Определение парциальных ширин мод распада очарованных частиц Л + с и D- в нейтрон-ядерных взаимодействиях при энергии нейтронов 30- 70 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

физический институт имени П. Н. Лебедева РАН

О г г. «иэичес

РГ6 ол

Фи9ик1ра|ооких энергий и космических лучей Лаборатория электронов высоких энергий

на правах рукописи УЖ 539.124.17

ЗАВЕРТЯЕВ Михаил Васильевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ ШИРИН МОД РАСПАДА ОЧАРОВАННЫХ ЧАСТИЦ А+ И П~ В НЕЙТРОН-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРИ ЭНЕРГИИ НЕЙТРОНОВ 30^70 РэВ

(01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в ордена Ленина Физическом институте имени П.Н.Лебедева Ррсийской Академии наук.

Научый руководитель : доктор физико-математических наук

главный научный сотрудник А.А.КОМАР

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук

П.С.БАРАНОВ

доктор физико-математических нау-П.А.ГОРИЧЕВ

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт

ядерной физики Московского Государственного Университета, Москва

Защита состоится " {(/ " \jjjii 1994 года в "¡0 " часов на заседании специализированного ученого сйвета.Ш ордена Ленина Физического института им. П.Н. Лебедева РАН'по адресу : Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

Автореферат разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ. - мат. наук

В .Д. Скаржинский

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Открытие в 1974 г. семейства J|^p,i>' м стиц, являющихся связанными состояниями новых тяжелых с квар ков и последовавшее в 1976 г. открытие адронов, содержащих один очарованный кварк (1)~, Л^ ), знаменовали собой окончательно« утвер ждение представлений о кварковом строении алрояной материи и переместили пентр исследований в физике частиц в область изучения процессов рождения и распада очарованных частиц. Интерес к этим исследованиям определяется прежде всего возможностью проверки на новом экспериментальном материале иредставлепай квантовой хромо-динамике о сильном взаимодействии кварков, а также основных идей теории слабого взаимодействия кварков.

Актуальность темы настоящей диссертагши определяется важно стыо получения полной экспериментальной информация о различных модах распада очарованных адронов (особенно многочастичных), что способствовало бы более ясному пониманию деталей механизма их рас пада Следует обратить впимание па то, что имеющиеся данные не описывают все доступные возможности распада очарованных мезонов и бар ионов. Так для £)~-мезона сумма парциальных ширин составляет 90%, а для А+-бариона - только 30%.

Целью работы является поиск сигналов от распадов очарованных частиц (О', А*), рожденных в нейтрон-ядерных взаимодействиях при средней энергии 40 ГэВ, исследование характеристик их рождения и распада, с учетом возможных резонансных подсистем в конечном со стоянии.

Новизна работы Впервые, при энергиях, близких к порогу рождения выделены сигналы от распадов очарованных частиц , Лс4 одновременно по двум каналам, что позволило определить отношение их парциальных ширин. Полученная зависимость сечения рождения очарованных частиц от феввмаиовской переменной хг позволяет предположить, что при низких энергиях преобладают механизмы генерации этих частиц, отличные от имеющих место при энергиях существенно выше порога их рождения.

Научная значимость и практическая ценность состоят в том . чтг,

• предложен метод оптимизации алгоритма геометрической рекон струкпии, реализованный в рамках программы "РЕШШ", при менявшейся для обработки данных в эксперименте БИС 2

• измерены отношения парциальных ширин для ранее не изученных мод распада, очарованных частиц.

• получена зависимость сечения рождения очарованных частиц от фейвмановской переменной хг, существенно отличная от аналогичной зависимости при высоких энергиях.

• обращено внимание на важность изучения рождения очарованных частиц при низких энергиях.

• полученные данные используются при проведении исследований в эксперименте ЭКСЧАРМ, проводимом в развитие программы БИС-2.

Апробация работы и публикации. Результаты, изложенные в диссертации, обсуждались на научных семинарах Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, Института физики высоких энергий (Серпухов), были представлены на Международных хоференциях по физике высоких энергий в 1985 г. (Бари, Италия), в 1988 г. (Мюнхен); яа международном семинаре "Квархи-88" (Тбилиси), а также на рабочих совещаниях сотрудничества по эксперименту БИС-2.

Основные результаты диссертации изложены в четырех публикациях ( [1] - [4] ).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан краткий обзор экспериментальных фактов, требовавших для своего объяснения введения в рамках модели кварков четвертого, очарованного, кварка, и теоретичекой схемы, позволившей разрешить существовавшие проблемы. Приведены основные экспериментальные факты, относящиеся к открытию очарованных частиц.

