Изучение распадов Φ → ηγ , π 0 γ с детектором СНД на ВЭПП-2М тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

2 Радиационные распады легких векторных мезонов

3 Эксперимент.

3.1 Накопитель ВЭПП-2М

3.2 Сферический Нейтральный Детектор.

3.3 Калориметр детектора СНД.

3.4 Система сбора данных СНД.

3.5 Проведение эксперимента.

4 Реконструкция и анализ событий

4.1 Реконструкция фотонов.

4.2 Кинематическая реконструкция.

4.3 Отбор трехфотонных событий.

4.4 Выделение г)гу и 7Г°7 событий.

4.5 Моделирование.

5 Определение сечений процессов

5.1 Параметры сечений.

5.2 Определение эффективности регистрации.

5.3 Вычисление радиационных поправок

5.4 Фитирование экспериментальных данных

5.4.1 Модель доминантности векторных мезонов

5.4.2 Аномальный вклад.

5.4.3 Везмодельный подход.

6 Обсуждение результатов

Изучение радиационных распадов легких векторных мезонов (р,ш,ф) в е+е~ столкновениях играет важную роль в понимании электромагнитной структуры состояний кварк-антикварк и низкоэнергетического поведения сильных взаимодействий [1]. Существует несколько разновидностей теоретических моделей, целью которых является описание электромагнитных процессов с участием адронов в области энергий до 1-2 ГэВ [2, 3, 4, 5], а также описание процессов адронизации в е+е~ столкновениях [6, 7, 8, 9]. Подходы, используемые в различных моделях, приводят к небольшому различию в предсказаниях этих моделей относительно вероятностей радиационных распадов. Детальное экспериментальное исследование радиационных распадов может обеспечить проверку адекватности предлагаемых моделей, а также определить величины параметров используемых, но не предсказываемых в рамках этих моделей.

Эксперименты с использованием встречных е+е~ пучков, благодаря высокой монохроматичности пучков, стабильности энергии и низкому уровню фона, являются наиболее подходящим инструментом для изучения радиационных распадов легких векторных мезонов. К сожалению, малая статистика, накопленная в таких экспериментах до сегодняшнего дня, не позволяет использовать все положительные качества метода встречных пучков. Так, относительная точность измерения вероятности распада Вг(^> —> 7г°7), достигнутая в эксперименте НД [10], составляет всего 10%, и определяется сравнительно невысокой накопленной статистикой, благодаря подавлению данного процесса по правилу 021.

С началом работы экспериментов СНД [11] и КМД-2 [12] на накопительном комплексе ВЭПП-2М [13] появилась новая возможность увеличить экспериментальную статистику и улучшить точность наблюдаемых результатов, которая обеспечивается более высокой светимостью и улучшенной, по сравнению с предыдущим поколением экспериментов, конструкцией детекторов, обеспечивающей более высокие характеристики. Начинающиеся эксперименты с детектором КЬОЕ [14] во Фраскати также позволят повысить зарегистрированную статистику для распадов ф мезона.

Радиационные распады ф мезона на' фотон и псевдоскалярный мезон представляют интерес для изучения кварковой структуры легких векторных и псевдоскалярных кварк-антикварковых состояний. Спектр вопросов, которые могут быть исследованы при увеличении точности измерений, включает в себя нарушение 8и(3) симметрии, ф-ш смешивание, механизмы адронизации в е+е~ столкновениях, проверку КХД, и другие.

Данная работа посвящена экспериментальному изучению процессов е+е~ —> 777, е+е~ —> 7г°7 в области энергий 980-1040 МэВ в трехфотонном конечном состоянии, и радиационных распадов ф 777, 7г°7, выполненных в эксперименте с детектором СНД. В работе проведено сравнение полученных экспериментальных данных с различными теоретическими моделями, изучено влияние систематических и модельных неопределенностей на полученный результат.

Основное содержание диссертации изложено в работах [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25]. Материалы диссертации докладывались на международном рабочем совещании по е+е~ столкновениям от ф до ,7/Ф в Новосибирске в 1999 году [26], на международной конференции по спектроскопии адронов в Брукхевене в 1997 году [27] и в Пекине в 1999 году [28], на международном рабочем совещании по спектроскопии адронов во Фраскати в 1999 году, на семинарах экспериментальных лабораторий ИЯФ СО РАН и опубликованы в международных научных журналах и препринтах ИЯФ.

