Комптоновское рассеяние квазиреальных фотонов на электронах и позитронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЭЛЕКТР0Н-П03ИТР0ННЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ВЭПП-2М.

ГЛАВА 2. НЕЙТРАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР.

2.1 Конструкция нейтрального детектора.

2.2 Координатные камеры.II

2.3 Электроника нейтрального детектора.

2.4 Триггер.

2.5 Монитор светимости.

ГЛАВА 3. ЭКС5ПЕЙШЕНТ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ.

3.1 Эксперимент на ВЭПП-2М.

3.2 Обработка записанной информации.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ.

ГЛАВА 5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

НЕЙТРАЛЬНОГО ДЕТЕКТОРА.

ГЛАВА 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СВЕТИМОСТИ ПО КВАНТО

ВОЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ.

ГЛАВА 7. ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА ВКЭ.

ГЛАВА 8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

8.1 Отбор экспериментальных событий.

8.2 Сравнение характеристик ВКЭ с расчетом по КЭД.

ГЛАВА 9. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

9.1 Сравнение полного сечения и угловых распределений ВКЭ с расчетом по КЭД.

9.2 Процесс ВКЭ и проверка КЭД.

9.3 Поиск тяжелого электрона (ТЭ).

9.4 Сравнение сечений ВКЭ на электроне и позитроне.

Как известно, электромагнитное поле, создаваемое заряженной частицей, движущейся с ультрарелятивистской скоростью, описывается суммой эквивалентных квазиреальных фотонов [I]. Поэтому при столкновении двух таких частиц возможен процесс компто-новского рассеяния фотона электромагнитного поля одной из них на встречной частице. Настоящая работа посвящена изучению этого явления на встречных электрон-позитронных пучках накопителя ВЭПП-2М. Впервые процесс комптоновского рассеяния квазиреальных фотонов наблюдался в экспериментах на накопителе со встречными электрон-позитронными пучками АСО в 1973 г. [23 . В этой работе, при исследовании процесса е+е""-^ , было найдено 16 странных событий, в которых были зарегистрированы только некол-линеарные электрон и фотон, плоскость разлета которых, тем не менее, была практически компланарна с пучком. Эти события не могли быть объяснены конверсией одного из фотонов в веществе перед камерами. Явление было объяснено с помощью описанного выше механизма и названо виртуальным Комптон-эффектом (ВКЭ). В дальнейшем около 150 событий ВКЭ было зарегистрировано на АШЕ[3] .

Кинематика ВКЭ изображена на рис.1. Один из электронов излучает квазиреальный фотон, отклоняется на малый угол сх ^ 1 , где J - Лоренц-фактор начального электрона, и, вследствие этого, не попадает в телесный угол детектора. Излученный квазиреальный фотон сталкивается с другим электроном, частицы рассеиваются на большие углы и попадают в детектор. Поперечный импульс квазиреального фотона - порядка т/с, где т - масса электрона, поэтому угол между пучком и плоскостью разлета электрона и фотона мал. В то же время продольный импульс квазиреального фотона мо

Рис.1, pj - рц - импульсы начальных и конечных электронов и позитронов, к - импульс фотона, д(р - угол раскомпланарности.

Нейтральный, детектор

Рис.2. Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М. жет быть произвольным в пределах от EQ/c, где EQ - энергия пучка, до некоторого минимального значения, зависящего от телесного утла детектора (в противном случае конечные частицы не попадут в детектор). Поэтому угол расколлинеарности А 0 (рис.1) может быть большим,