Во второй главе систематически описаны выявленные экспериментальные закономерности рождения очарованных частиц в и, 7, е+е" и адронных взаимодействиях. Отмечены трудности экспериментальных исследований, наличие проблем в согласовании теоретических предсказаний с измеренными величинами.

В третьей главе кратко рассмотрены теоретические подходы к расчетам парциальных ширив различных каналов распада очарованных частиц. Указано, что существуют два подхода : статистический

и прямот расчета распада в рамках теории возмущений Отмечено что точность расчетов невысока, не выше 50%, и особенно трудная ситуация существует с объяснением ширин для распадов очарованных барионов.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные методы, применявшиеся в различных экспериментах, для выделения сигналов от распадов очарованных частиц и отмечены трудности присущие различным методам. Приведены основные закономерности поведения сечений рождения очарованных частиц при высоких энергиях, вдали от порога.

Отмечено что единственным экспериментом, позволяющим получить информацию о рождении очарованных частиц в околопороговой области, является эксперимент БИС- 2 и дана краткая сводка результатов этого эксперимента.

На основании проведенного обзора известных данных сформулирована научная задача диссертации.

В пятой главе приведено описание экспериментальной установки БИС-2, позволяющей :

• работать при высокой интенсивности вторичных частип, что обеспечивает необходимую чувствительность эксперимента

• выделять многочастичные распады очарованных частип с приемлемым отношением сигнал/фон.

• выделять сигналы от распадов странных частиц для изучения Кабиббо-разрешенных распадов очарованных частиц.

Экспериментальные данные, использованные для физического анализа в данной работе, были получены установкой БИС-2 на ка нале 4Н серпуховского ускорителя. Пучок состоял из нейтронов со средним импульсом 40 ГэВ/с. Интенсивность нейтронов составляла (0.85 ± 0.2) • 10е нейтронов в секунду при сбросе на внутренную мишень ускорителя 101' протонов с импульсом 70 ГэВ/с. В сост.чг, установки входили (рис. 1) ; спектрометрический магнит СП- 40, менявшей поперечную составляющую импульса заряженной частицы на 0.64 ГэВ/с, счетчик антисовпадений, система сменных твердотельных мишеней Т, в некоторых экспозициях заменявшаяся ясидководо-родноп мишенью, многоканальные пропорциональные камеры (ПК), спинтиляционные годоскопические счегчики Г| и Гг, многокаяальные

N

N

U

X

1:111

i. л::

-ТЛ

<

о 3

шш

л.: .л.

ffl

о

s á

i.

/О

V.

£ а

5 {S

(S 1

Ia

в « >■

\

P

/ c,D

H-b?' SS < 88

Импузш: псйтрогам пупа, ГэВ/с

Рнс.2 Спектр нейтронов пучка

пороговые газовые черепковские счетчики С) и С? -идентификаторы адронов, годоскопы черепковских счетчиков полного поглощения Сз, С« - детекторы электронов и 7~квантов, нейтронный монитор МО (калориметр). Жидковсщородпая мишень окружалась системой годо-скопических сдинтилляционяых счетчиков (СОМх, СОМг) для регистрации протонов отдачи. Счетчик антисовцадений А\ использовался при изучении реакции перезарядки нейтрона в протон.

Система запуска установки была собрана на основе ПК, расположенных до. и после магнита, и сцинтиляционпых годоскопическпх счетчиков Г1 и Гг. Было наложено аппаратное требование на прохождение через установку не менее четырех заряженных частиц.

Импульсный спектр нейтронов был измерен тремя независимыми способами, давшими согласующиеся между собой результаты (рис. 2).

В шестой главе изложена процедура оптимизации алгоритма ре-

Algorithm 1

Algorithm 2

1.2 o.a

-12 -a —to * e ia ,le-Hist 1 Ma»». Mev

• 10

s 2.4

2.

z

1.«

1.2

O.S

0.4

3

s 70

3E

rO SO

z SO

40

JO

20

10

. O

-i»-e —« o * o 12 .jo" 3 Hist 3 Mao». Mev

-40 -20 O 20 4.0 ,,0-Hist 2 Mass. Mev

-40 —20 0 20 40 3

Hist 4 Mass. Mev

2.

0.4

Pec.3 Pacaptaene*«« no »$$exTUBoft xacce xou6uanaI p*~ a A*/T" As* »ccjitn jenux anropnTVoa.