7 Заключение

В представленной работе получены следующие основные результаты:

1. Создан калориметр детектора СНД, состоящий из 1632 кристаллов NaI(Tl). Сферическая форма калориметра обеспечивает высокую однородность разрешения по телесному углу. Калориметр обладает высоким энергетическим и угловым разрешением, оптимальным для изучения процессов с фотонами в конечном состоянии в области энергий накопителя ВЭПП-2М.

2. Создана система обмена информацией между процессами, составляющими систему сбора данных СНД. Система обмена информацией специально оптимизирована для быстрого доступа на локальном компьютере и при сетевом доступе, что обеспечивает эффективную работу всей системы сбора данных.

3. Разработана процедура кинематического фитирования реконструированных частиц для эксперимента ВаВаг, которая позволяет существенно улучшать разрешение измеренных параметров частиц, а также проверять соответствие выбранной гипотезы наблюдаемым величинам. Опыт разработки процедуры фитирования применен на СНД.

4. Разработан метод выделения 777 и 7г°7 событий на основе процедуры кинематического фитирования, обеспечивающий низкий уровень систематических ошибок.

5. С использованием полного моделирования детектора СНД была детально изучена зависимость эффективности регистрации от различных критериев отбора для исследуемых и фоновых процессов.

6. Разработана универсальная программа определения параметров сечений процессов, определяющих их энергетическую зависимость, на основе наблюдаемого

-66 количества событий в различных энергетических точках. На основе отобранных событий были получены параметры, определяющие энергетическое поведение сечения процессов е+е~ —> 777 и е+е~ —> 7г°7 вблизи максимума ф мезона для различных моделей.

7. Исследована модельная зависимость величин, получаемых при фитировании экспериментальных данных, на примере нескольких феноменологических моделей описания адронного рождения в электрон-позитронных столкновениях. Показана необходимость более детального изучения сечений процессов вне максимума резонанса для возможности выбора между различными феноменологическими моделями. В рамках модели векторной доминантности получены значения относительных ширин распадов ф мезона:

Вх(ф 777) = (1.338 ±0.012 ±0.052)%, Вг(ф тг°7) = (1.226 ± 0.0361|Ж) х ИГ3,

-з которые являются наиболее точными измерениями на настоящее время.

1. L.G. Landsberg. Electromagnetic decays of light mesons. Phys. Rep., 128:301-376, 1985.

2. P.J. O'Donnel. Radiative decays of mesons. Rev. Mod. Phys., 53:673, 1981.

3. H.B.O'Connel, B.C.Pearce, A.W.Thomas, and A.G.Williams. Rho-omega mixing, vector meson dominance and the pion form-factor. Prog. Part. Nucl. Phys., 39:201252, 1997.

4. A.Bramon et al. Vector meson decays in effective chiral lagrangians. In The Second DAQNE Physics Handbook. INFN, Rome, May 1995.

5. A.Bramon, A.Grau, and G.Pancheri. Radiative vector meson decays in SU(3) broken effective chiral lagrangians. Phys. Lett. B, 344:240-244,1995.

6. M.Benayoun, S.I.Eidelman, and V.N.Ivanchenko. A search for anomalous contribution in e+e~ 7г0/т77 annihilations. Z. Phys., С 72:221-230, 1996.

7. N.N.Achasov, A.A.Kozhevnikov, M.S.Dubrovin, et al. A fresh look at ф-ш mixing. Int. Jour, of Mod. Phys. A, 7(14):3187-3201, 1992.

8. M. Benayoun, M.Feindt, M.Girone, et al. Experimental evidence for the box anomaly in rj/eta' decays and the electric charge of quarks. Z. Phys., С 58:31-53, 1993.

9. M. Benayoun, S.Eidelman, K.Maltman, et al. New results in p° meson physics. Eur. Phys. J., С 2:269-286, 1998.

10. S.I.Dolinsky, V.P.Druzhinin, M.S.Dubrovin, et al. Summary of experiments with the Neutral Detector at e+e~ storage ring VEPP-2M. Phys. Rep., 202(3):99-l70, 1991.

11. V. Aulchenko et al. SND — detector for VEPP-2M and ^-factory. In Proceedings of the Workshop on Physics and Detectors for DAQNE, page 605, Frascati, April 1991. INFN.

12. E.V. Anashkin et al. General purpose cryogenic magnetic detector CMD-2 for experiments at the VEPP-2M collider. ICFA Instr. Bull, 5:18-20, 1988.

13. Г.М.Тумайкин. Электрон-позитронный накопитель с высокой светимостью ВЭПП-2М. In Труды 10-ой международной конференции по ускорителям заряженных частиц высокой энергии, volume 1, pages 443-447. Серпухов, 1997.