Процесс ВКЭ часто не регистрируется в детекторах на встречных е+е~ пучках, так как условия запуска триггера в этих случаях требуют отсутствия заряженных частиц в нейтральных событиях и присутствия как минимум двух - в событиях с заряженными частицами. В настоящем эксперименте, проведенном на накопителе ВЭПП-2М в диапазоне энергии 2EQ = 1000 f 1048 МэВ с нейтральным детектором, было зарегистрировано около 10000 событий ВКЭ, что позволило изучить характеристики этого процесса в деталях. На основе полученных в работе экспериментальных данных было проведено сравнение полного видимого сечения и дифференциальных распределений с предсказаниями КЭД и получены ограничения на параметры нарушения КЭД Д+ в иной области, по сравнению с традиционными экспериментами по проверке КЭД в процессах е+е""-*- е+е~, е+е~—- , е+е~-^ у ^ . Было проведено сравнение ВКЭ на электроне и позитроне как по угловым распределениям, так и по полным видимым сечениям. Отсутствие статистически значимых различий свидетельствует о СРГ-инвариантности электромагнитных взаимодействий. Анализ наблюдаемого распределения по инвариантным массам системы е^ позволил понизить верхнюю границу константы связи гипотетического тяжелого или "возбужденного" электрона.

Основное содержание диссертации изложено в работах [7] , [9] , [25], [36], [37], [38]. Полученные результаты докладывались на семинарах Института, сессии Отделения ядерной физики АН СССР в Москве в 1984 году и на 22-ой Международной конференции по физике высоких энергий в Лейпциге в 1984 году.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим основные результаты, полученные в работе.

1. Создана система координатных камер нейтрального детектора, обеспечивающая угловое разрешение для заряженных частиц, равное, соответственно, 0.5 и 2.0 градуса для азимутального и полярного угла, и вероятность конверсии фотона, не превышающую 3%.

2. Проведен эксперимент на накопителе ВЭПП-2М по изучению процесса ВКЭ.

3. Реализовано измерение интегральной светимости по событиям процессов е+е" е+е~ и е+е" ^ ^ , зарегистрированных в детекторе, с систематической ошибкой, не превышающей 2%.

4. Разработана программа моделирования процесса ВКЭ в соответствии с точными квантовоэлектродинамическими формулами.

5. Проведено детальное исследование процесса ВКЭ с числом событий на два порядка большим, чем в предыдущих работах. Показано, что характеристики процесса полностью согласуются с КЭД.

6. Получены ограничения на параметры нарушения КЭД при положительных q2 электронного пропагатора: Д+ > 1.2 ГэВ и

А> 1.5 ГэВ.

7. Получены ограничения на величину константы связи тяжел 2 -Я лого электрона А ^ 3 f 5 • 10 в диапазоне масс от 0.5 до 0.9 ГэВ, что в 5-7 раз ниже значений, полученных в предыдущих работах.

8. Проведено сравнение комптоновского рассеяния квазиреальных фотонов на электроне и позитроне как по полным сечениям регистрации, так и по угловым распределениям. Отношение сечений составляет 0.99 + 0.02, а угловые распределения не имеют статистически значимых различий.

В заключение, автор выражает глубокую признательность своим коллегам по группе нейтрального детектора В.П.Дружинину, В.Н.Иванченко, А.Н.Перышкину, И.Ю.Редько за многолетнюю совместную работу, М.Д.Минакову, А.А.Живалеву и А.И.Романчуку за помощь в создании детектора, В.С.Фадину, Э.А.Кураеву и И.Б.Хрип-ловичу за полезные обсуждения. Автор благодарен Ю.М.Шатунову и всей группе ВЭПП-2М, без помощи которых проведение эксперимента не было бы возможным. Автор глубоко благодарен С.И.Середня-кову за руководство работой и своему первому научному наставнику В.Е.Панченко, у которого он многому научился в экспериментальной физике. Автору приятно выразить благодарность руководителям лаборатории В.А.Сидорову и А.Г.Хабахпашеву за постоянное внимание и поддержку данной работы.

1. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Релятивистская квантовая теория. 41. - М.: Наука, 1968. - 480 с.

2. Some experimental evidence of virtual Compton scattering obtained at 990 MeV with the Orsay storage ring / G.Cosme, B.Jean-Marie, S.Jullian et al. Lett. Nuovo Cim., 1973, vol. 8, No. 8, p. 509-512.