Algorithm 1

Algorithm 2

i.s i.s

Hist 6

1.7 i.» Moss. Gov

1.T 1.0 Mass. Gov

Pic.4 Pacnptnecesie do s<]x{i»Tn«o3 uacce xo>i6iHass8 A*<r4 8 A"*

BH» Bccjnwyeuux eurrop»TMO«.

Таблица 1: Велкчкпы фкзичаских сигналов.

Процесс Лягоритм 1 Алгоритм 2

А0-рк~ Е+ ~> Л°!г+ Е- - А\- s - -*-А*К- 11282x106 61:1:8 21 lil4 32±5.6 17033±130 215Jb5.15 28Srh5.17 151±5.12

конструкции траекторий зьрягкнвых частиц, который явился основой для разработки программы геометрической реконструкции, ври-мезявикйся длл обработки Элспсрмыеятальных далных. На осеоез то-гачеошх фушгшгш, определявших порядок опроса ПК в процессе р&-кояструкция, число переборов было сведено к ымшшуиу .Результатом ~ такой оптимизации пьтпоа. существенное повышение эффективности рсатоасурукцшг собачий. Сравнение было вьшоляоно за, ocvovc одного и того хю башга данных, обработанного по двуц иягорптиеы дня следующих фнзЕ хесхсих процессом:

А° —* Р

S+ Л°

—> . Л°

—* л° К-

Физические сигналы наблюдались как статистически значимые пики в спектрах эффективных масс. Соответствующие распределения приведены и& рис.3-4 (гнет. 13-20) , а соответствующие им количественные ьеяЕЧпяы приЕлцсды с табл.1.

В глазах седьмой и восьмой рассмотрена, процедура физического анализа п провалено обсуждение полученных результатов.

Физический анализ проводился с поиегтъю црогралши ВК>МХС и был направлен па лыделгяие сЕГиалсо ОН ¡распадов очароваивых иеэо-нов и баркопои по каналам, содержащим в конечных состояниях иезон :

- Р *+ »г" , (1)

К — К-{892) Р (2)

D~ - к% 1Г+ (3)

D~ - К** (892) 1Г~ (4)

Основой для проделанного анализа послужили 19.6 ила. взаамо-действий яейтрояов с различными ыпшенями, зарегистрированные в двух экспозициях спектрометра, в каждой из которых использовался свое набор мишеней (см. табл.2). Предварительно были ото-

Таблнтта 2: Количество зарегистрированных взаимодействий нейтронов с различными мишенями, (млн.)

Мишепь Водород Углерод Алюминий Медь

экснозиция 1 3.34 2.85 2.31 —

экспозиция 2 — 3.69 3.26 4.13

брасы вэалшсщенстзия, а которых были найдены каядддаты в Kß т.н. нейтральные вилки - комбинации из пар траекторий заряженных частиц с зарядами противоположных знаков, имеющих общую вершину, эффективная масса которых, при отождествлении их с пионам, отличалась не более, чем на ±25МэВ/сг от табличной массы Kß . Было отобрано 0.55 млн. таких взаимодействия. Из них событий, содержащих кандидатов в и одну заряженную частицу (знак заряда не имел значения), было отобрано 0.53 млп. В каждом событии производилась реконструкция вершины взаимодействия нейтрона, с веществом мншеяи, в которую попадают как траектории заряженных частиц, так и направление импульса Kg , выполняющее роль "эффективной" траектории. Пространственное разрешение установка не позволяло разделить координаты вершины взаимодействия и вершины распада очарованной частицы, в силу малого времени жизни последней ~ 10~13е. Поэтому считалось, что все траектория выходят из одной вершины.

Для поиска распадов А+ было-отобрано 2173 события, содержа^ щке ЙГ5, две положительно з одну отрицательно заряженные часгвды . Аналогично, для поиска распадов D~ было отобрано 4048 хаядида, тов с Kg, одной положительно и двумя отрицательно заряженными частицами.

Распределения отобранных комбинаций по эффективным массам для каналов распада Л* (1) и D~ (3) приведены соответственпо на

Таблица 3: Наблюдаемые физические сигналы.

