Изучение редких распадов Л с + бариона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

1 Введение

2 Адронные распады очарованных барионов

2.1 Классификация барионов.

2.2 История исследований адронных распадов Л+ бариона.

2.3 Вычисление В(А+ —» рф) с формфакторами из HQET

2.4 Распад Л+ —> в кварк-полюсной модели.

2.5 Распады Л+ в модели кварковых волновых функций.

3 Экспериментальная установка

3.1 Ускоритель КЕКВ.

3.2 Детектор BELLE.

3.2.1 Вершинный детектор.

3.2.2 Дрейфовая камера.

3.2.3 Аэрогелевый детектор черепковского излучения

3.2.4 Система измерения времени пролета частиц.

3.2.5 Электромагнитный калориметр.

3.2.6 Мюонная система.

3.2.7 К/тс идентификация.

3.2.8 Триггерная система.

3.2.9 Моделирование детектора

4 Анализ экспериментальных данных

4.1 Общие критерии отбора событий

4.2 Измерение вероятности распада А+ —У Е+-К"+7г~

4.3 Резонансный анализ распада А+ —»

4.4 Резонансный анализ распада А+ —> А°К°К+

4.5 Поиск распада А+ 3(1690)°К+, 2(1690) S--7T+.

4.6 Измерение вероятностей распадов Л+ —>• рК+К~ и рф.

4.7 Оценка систематических неопределенностей.

4.8 Обзор полученных результатов.

Исследование очарованных мезонов и барионов является одним из важнейших разделов физики элементарных частиц. За прошедшие годы по очарованным частицам собран огромный экспериментальный материал: открыты все основные состояния, предсказанные теорией, измерены параметры их рождения в различных взаимодействиях, массы, времена жизни, а также относительные вероятности большого количества каналов распада [1]. В теории также достигнут значительный прогресс. Разработаны модели, позволяющие дать согласованное описание экспериментально наблюдаемых явлений, а также количественные предсказания для еще не открытых распадов и их параметров. Однако все это в большей степени относится к очарованным мезонам, в то время как в барионном секторе согласие между теорией и экспериментом пока не достигнуто даже на качественном уровне. В частности, нет объяснения наблюдаемой иерархии времен жизни основных состояний очарованных барионов - Л+, Основной трудностью экспериментального изучения очарованных барионов, обусловившей значительно меньшую точность измерения их распадов по сравнению с очарованными мезонами, является малое сечение рождения. В большинстве экспериментов очарованные барионы рождаются на порядок реже, чем мезоны. Это обстоятельство долгое время препятствовало точному измерению параметров кабиббо-разрешенных каналов распада и не позволяло обнаружить кабиббо-подавленные каналы из-за недостатка статистики. Кроме того, точное измерение абсолютных вероятностей распадов затруднено из-за неопределенности полного сечения и параметров рождения очарованных барионов как в адронных взаимодействиях, так и в е+е~ аннигиляции [16]. Тем не менее, даже в условиях ограниченной точности экспериментальных измерений, появляется возможность тестирования различных теоретических подходов и моделей путем сравнения их предсказаний с экспериментальными данными. Долгое время предполагалось, что доминирующий вклад в распады очарованных барионов дают факторизуемые амплитуды. Эта гипотеза нашла блестящее подтверждение в экспериментальных данных по распадам очарованных мезонов, однако в барионном секторе, как оказалось, это предположение опровергается экспериментом. Ярким примером распада, описываемого не-факторизуемой амплитудой, является реакция Л+ —> Т,+ф. Этот процесс запрещен в спектаторной модели, однако измеренная вероятность распада весьма велика [16], что свидетельствует о значительной величине не-факторизуемой амплитуды (диаграммы с обменом виртуальным W-бозоном). Рассмотрение такого рода процессов в рамках различных моделей требует привлечения большого числа экспериментально измеряемых параметров, поэтому появление новых результатов по распадам очарованных барионов приводит к уточнению теоретических вычислений.