14. J. Lee-Franzini. Status report on KLOE. In R. Baldini et al., editors, Workshop on Phys. and Detec. for DAQNE, pages 31-54, Frascati, 1995. INFN-LNF.

15. M.N.Achasov, A.V.Berdyugin, A.V.Bozhenok, et al. Experimental study of the processes e+e~ —^ ф —y Tj'j, 7T°7 at VEPP-2M. Preprint 99-39, BINP, Novosibirsk, 1999. to be published in Eur. Phys. Jour. C.

16. I.A.Gaponenko and A.A.Salnikov. Information management system for SND experiment. Preprint 98-39, BINP, Novosibirsk, 1998.

17. А.Д.Букин, С.И.Долинский, and В.П.Дружинин и др. Калориметр Сферического Нейтрального Детектора. Ядерная Физика, 56(11):75-78, 1993.

18. V.V. Anashin, P.M. Beshchastnov, V.B. Golubev, et al. Photomultipliers with microchannel plates. Nucí Inst, and Meth., A357:103-109, 1995.

19. V.M.Aulchenko, M.N.Achasov, T.V.Baier, et al. Beginning of the experiments with SND detector at e+e- collider VEPP-2M. Preprint 95-56, BINP, Novosibirsk, 1995.

20. M.N.Achasov, M.G.Beck, P.M.Beschastnov, et al. Status of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk. Preprint 96-47, BINP, Novosibirsk, 1996.

21. M.N.Achasov, A.D.Bukin, D.A.Bukin, et al. Absolute energy calibration of the SND detector calorimeter by cosmic muons. Nucl. Instr. and Meth., A 379:505-506, 1996. Proc. of the 6th Inter. Conf. INST96, Novosibirsk.

22. D.A.Bukin, T.V.Dimova, V.P.Druzhinin, et al. Data acquisition system of SND experiment. In Inter, conf. on Сотр. in High Energy Phys., Berlin, April 1997.

23. M.N.Achasov, M.G.Beck, K.I.Beloborodov, et al. First physical results from SND detector at VEPP-2M. Preprint 97-78, BINP, Novosibirsk, 1997.

24. A.D.Bukin, D.A.Bukin, S.V.Burdin, et al. Experiment at VEPP-2M with SND detector. Preprint 98-65, BINP, Novosibirsk, 1998.

25. В.М.Аульченко, М.Н.Ачасов, and С.Е.Бару и др. Сферический нейтральный детектор (СНД) для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М. Препринт 99-16, ИЯФ, Новосибирск, 1999.

26. M.N.Achasov, A.V.Berdyugin, A.V.Bozhenok, et al. Measurements of the decays ф —У rjj, 7T°7, r}tj at SND. In The Inter. Workshop on e+e~ Collis. from ф to J/ф, Novosibirsk, MArch 1999. BINP.

27. M.N.Achasov, K.I.Beloborodov, A.V.Berdyugin, et al. Experiments with the SND detector at the e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk. In Inter. Conf. on Hadron Spectr. (HADRON97). BNL, August 1997.

28. M.N.Achasov, S.E.Baru, K.I.Beloborodov, et al. Radiative decays of light vector mesons. In 8th Inter. Conf. on Hadron Spectr. (HADRON99), Beijing, August 1999.

29. Р. Фейнман. Взаимодействие фотонов с адронами. Издательство "Мир", Москва, 1975. R. Feynman, Photon-hadron interactions, W.A.Benjamin, Inc., 1972.

30. F.Klingl, N.Kaiser, and W.Weise. Effective lagrangian approach to vector mesons, their structure and decays. Zeit. Phys. A, 356:193-206, 1996.

31. G.Morpurgo. General parametrization of the и —> ]ry meson decays. Phys. Rev. D, 42(5), 1990.

32. G.Dillon and G.Morpurgo. QCD parametrization of pj, ooj and фу couplings. Z. Phys., С 64:467-473, 1994.

33. M.Bando, T.Kugo, S.Uehara, et al. Is the p meson a dynamical guage boson of hidden local symmetry? Phys. Rev. Lett., 54(12):1215-1218, March 1985.

34. A.Bramon and M.D.Scadron. Breaking of SU(3) in vector-meson radiative decays. Phys. Rev., D40:3779-3781, 1989.

35. P. Singer and G. A. Miller. Radiative meson decay in the cloudy bag model. Phys. Rev., D33:141, 1986.

36. M. Benayoun, L.DelBuono, S.Eidelnam, et al. Radiative decays, nonet symmetry and SU(3) breaking. Phys. Rev., D59:114027, 1999.