Распад Число событий

Л+-»Х|р)г+1г-Л+-Я"-(892)ргг+ 59 ± 13.4 17 ± 5.4 52 ±11.4 14 ± 4.5

рис.5 - 6 . Шаг в этих распределениях, ЮМэВ/с3, близок к величине экспериментального рг -решения. В распределениях присутствуют четкие пики с центрами при 2.273ГЭВ/С3 и .1.861ГэВ/с3 , что близко к соответствующим значениям физических масс Л* и . Для оценки числа комбинаций, обуславливающих пики на рис.5 - - 6 /соответствующие фоновые распределения аяроксимировались полиномиальной функцией. Комбинаторный фоя в приведенных распределениях пренебрежимо мал (3%). При этом каждое событие содержат только ещну комбинацию с эффективной массой в области наблюдаемых пиков. 59 ± 13.4 и 52 ±11.4 комбинаций, обуславливающих пики, составили, соответственно, 5.4 и 6.2 стандартных отклонений от уровня фона. Таким образом, можно сделать вывод, что наблюдаемые, статистически значимые сигналы соответствуют зарегистрированным распадам Л+ (1) и £>- по каналам (1) и (3).

Был проведен также поиск сигналов от распадов очарованных частиц по каналам, содержащим резонансную подсистему. Для этого выделялись такие события, в которых эффективная масса комбинаций К"! ,г± находится в области физической массы /Г"* (892). Полученные распределения по соответствующим эффективным массам приведены на рис.,7 - 8 . В распределениях наблюдаются пики, положение которых соответствует массам Л+ и £)~ .

Таким образом можно заключить, что получены статистически значимые сигналы по Двум модам распада для каждой из очарованных частиц Л+ и О". Количественные данные сведет! в табл.3.

Отношения парциальных ширин распада по резонансному и нерезонансному каналам определялись в соответствии с выражением :

Рас.5 Рлсвредевеиже по эффекта»- Рас.6 Распределите по аффектаа-но* массе састеиы /фиг+г". ' вой массе системы K¡r+r~r~.

Ряе.7 Распределение по зффгити»- Рвс.8 Распределение по эффежгвв-яо* массе системы ЛГ*"(892)р*+. я<Л массе сястемы 892)*"*".

я=

N3.ei

Л»-«» '

где Ni я Ni - количество зарегистрированных распадов А* и D" по

t AunjttM (I и 3) и (2 и 4), соответственно, a tj и «2 - эффективности per истрации этих распадов в эксперименте. Эффективности регистрации распадов е, а Л+ и D" определялись методом Монте -Карло. При розыгрыше событий использовалась следующая модель:

1. Нейтрон, взаимодействующий с веществом мишени, имеет тот или иной импульс с вероятностью, задаваемой экспериментальным импульсным распределением нейтронов (рис.2 ).

У. Исследуемая частица рождается по закону :

F(x,) ~ (1 - ¡с,)» ■ exp(-bpi) , с фиксированным значением показателя степени.

3. Совместно с этой частицей рождается минимальный набор дополнительных частиц, удовлетворяющих законам сохранения аддитивных квантовых чисел. При этом предполагается, что дополнительная очарованная частица имеет Гауссово распределяй е в пространстве быстрот с шириной (7 = 1..

4. Считается, что остаток свободной энергии используется для рождения сопровождающих частиц согласно LUND-модели.

Эффективности регистрации для распадов по резопасному и нерезо-вансному каналам оказались равны с точностью порядка. 1%. В результате искомые отношения имеют следующие значения:

у(Р ~*h" чт)*-*-)Вг(1РЦж) - ꧫ+у = 27 ± 0 09)

На основании полученных сигналов были определена величина иа*-раметра Ь и показатель степени п в приведенной выше форме паргъ-метризашш дифференциального сечения рождения через поперечный импульс и фейнмановскую переменную хг. На рис.9 приведены экспериментальные распределения по продольному и поперечному импульсам Л+ и D" после вычитания фона. Распределение по поперечному импульсу скорректировано на величину эффективности регистрации.

Подгонка распределения по поперечному импульсу экспоненциальной зависимостью :

evp(-àpï)

dpi

привело к следующим значениям b :

ht : b- (2.33 ±0ЛЩГэВ/с)1

D~ : Ь— (1.62±0.81)(ГзЯ/с)-'

Полученные значения находятся в согласии с величинами, определен ними ранее в том же эксперименте.