В основе работы лежат экспериментальные данные, получеши,ie на установке BELLE в 2000-2001 г.г. Детектор BELLE работает на асимметричном ускорителе е+е~ пучков КЕКВ в научно-исследовательском центре КЕК (г. Цукуба, Япония). Основной задачей в физической программе сотрудничества BELLE является измерение параметров СР-нарушения в распадах нейтральных В-мезонов, однако универсальный характер детектора позволяет производить исследования в широком спектре физических задач, включая изучение феноменологии очарованных частиц и, в частности, распады очарованных барионов. Уникальные характеристики детектора (возможность идентификации заряженных частиц в широком диапазоне энергий, прецизионное измерение импульсов треков и вторичных вершин распадов), в сочетании с рекордной статистикой (более 32 фб-1 интегральной светимости при суммарной энергии пучков около 10.5 ГэВ/с2) позволили провести подробный анализ нескольких кабиббо-подавленных и W-обменных распадов очарованного бариона А+. Некоторые из рассмотренных каналов распада наблюдаются впервые, другие являются значимыми уточнениями измерений, сделанных ранее.

Основные результаты диссертации опубликованы в работе [17]. а также в препринте КЕК-2001-137. Материалы, изложенные в диссертации, неоднократно докладывались на семинарах сотрудничества BELLE в научном центре КЕК, были представлены на международной конференции по физике высоких энергий НЕР 2001 в г. Будапеште (Венгрия) в июле-августе 2001 г., на международной конференции по адронным взаимодействиям HADRON 2001 в г. Протвино (Россия) в августе 2001 г., а также на совещании по перспективам исследования очарованных частиц в Кор-нельском университете (США) в мае 2001 г.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Во введении сформулирован предмет исследования, дано описание разделов диссертации. Первая Глава в основном посвящена теории. Здесь описывается классификация бариоиных состояний, обсуждается современное состояние теории распадов очарованных барионов, а также основные этапы истории их экспериментальных исследований. Рассмотрены некоторые модели, предложенные для описания относительных вероятностей наблюдаемых и еще неизвестных каналов распада. В конце Главы дается сводная таблица

Основные результаты, полученные в работе, представлены в Таблице 15.

Благодарности

Я глубоко благодарен член-корреспонденту РАН М. В. Данилову за многолетнее научное руководство, стимулирующие обсуждения, а также за предоставление условий для плодотворной научной работы.

Я хотел бы поблагодарить профессоров Ю. М. Зайцева и А. И. Голутвина за постоянное внимание и помощь в работе в течение многих лет.

Я искренне благодарен П. Н. Пахлову, Р. Н. Чистову и Р. В. Кагану за многочисленные полезные обсуждения, обмен ценным опытом и научное сотрудничество.

Я также хотел бы поблагодарить своих старших коллег - С. Я. Барсука, С. В. Семенова, И. М. Беляева, А. Г. Друцкого, И. Н. Тихомирова, В. В. Балагуру, И. Е. Королько, А. А. Ростовцева, Г. В. Пахлову, Ф. 3. Хасанова, Ю. С. Герштейна и Б. А. Фоминых за неоценимую поддержку и помощь с самого первого дня моей работы в ИТЭФ.

Мне особенно приятно поблагодарить моих коллег и друзей - Т. Г. Кварацхелия, И. А. Шушпанова, В. Ю. Егорычева, Д. В. Русинова, М. П. Титова, О. Б. Игонькину, Т. А.-Х. Аушева, Р. В. Мизюка и Д. В. Ливенцева за теплую и творческую атмосферу в нашем коллективе.

Я считаю своим долгом поблагодарить всех участников коллаборации BELLE, и в первую очередь, всех российских физиков, представленных не только ИТЭФ, но и ИЯФ СОАН (г. Новосибирск).