3. Electron-positron Bremsstrahlung at ADONE. A new limit for the existence of a heavy electron / C.Bacci, G.De Zorzi, G.Penso et al. Phys. Lett., 1977, vol. 71, No. 1,p. 227-230.

4. Тумайкин Г.М. Электрон-позитронный накопитель с высокой светимостью ВЭШ-2М. - В кн.: Труды X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, Протвино, 1977. Серпухов, 1977, т.1, с. 443-447.

5. Тумайкин Г.М. Электрон-позитронный накопитель ВЭПП-2М с высокой светимостью для экспериментов по физике высоких энергий: Дис. на соиск. учен, степени докт. физ.-эдат. наук. -Новосибирск, 1978.235 с.

6. The 75 kG superconducting Wiggler magnet for the electron-positron storage ring VEPP-2M / V.V.Anashin, I.B.Vasserman, A.M.Vlasov et al. Novosibirsk, 1984, -20p. -(Preprint INP 84-123).

7. Нейтральный детектор/В.М.Аульченко, А.Д.Букин, В.Б.Голубев и др. Новосибирск, 1982. - 29 с. - (Препринт/Ин-т ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 82-142).

8. Результаты проверки прямоугольных счетчиков с кристаллами Nai (Т1 )/ М.Д.Минаков, С.И.Середняков, Ю.М.Карпов, Ю.П.Павлов. ПТЭ, 1980 № 8, с. 53-60.

9. Система двухкоординатных цилиндрических пропорциональных камер с резистивным катодом / В.Б.Голубев, А.Н.Перышкин, И.Ю.Редько, С.И.Середняков. 1ГГЭ, 1981, № 6, с.40-42.

10. Detection of induced pulses in proportional wire devices with resistive cathodes / G.Battistoni, E.Iarocci, G.Nicoletti et al. Nucl. Instrum. and Meth., 1978, vol. 152, No. 2-3, p. 423-430.

11. Гибридная интегральная микросхема "усилитель-формирователь" для пропорциональных камер / С.Е.Бару, С .Г .Басиладзе, В. Р. Грошев и др. ПТЭ, 1975, № 4, с. 105-107.

12. Пропорциональные камеры на 1000 каналов электроники / С.Е.Бару, В.Р.Грошев, Ю.В.Коршунов и др. В кн.: Медщународное совещание по методике проволочных камер. Дубна, 1975. - с. 264267.

13. Широкодщапазонный АЦП в стандарте КАМАК / Ю.И.Голубенко, Э.А.Купер, А.В.Леденев, В.И.Нифонтов. Автометрия, 1978, № 4, с. 73-79.

14. Сидоров В.А., Сысолетин Б.Л., Шувалов Б.Н. Программное обеспечение системы РАДИУС. Управляющие системы и машины, 1978, Jfc I, с. I0I-I03.

15. Двойное тормозное излучение в рассеянии электронов на электронах при энергии до 2 х 160 МэВ / П.И.Голубничий, А.П.Ону-чин, С.Г.Попов, В.А.Сидоров. Атомная энергия, 1967, вып. 22, № 3, с. 168-173.

16. Hansgen К., Mohring H.-J., Ranft J. Hadronic event generation for hadron cascade calculations and detector simulation. Inelastic hadron-nucleus collisions at energies below 5 GeV. Leipzig, 1983. -35p. -(Preprint KMU-HEP 83-06).

17. Carimalo G., Kessler P., Parisi J. Compton scattering with quasi-real photons in electron-positron storage rings. Nucl. Phys., 1973, vol. B57, No. 2, p. 582-588.

18. Berends P.A., Gastmas R., Wu T.T. Symmetric treatment of—ultrarelativistic e e scattering. Leuven, 1979. - 11p. -(Preprint / Univ. of Leuven. Inst, voor theor. fysika; KUL-TF-79/022).

