не измеренным экспериментально. В данной работе впервые произведено наблюдение событий этого распада и измерение его вероятности в канале е+е~ —уф—у т/'у —У 7г+7г—777 —У п+тт~п/гуу. Первые результаты опубликованы в [13].

В задачи автора входило создание и обеспечение работы универсальной программы моделирования детектора КМД-2 [14]. Программа полного моделирования детектора КМД-2 на основе пакета GEANT [15] описана в Главе 3 данной работы.

Основные характеристики эксперимента представлены в Главе 4.

В Главе 5 описан метод полной кинематической реконструкции событий, использующийся в дальнейшем анализе данных. Анализ экспериментальных данных и полученные физические результаты по изучению распада ф —)■ 777 описаны в Главе 6. Изучение распада ф —> 7/7 представлено в Главе 7.

В Главе 8 приведено обсуждение результатов, а перечень основных результатов, полученных в работе, представлен в Заключении.

Глава 2

Ускорительный комплекс ВЭПП-2М и детектор КМД-2

Эксперименты, описанные в данной работе, проводились на установке ВЭПП-2М со встречными е+е~ пучками. Ускорительно-накопительный комплекс, схема которого приведена на рисунке 2.1, состоит из инжектора, синхротрона, бустера и самого накопителя [3]. Инжектором комплекса является импульсный ускоритель электронов с максимальной энергией частиц 3 МэВ. Синхротрон Б-ЗМ ускоряет электроны до энергии 200 МэВ. В режиме накопления электронов пучок из Б-ЗМ перепускается в бустерный накопитель БЭП [16].

Позитроны, образующиеся в конверторе, собираются фокусирующей системой и накапливаются в БЭП. После накопления тока 10-20 мА пучок ускоряется до энергии эксперимента и перепускается в накопительное кольцо ВЭПП-2М. Затем цикл накопления повторяется для электронов.

Накопитель ВЭПП-2М представляет собой жесткофокусирующее кольцо с четырьмя прямолинейными промежутками (~200 см). В одном из промежутков находится

ши

СОИУЕКТСЖ

Рис. 2.1: Схема ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-2М.

ускоряющий резонатор на 200 МГц, в противоположном — сверхпроводящий Виглер-магнит ("змейка") [16], служащий для получения большей светимости за счет увеличения фазового объема пучка. В двух других промежутках установлены детекторы КМД-2 и СНД [17].

Рис. 2.2: Детектор КМД-2 в Я — (р и 2 проекциях. 1 — вакуумная камера; 2 — дрейфовая камера; 3 — 2-камера; 4 — основной сверхпроводящий соленоид; 5 — компенсирующий соленоид; 6 — торцевой калориметр на основе ВСО; 7 — цилиндрический калориметр на основе Се!; 8 — мюонная система; 9 — ярмо магнита; 10 — квадрупольные линзы.

Детектор КМД-2 — первый из заработавших на ВЭПП-2М универсальный детектор — позволяет регистрировать и измерять с высокой точностью параметры как заряженных частиц, так и фотонов. Схема детектора представлена на Рис. 2.2. Координаты, углы вылета и импульсы заряженных частиц измеряются координатной системой детектора, состоящей из дрейфовой (2) и 2-камер (3), расположенных в магнитном поле, создаваемым соленоидом (4). Цилиндрический (7) и торцевой (6) электромагнитные калориметры, изготовленные из сцинтилляционных кристаллов Сэ1 и ВСО, обеспечивают измерение энергии и углов фотонов, а так же позволяют разделять электроны и адроны. Пробежная система (8) служит для разделения мюонов и адронов.

Вакуумная камера в прямолинейном промежутке имеет диаметр 40 мм и длину 1 м. Для уменьшения многократного рассеяния ее центральная часть длиной 20 см изготовлена из бериллия толщиной 0,8 мм.

Магнитная система детектора состоит из основного и двух компенсирующих сверхпроводящих магнитов. Поскольку катушка основного магнита расположена непосред-

ственно перед цилиндрическим калориметром, ее конструкция оптимизировалась таким образом, чтобы толщина вещества катушки была минимальной. Использование нетрадиционного подхода позволило получить поле 10 -Ь 12 кГс при толщине катушки 0,38 радиационных длин.

2.1 Дрейфовая камера

Регистрация заряженных частиц осуществляется дрейфовой камерой [18], заполненной газовой смесью 80% аргона и 20% изобутана. Пролетающая через камеру заряженная частица ионизует вдоль своего трека газ, и образовавшиеся в результате ионизации электроны дрейфуют в электрическом поле, созданном полевыми проволочками и регистрируются сигнальными проволочками.

Камера состоит из трех слоев, разбитых на ячейки. В первом, внутреннем слое содержится 16 ячеек по 6 сигнальных проволочек в каждой. Второй слой имеет 32 ячейки по 7 проволочек, третий — 32 ячейки по 6 сигнальных проволочек (см. Рис.2.3). В общей сложности дрейфовая камера имеет 512 сигнальных проволочек.

Рис. 2.3: Расположение проволочек в ячейках дрейфовой камеры. Кружками обозначены положения полевых и потенциальных проволочек, косыми крестиками — положения сигнальных проволочек.

В постоянном продольном магнитном поле, в котором находится камера, дрейф электронов происходит под углом к плоскости проволочек. Этот угол между электрическим полем и направлением дрейфа электронов называется углом Лоренца и для условий дрейфовой камеры детектора КМД-2 имеет довольно большую величину, аь ~ 30°.

Сигнал с каждой проволочки снимается с обоих ее концов и после усиления поступает на плату Т2А [19], позволяющую измерять время прихода и амплитуды сигналов.