5 Заключение

Представленная диссертационная работа основывается на экспериментальных данных, полученных на установке BELLE (КЕК, Япония). В работе изучаются распады очарованного бариона Л*, подавленные по углу Кабиббо, а также Кабиббо-разрешенные процессы с обменом виртуальным W-бозоном. Перечень рассмотренных распадов включает в себя: в Л+ -)• Е+АГ+тг" в Л+ Е+К+К~:

- Л+ ^ Е+ф

- Л+ Н(1690)°^+, £(1690)° ->• Е+К~

- Л+ —> Е+К+К~ (не-резонансный вклад)

• Л+ -> Л°К°К+:

- Л+ -)• Н(1690)°К+, Н(1690)° Л°К°

• Л+ -»■ Е~К+7Г+:

- Л+ ->■ -(1690)°К+, Н(1690)° ->• Н-7Г+

• А+ рК+К~:

- Л+ -> рф

- Л+ ->■ рК+К- (без ф)

В работе были получены следующие результаты:

1. Разработана методика отбора событий, содержащих исследуемые распады, выбраны оптимальные кинематические ограничения и требования к идентификации частиц. Дополнительно изучены особенности идентификации протонов, а также возможности подавления фона при помощи требований на качество реконструкции и геометрические параметры вторичных вершин распадов гиперонов и К° мезонов.

2. По методу Монте Карло были определены эффективности регистрации и разрешение по инвариантной массе для изучавшихся процессов.

3. Произведено первое статистически значимое измерение кабиббо-подавленного распада А+ —> . Исследовано наличие возможных промежуточных резонансных состояний в данном распаде.

Исследуемый канал распада Л+ Нормировочный канал распада Л+ Измеренная относительная вероятность В/Вге/

Е+К+тг- Е+7г+7г 0.047 ±0.011 ±0.008

Е+К+К~ Е+тг+тг" 0.076 ±0.007 ±0.009

Е+ф Е+7г+7г~ 0.085 ±0.012 ±0.012

Е+К+К~ (non-res.) Е+тг+тг" < 0.018 @ 90% CL

Н(1690)К+, Е(1690) ->• Е+К~ Е+7г+7г 0.023 ±0.005 ±0.005

Е(Ш0)К+, Е(1690) ->• А°К° А°К°К+ 0.26 ±0.08 ±0.03

Е(1690) Е-7г+ Е+К~ < 0.19 @ 90% CL рК+К~ рК~тх+ 0.014 ± 0.002 ±0.002 рф рК~ 7г+ 0.015 ± 0.002 ±0.002 рК+К~ (поп-ф) рК~ 7г+ 0.007 ± 0.002 ±0.002

1. С. В. Семенов, "Физика очарованных адронов", УФН, т. 169, N9, 937 (1999)

2. Р. R. Burchat, "Review of Charm Physics", Preprint SCIPP-93-44, опубликовано в трудах конференции "Heavy Flavor Physics" (Монреаль, Канада, 1993 г.), стр. 39-58

3. D. G. Hitlin, "Weak decays of charm quarks: an experimental review", Preprint CALT-68-1463, опубликовано в трудах симпозиума по физике очарованных частиц (Пекин, Китай, 1987 г.), стр. 219-337

4. J. G. Körner, Н. W. Siebert, "Charm baryons: theory and experiment", обзор опубликован в Ann. Rev. Nucl. Part. Sei. 41 (1991) 511.

5. Y. Kohara, Nuovo Cim. Alll, 67-73, 1998;

6. К. K. Sharma, R. C. Verma, Phys. Rev. D55, 7067-7074, 1997; Q. P. Xu, A. N. Kamal, Phys. Rev D46, 270-278, 1992; Fayyazuddin, Riazuddin, Phys. Rev D55, 255-258, 1997; T. Uppal et ai, Phys. Rev. D49, 3417-3425, 1994.

7. P. Singer, D. X. Zhang, Phys. Rev D54, 1225-1228, 1996

8. L. Chau et al., Phys. Rev. D 54 (1996) 2132

9. J. Körner and M. Krämer, Z. Phys. С 55 (1992) 659

10. H. Y. Cheng, B. Tseng, Phys. Rev D46, 1042-1059, 1992

11. M. A. Ivanov et al., Phys. Rev. D57, 5632-5652, 1998

12. A. Datta, Preprint UH-511-824-95

13. S. Pakvasa et al., Phys. Rev. D42, 3746, 1990

14. P. Zenczykowski, Phys. Rev. D50, 402-411, 1994

15. P. Zenczykowski, Phys. Rev. D50, 5787-5792, 1994

16. B. Desplanques et al., Ann. Phys. (NY) 124, 449 (1980)

17. J. Körner et al., Phys. Lett. B78, 492 (1978)

18. J. Korner et al, Z. Phys C2, 117 (1979)

19. Particle Data Group, D. E. Groom et al, Eur. Phys. J. C15, 1-878, 2000

20. В соответствии с рекомендацией PDG, значение В(ф —» К+К~) взято из PDG 2001 off-year update.