Определение показателя степени в распределении по фейнманов ской переменной в общем случае требует решения интегральною ураянения первого рода. Общеизвестно, что задачи данного типа явля ются некорректными, а наличие экспериментальных ошибок делает ситуацию крайне сложной. Малая статистика, доступная для алализа, делает предпочтительным прямую апроксимапию распределений по продольному импульсу гистограммами, полученными из розыгрыша по методу Монте Карло событий с различными показателями степени н в принятой форме зависимости сечения рождения о-r фейнмановской переменной. Согласно лэл&жетшой схеме были разыграны события при показателях степени п = 0.5 -г 2.5 с шагом 0.5. Экспериментальное распределение по продольному импульсу было представлено в виде суперпозиции :

Я""1 = ot • At + в» ■ Aj + • • ■ + os • ,

где hi,hi, ...,hi - гистограммы, полученные по методу Монте Карло, Н- экспериментальное распределение (рис.9), ai, a^,..., - коэффшш енты, псдлежащяе определению. Результаты расчетов приведены и табл.4. Как видно из приведенных значений, данный метод, не дав а., точной величины показателя и, позволяет определить границы её значения. Наибольший вклад дают распределения с показателем л - (1 т 2), что находится в согласии с предыдущими измерениями в данном эксперименте, но существенно отличается от картины, полученной в экспериментах при более высоких энергиях. Так для рождения очарованных частиц в протонны: пучках типичное значение п ~ (6±1.3) Таким образом полученные значения показателей степени "п" Могут укалывать аа существенно различный механизм рождение

I полипа Л Значения коэффициэнтов в результате фитировани» ()ащ|)ппеления по продольному импульсу

п 0.5 10 1.5 2.0 2.5

Частица

V 0.02 ± 1.6 0.15 ±0.30 0.61 ± 0.24 0.42 ±0.32 -0.07 ±4.68

О 0.04 ±0.09 0.56 ± 0.28 0.53 ±0.33 0.05 ±0.26 -0.02 ±3.40

а)

с)

6 5

Д)

Р&саредепение по продольному ■ поперечному шичупым 0~ - рнс. 9 а,б А* - рас.10 с,д

.•иц.,>на.шшх ч...: 1И11 при околопороговых энергиях я энергиях, замета . превышающих порог

И уак/шчйЦЦИ ((формулированы основные результаты и выводы 1И< " ации

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

В ходе исследований, описанных в диссертационной работе, внто рои были получены следующие результаты :

1. Разработан метод оптимизации процедуры реконструкции upo стражствениых треков, основанный на анализе логических функ ций, форма которых зависит от предполагаемого алгоритма Показано, что при заданной вероятности реконструкции трека преимуществом обладает алгоритм, восстанавливающий трек минимальным числом переборов. В этом случае улучшается отношение сигнал-фон и вероятность реконструкции трека более устойчива по отношению к падению эффективности работы про порциональных камер.

2. Выделены статистически значимые сигналы от раслалов оч.ч рованного мезона D~ по каналу с участием К\ и резонансной подсистемы К** (892). Числа событий составили .

= 52 ± 11.4 D-~*K*+(892)ir" jr~ = 14 ± 4.5

Определена относительная ширина канала распада череч |>еэ<» нансную подсистему :

-1-^ п_ Л . _ _-1-—- = (и 27 ± 0.09)

V к *

4. Выделены статистически значимые сигналы от распадов очь ронанного бариона Л,!' по каналу с участием и резонансной подсистемы й-*-(892). Числа событий составили .

Л+—К$р*+*~ = 59 ± 13.4 Л+—ЛГ*'(892)р?г+ = 17 ± 5.4*

5. Определена относительная ширина канала рлсиада черел (>■■ > нансную подсистему :

Л+-*~ " " " ~ 1 '

15

6 Определены параметры зависимости сеченая рождения очаро- ' ванных частиц от поперечного гмпульса :

Л+ : Ь = (2.33 ±0.74) : 6 = (1.62 ±0.81)

7 Определена возможная область изменения показателя степени "п" в распределения вероятности рождения очарованных чрстиц по фейнмановской переменной хг:

п ~ (1 2) ,

из чею можно сделать вывод о существовании заметного различия в механизме рождения очарованных частиц в околопороговой области и в областях, далеких от порога.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах _

[1} Завертяев М.В , . и др. Исследование эффективностей алгоритмов программ геометрической реконструкции эксперимента БИС-2, ФИАН, Препринт N33, 1992.

|2J Алеев А Н.,....Завертяев М.В. и др., Измерение отношений парциальных ширин распадов очарованных частик А* и D , ОИЯИ,

• Р1-9.Я-26, Дубна, J 993.

[3] Alcev A.N.,..-,ZavertyaPV M.V. и др , The Л^ - baryon production in interactions of 40-70 OeV neutrons with carbon nuclei, Zeit. fur Phys , C23, p.333, 1984.

|4] Aleev A.N., ,,Zavertyaev M.V. и др., Observation of D- mesons in nO interactions at 40-70 GeV/c. JINR, El-85-662, Dubna, 1985