Зная расположение проволочек и распределение полей в камере, можно восстановить

координаты трека пролетевшей через камеру заряженной частицы. Координаты в

плоскости проволочек (X, У) определяются по номеру сработавшей проволочки и времени дрейфа. Координата Z (вдоль проволочки или, соответственно, вдоль направления пучков) определяется методом деления заряда. Кроме того, измерение амплитуды сигнала используется для идентификации частиц по величине ионизационных потерь йЕ/йх.

Координатное разрешение дрейфовой ка меры в плоскости II—(р составляет 250 мкм, а вдоль проволочки — 4 мм. Зависимость импульсного разрешения дрейфовой камеры от величины импульса показана на Рис. 2.4 [20], а разрешение по полярному и азимутальному углу трека составляет ид — 0, 02 и (Уц) — 0, 007 радиан соответственно.

2.2 Z-кaмepa

За дрейфовой камерой располагается двухслойная цилиндрическая пропорциональная 2-камера [21] со съемом информации с катодов и с анодов.

Z-кaмepa не только является координатным детектором, но также используется для формирования первичного заряженного триггера. С ее помощью осуществляется временная привязка события к моменту столкновения пучков. Период оборота пучков в ВЭПП-2М составляет 60 не, что определяет требования на временной разброс сигналов с 2-камеры. Для решения этой задачи в Z-кaмepe используется быстрая газовая смесь и маленькое расстояние между чувствительными проволочками. Для увеличения эффективности регистрации камера выполнена в виде двух независимых слоев. Каждый слой имеет 256 катодных полосок с независимым съемом сигналов и 704 чувствительных анодных проволочек.

Для уменьшения числа каналов электроники проволочки объединены в сектора по 22 штуки в каждом. Всего в слое имеется 32 сектора. Внешний слой сдвинут относительно внутреннего на половину ширины сектора. Сегментация Е-камеры в азимутальном направлении соответствует сегментации дрейфовой камеры, то есть 32 сектора в одном слое.

Камера продувается газовой смесью СТ^ — гС^Ню в соотношении 4:1.

5

\4.5

ь

4

3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5 О

100

.Л-""""

...................Ф'""". ......"Ф"""" .....т............

Ф

, , , . .11. ....

200

300

400

500 600 Р, МеУ

Рис. 2.4: Импульсное разрешение дрейфовой камеры.

Координатное разрешение 2-камеры составляет 250 мкм для нормально падающей частицы и ухудшается до 700 мкм при угле падения 45°. Временное разрешение для одного трека составляет 4,7 не.

2.3 Цилиндрический калориметр на основе кристаллов Св1

Цилиндрический калориметр [22] состоит из сцинтилляционных кристаллов Сз1(Т1) и СвДИа) размером 6 х 6 х 15 см3. Толщина калориметра для нормально падающей частицы составляет около 8 радиационных длин.

В калориметре Сз1 выделяется в среднем около 80 % энергии падающего фотона, а энергетическое и пространственное разрешение определяется флуктуациями утечек ливня и составляют соответственно сг^/Е = 8 -т-12 % и ах = 8 -г 12 мм в интересующем нас диапазоне энергий.

Цилиндрический калориметр состоит из восьми октантов. Каждый содержит семь линейных модулей (линеек), закрепленных на дюралевой плите. В октант входят 5 стандартных линеек и 2 линейки счетчиков специальной формы для того, чтобы обеспечить сопряжение октантов без зазоров. Линейки представляют собой 16 счетчиков Сб1 , закрепленных на стальной полосе толщиной 10 мм. Сцинтилляционный свет регистрируется с помощью фотоумножителей ФЭУ-60, подсоединенных к кристаллу небольшим световодом.

2.4 Торцевой калориметр на основе кристаллов ВСО

Торцевой калориметр [23] на основе кристаллов ортогерманата висмута В14СезОх2 (ВСО) состоит из двух идентичных торцов по обе стороны от места встречи. Каждый торец представляет собой плотно уложенную матрицу из 340 кристаллов ВСО. Размер кристалла 2, 5 х 2, 5 х 15 см3. Таким образом, толщина калориметра для нормально падающей частицы составляет 13,4 радиационных длин. Свет регистрируется при помощи фототриодов, способных работать в сильном продольном магнитном поле.

Энергетическое разрешение торцевого калориметра составляет сге/Е = 4, 6%/у£^ГэВ), а угловое — сг^ = 2 • 10-2/\/-Е(ГэВ) радиан.

2.5 Пробежная система

Пробежная система [1] служит для разделения пионов и мюонов. Она состоит из двух частей: внутренней и внешней. Обе части выполнены в виде восьми октантов, каждый из которых представляет собой блок стримерных трубок.

Каждая трубка блока стримерных труб представляет собой газовый детектор, работающий в ограниченном стримерном режиме. Катодом является тонкостенная (300 мкм) трубка из нержавеющей стали диаметром 20 мм для внутренней и 40 мм для внешней систем, а анодом — 100 мкм проволочка из золоченого молибдена. Координата вдоль трубки измеряется по разности времен прихода сигналов на концы проволочки. Точность измерения составляет около 2 см. Поперечная координата определяется по номеру сработавшей трубки.

2.6 Система запуска детектора

Важным элементом электроники детектора является система запуска, служащая для того, чтобы в течение 1,2 мкс принять решение о полезности события и инициировать оцифровку и считывание информации в ЭВМ.

Запуск детектора КМД-2 может вызываться сигналами "заряженного" и "нейтрального" триггера, вклю