21. К. Abe et al, BELLE-2001-17, KEK-2001-137 (26 October 2001) опубликовано в Phys. Lett. B524 (2002) 33-43.

22. E. G. Cazzoli et al., Phys. Rev. Lett. 34, 1125, 1975

23. M. Calicchio et al., Phys. Lett. B93, 521, 1980

24. M. Piccolo et al. (MARK I Collaboration), Phys. Rev. Lett. 39, 1503 (1977)

25. G. S. Abrams et al. (MARK II Collaboration), Phys. Rev. Lett. 44, 10 (1980);

26. J. M. Weiss, "Review of Charmed Baryons in e+e~ Annihilation" Presented at IVth International Conference on Baryon Resonances (Toronto, Canada, July 14-16, 1980)

27. Belle Collaboration, R. Abashian et al, KEK Progress Report 2000-4 (2000), to be published in Nucl. Instr. Meth. A

28. R. Brun et al, CERN-DD-78-2-REV

29. H. Hirano et al, Nucl. Instr. and Meth. A455 (2000) 294

30. T. Sumiyoshi et al, Nucl. Instr. and Meth. A433 (1999) 385

31. I. Adachi et al, Nucl. Instr. and Meth. A355 (1995) 390 S. K. Sahu et al, Nucl. Instr. and Meth. A382 (1996) 441

32. K. Abe et al, KEK progress report 96-1 1996

33. A. Abashian et al, Nucl. Instr. and Meth. A449 (2000) 112

34. T. Ijima et al, Belle Note 321 "Kaon identification in BELLE",

35. A. Kuzmin et al, Belle Note 308,

36. Energy calibration of the ECL with Bhabha events at BELLE"

37. S. Ushiroda et al, "Trigger summary of Experiments 07 13", Belle Notes 273, 280, 350, 381, 423

38. P. Avery et al (CLEO Collaboration), Phys. Lett. D43, 3599-3610, 1991

39. B.-S. Ann et al, Belle Note 112 "ECL cluster energy and angle correction"

40. C. Peterson et al, Phys. Rev. D27 105, 1983

41. P. Avery et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. D43, 3599-3610, 1991

42. См. например H. П. Бусленко и др., "Метод статистических испытаний (метод Монте Карло)", Москва, 1962

43. J. D. Jackson, Nuovo Cimento 34, 1644, 1964;

44. Г. И. Копылов, Основы кинематики резонансов, Москва, Наука, 1970

45. S. Barlag et al. (NA32 Collaboration), Phys. Lett. В 283 (1992) 465.

46. Y. Kubota et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 3255.

47. P. Avery et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 71, 2391-2395, 1993.

48. G. Boca (FOCUS Collaboration), "New results on charm decays and lifetimes at Fermilab experiment FOCUS". Доклад представлен на Европейской конференции по физике высоких энергий (Будапешт, Венгрия, 12-18 июля, 2001 г.)

49. С. Dionisi et al., Phys. Lett. В 80, 45 (1978)!

50. M. Adamovich et al. (WA89 Collaboration), Eur. Phys. J. C5 (1998) 621-624.

51. M. Jones et al, Nucl. Phys. B129 (1977) 45.

52. R. Ammar et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 74, 3534-3537, 1995.

53. R. T. Ross et al, Phys. Lett. B38 (1972) 177; E. Briefel et al, Phys. Rev. D16 (1977) 2706;

54. A. De Bellefon et al, Nuovo Cim. A28 (1975) 289

55. S. Barlag et al, Z. Phys. С 48, 29, 1990.

56. P. L. Frabetti et al, Phys. Lett. B314, 477, 1993.

57. J. P. Alexander et al, Phys. Rev. D53, 1039-1050, 1996.1. РОССИЙСКАЯ ГОСУГЛ '1. XI TN V . . Л V" " У Аfor- О OJ