37. N. Isgur. Comment on the magnetic dipole decays of mesons. Phys. Rev. Lett., 36:1262, 1976.

38. D. A. Geffen and W. Wilson. Magnetic properties of the low lying hadrons. Phys. Rev. Lett., 44:370, 1980.

39. T. Ohshima. Reexamination of radiative decays of vector mesons. Phys. Rev., D22:707, 1980.

40. M.Hashimoto. Isospin breaking effects in the anomalous processes with vector mesons. Phys. Lett., B381:465-469, 1996.

41. Particle Data Group. Review of particle physics. Eur. Phys. J. С, 3, 1998.

42. D.A.Bukin, V.P.Druzhinin, V.B.Golubev, and S.I.Serednyakov. Scintillation counter with WLS fiber readout. Nucl. Instr. and Meth., A 384:360, 1997.

43. P. M. Beschastnov et al. The results of vacuum phototriodes tests. Nucl. Instr. Meth., A342:477, 1994.

44. A. V. Bozhenok, V. N. Ivanchenko, and Z. K. Silagadze. Transverse energy profile of electromagnetic shower. Nucl. Instrum. Meth., A379:507, 1996.

45. V. M. Aulchenko et al. Data acquisition systems and triggers for the detectors in INP. Nucl. Instrum. Meth., A409:639, 1998.

46. Д.А.Букин и др. Первичный триггер детектора СНД на ВЭПП-2М. Препринт 98-29, ИЯФ, Новосибирск, 1998.

47. В.Н.Иванченко. СОСНА пакет программ для структурирования экспериментальных данных. Препринт 94-25, ИЯФ, Новосибирск, 1994.

48. А.А.Король. Архив экспериментальных данных. Препринт 94-62, ИЯФ, Новосибирск, 1994.

49. M.G. Bekishev and V.N. Ivanchenko. A method of electromagnetic shower identification and measuring of its position in segmented calorimeters. Nucl. Instr. and Meth. A, 361:138-148, 1995.

50. В.Н.Иванченко. Нейтральные радиационные распады легких векторных мезонов. Диссертация на соиск. уч. степ. докт. физ.-мат. наук, Новосибирск, 1997.

51. G. E. Forden and D. H. Saxon. Improving vertex position determination using a kinematic fit. Nucl. Instr. Meth., A248:439, 1986.

52. W.Eadie et al. Statistical methods in experimental physics. North-Holland Publ. Comp., CERN, Geneva, 1971.

53. R. Jacobsen. Beta: a high level toolkit for BaBar physics analysis. In Computing in High-energy Physics (CHEP 97), Berlin, Germany, April 1997.

54. G. Wormser. BaBar, an ambitious detector for CP violation measurements at PEP-II beauty factory. In International Europhysics Conference on High-Energy Physics (HEP 97), Jerusalem, Israel, August 1997.

55. F. James and M. Roos. 'MINUIT' a system for function minimization and analysis of the parameter errors and correlations. Comput. Phys. Commun., 10:343, 1975.

56. A.D.Bukin, N.A.Grozina, M.S.Dubrovin, et al. UNIMOD2 universal code for simulation of e+e~ colliding beam experiments. Preprint BINP 90-93, Novosibirsk, 1990. In Proc. MC91: Detec. and Event Simul. in HEP, Amsterdam 1991.

57. B.V. Geshkenbein and M.V. Terentyev. The processes e+e~ —» 37 at high energies. Jour, of Nucl Phys., 8:550, 1968.

58. E. A. Kuraev and V. S. Fadin. On radiative corrections to e+e~ single photon annihilation at high energy. Sov. J. Nucl. Phys., 41:466-472, 1985.-73

59. R.R. Akhmetshin et al. Study of dynamics of ф 7Г+ рг~7г° decay with CMD-2 detector. Phys. Lett. B, 434:426-436, 1998.

60. M.N. Achasov, S.E.Baru, A.V.Berdyugin, et al. Experimental study of the decay ф ->■ rn in multi-photon final state. JETP Lett, 68:573-575, 1998.

61. R.R. Akhmetshin et al. Measurement of ф meson parameters with CMD-2 detector at VEPP-2M collider. Phys. Lett. B, 364:199-206, 1995.

62. L.M. Kurdadze et al. Relative probability for the decay ф щ. JETP Lett., 38:366, 1983.

63. D.E. Andrews et al. 777 decays of p°, w, and ф mesons. Phys. Rev. Lett., 38:198-201, 1977.

64. G. Cosme et al. New measurements of the radiative decay modes of the (/»-meson. Phys. Lett. B, 63:352-356, 1976.