19. Low F.E. Heavy electrons and muons. Phys. Rev. Lett., 1965, vol. 14, No. 7, p. 238-239.

20. Гах Г.И., Кураев Э.А., Панин B.C. Оценки сечений процессов во встречных е+е"~ пучках с участием тяжелого электрона. -Новосибирск, 1981. 8 с. - (Препринт/Ин-т ядерной физики СО АН СССР; ШФ 81-21).

21. Experimental search for a heavy electron / C.D.Boley, J.E.Elias, J.I.Friedman et al. Phys. Rev., 1968, vol. 167, Ho. 5, p. 1275-1279.

22. Search for a heavy electron by electron-proton coincidence measurements / H.J.Behrend, F.W.Brasse, J.Engler et al.--Phys. Rev. Lett., 1965, vol. 15, Ho. 23, p. 900-902.

23. Wide angle electron-positron Bremsstrahlung at ADOHE. A new limit for the existence of a heavy electron / C.Bacci, G.Parisi, C.Penso et al. Phys. Lett., 1973, vol. 44, Ho. 6, p. 530-532.

24. Изучение процесса e+e~ -»» e+e~"jf в области энергий 0.64 -1.40 ГэВ/ А.Д.Букин, Л.М.Курдадзе, М.Ю.Лельчук и др. -Ядерная физика, 1982, т. 35, вып. 6, с. 1444-1447.

25. Measurements of the processes e+e~ e+e"~ and e'e""-*at PETRA / W.Bartel, L.Becker, C.Bowdery et al. Z. Phys. C, Particles and Fields, 1983, vol. 19, Ho. 3, p. 197-203.

26. Hofstadter R. Quantum electrodynamics in electron-positron system. In: Proceedings of the 1975 International symposium on lepton and photon interactions at high energies, Stanford university, August 21-27, 1975. Stanford, 1975,p. 869-902. ,

27. Wu S.L. e+e~-physics at PETRA the first five years. -- Phys. Reports, 1984, vol. 107, Ho. 2-5, p. 59-324.

28. Ringhofer K., Salecker H. What can be tested in QED. -Paper Ho 109 cont. to 1975 International symposium on lepton and photon interactions at high energies, Stanford university, August 21-27, 1975. Stanford, 1975.-Ю72 p.

29. McClure J.A., Drell S.D. Analyses of electrodynamic tests.-Huovo Cim., 1965, vol. 37, Ho. 4, p. 1638-1646.

30. Kroll N.M. Ad hoc modifications of quantum electrodynamics. Nuovo Cim., 1966, vol. 45, No. 1, p. 65-92.

31. The Neutral Detector at VEPP-2M / V.B.Golubev, V.P.Druzhi-nin, V.N.Ivanchenko et al. Nucl. Instr. and Meth., 1984, vol. 227, По. 3, p. 467-469.

32. Preliminary results from the Neutral Detector at VEPP-2M / / A.D.Bukin, I.B.Vasserman, P.V.Vorobyov et al. Novosibirsk, 1983. -27p. -(Preprint INP 83-80).

33. Test of quantum electrodynamics in the Compton scattering of quasireal photons by electrons and positrons at the VEPP-2M storage ring / V.P.Druzhinin, V.B.Golubev, V.N.Ivanchenko et al. Novosibirsk, 1984» -17p. -(Preprint INP 84-62).

34. P.Franzini, J.Lee-Franzini. Upsilon physics at CESR. -Phys. Reports, 1982, vol. 81, No. 3, p. 239-291.

35. Strauch K. The Crystal Ball detector. В кн. Проблемы физики высоких энергий и управляемого термоядерного синтеза. -М.: Наука, 1981. - с. 88-99.

36. Review of particle properties. Rev. Mod. Phys., 1984, vol. 56, No. 2, part 2. - 304 p.

37. Measurement of Ф -meson radiative decays at the storage ring VEPP-2M with the Neutral Detector / V.P.Druzhinin, V.B.Golubev, V.N.Ivanchenko et al. Phys. Rev. Lett., 1984, vol. 144B, No. 1-2, p. 136-140.