Поиск легких скалярных и псевдоскалярных частиц в pFe-взаимодействиях при энергии 70 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

.(< -.Г.,

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

92-158 На правах рукописи

Кравцов Владимир Иванович

ПОИСК ЛЕГКИХ СКАЛЯРНЫХ И ПСЕВДОСКАЛЯРНЫХ ЧАСТИЦ В рЕе-ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРИ ЭНЕРГИИ 70 ГэВ

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1992

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук А.С.Вовенко.

Официальные оппоненты: доктор физпко-математических наук А.П.Онучин (ИЯФ, г. Новосибирск), кандидат физико-математических наук С.Р.Слабосппцкий (ИФВЭ, г. Протвино).

Ведущая организация - Лаборатория ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна).

Защита диссертации состоится "_" _ 1992 г. в

_часов на заседании специализированного совета Д034.02.01 ИФВЭ

(142284, Протвино Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_" _ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Ю.Г.Рябов

© Институт физики высоких энергий, 1992.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основой современных моделей элементарных частиц, основанных на калибровочных полях Янга и Миллса, является механизм спонтанного нарушения симметрии Хиггса. Осуществление механизма Хиггса в минимальном варианте стандартной модели приводит к появлению новой нейтральной частицы - хиггсовского бозона. Дальнейшее расширение хиггсовского сектора з суперсимметричных моделях приводит к образованию минимум пяти бозонов Хиггса, в том числе трех нейтральных. Существование хиггсовских бозонов до сих пор не подтверждено экспериментально.

Еще одной важной проблемой физики элементарных частиц является натуральное сохранение СР-инвариантности в сильных взаимодействиях. Решение этой проблемы Печчл и Квином приводит к появлению легкого псевдоскалярного голдстоуновского бозона - аксиона.

Прямое наблюдение хиггсовских бозонов, и аксиона было бы очень важным для проверки этих механизмов.

Основной целью работы является поиск легких хиггсовских бозонов стандартной модели и ее минимального суперсимметричного расширения, а также стандартного аксиона Печчи и Квпна в возможных процессах пх прямого рождения в протон-ядерных взаимодействиях при энергии 70 ГэВ.

Научная новизна. В диссертации представлены новые данные по поиску легких скалярных и псевдоскалярных частиц в протон-ядерных взаимодействиях. Впервые одновременно для трех процессов прямого образования легких скалярных и псевдоскалярных частиц получены результаты, исключающие хпггсовский бозон стандартной модели с массой

меньше 80 МэВ. Для двух наиболее легких хиггсовских бозонов минимального суиерсимметричного расширения стандартной модели расширены полученные ранее исключенные области в сторону более высоких масс и меньших значений отношения вакуумных средних хиггсовских дублетов X. Получены новые результаты, исключающие стандартный аксион в широком интервале значений масс и переменной X дли нескольких возможных процессов его рождения в рГе-взаимодействиях.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные ограничения на массы и отношения вакуумных средних хиггсовских дублетов для легких хиггсовских бозонов и аксиона имеют фундаментальное значение для теорпп элементарных частиц. Результаты диссертации могут быть использованы при совместном анализе с данными других экспериментов, а также при планировании новых экспериментов.

Самостоятельную практическую ценность представляют разработанные и использованные в нейтринном детекторе оконечный е/7-детектор и система высоковольтного питания ФЭУ, которые могут найти применение в экспериментах, где, соответственно, необходимы детекторы электронов и гамма-квантов с большой площадью или используется большое количество ФЭУ. Расчеты по оптимизации структуры нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ используются в настоящее время при планировании на этой установке других экспериментов.

Автор защищает следующие результаты.

1. Оптимизацию структуры нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ.

2. Разработку и создание оконечного е/7-детектора и автоматизированной системы высоковольтного питания ФЭУ сцинтилляционных счетчиков.

3. Методику анализа экспериментально измеренных событий с целью поиска распадов по каналам Н,А —► е+ е~, 77 или взаимодействий в процессе Бете-Гайтлера с образованием е+е~-и /л+р~-пар легких скалярных и псевдоскалярных частиц.

4. Ограничения на массу хпггсовского бозона стандартной модели, образующегося в процессах когерентного рА-рассеяния, партон-партонного взаимодействия и тормозного излучения.

5. Ограничения на массы, времена жизни и отношения вакуумных средних хиггсовских дублетов X скалярного и псевдоскалярного нейтральных хиггсовских бозонов минимального суперсимметричного расширения стандартной модели.

6. Ограничения на массу п переменную X стандартного аксиона Печчи-Квина.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы пз 166 наименований. Полный объем диссертации 145 страниц, включая 45 рисунков п 7 таблиц.

Апробация диссертации. В основу диссертации положены работы [1-8], выполненные автором в 1982-1992 г.г. Эти работы докладывались на научных семинарах ИФВЭ (Протвино) п ИФВЭ (Цойтен, ГДР), на Рабочих совещаниях по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ (Дубна), представлялись на международную конференцию "Нейтрпно-90" и были опубликованы в виде препринтов и статей в журналах "Zeitschrift fur Physik" и "Internal Journal of Modern Physics".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель диссертационной работы, обосновывается актуальность проведенных исследований, отмечаются преимущества поиска слабовзаимодействующпх нейтральных частиц в данной постановке эксперимента, а также кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе описан механизм Хиггса в модели Вайнберга-Салама и в рамках минимальной суперсимметрпчной модели. Отмечено, что массы хпггсовскпх бозонов не фиксируются и являются свободным параметром модели. Теоретические ограничения на массы легких хпггсовских бозонов, основывающиеся на требовании, чтобы вакуум с нарушенной SU(2) х £/(1)-симметрией являлся состоянием с наинизшей энергией, приводят в стандартной модели (СМ) к ограничению Линде-Вайнберга. В случае массы i-кварка mt > 79 ГэВ это ограничение становится неприменимым. В минимальном супер симметричном расширении стандартной модели (МССМ) ограничения снизу на массы двух нейтральных хпггсовских бозонов (скалярного h° и псевдоскалярного А") отсутствуют вовсе.

Существующие на начало 1989 г. эксперименты по поиску хнггсовско-го бозона СМ достаточно надежно исключали интервал масс m и < 14 МэВ и 70 МэВ< шд < 5 ГэВ. Ограничения на гпц, полученные в целом ряде экспериментов, изучающих распады /{"-мезонов, исключали промежуточную область, однако содержали большие теоретические неопределенности и не могли рассматриваться как строгие. Ограничения на хиггсовскпе бозоны МССМ отсутствовали вовсе. Только в конце 1989 г. для этого

интервала ти появились достаточно надежные результаты beam dump-эксперимента в электронном пучке и эксперимента SINDRUM. В beam dump-эксперименте в пучке электронов были также исключены области для хиггсовских бозонов МССМ.

Взаимодействие хиггсовских частиц с фермионами / может быть описано следующими лагранжианами:

lHH = Е5Я///Я, LAff = Y^gAffrJA, (1)

/ /

где константы взаимодействия равны

дН/ = i(V2GF)1/2mfsf, gAf = i{V2GF)ll2mjpf. (2)

Здесь Gp - постоянная Ферми; rrif - масса фермпона; sj, pj - мо-дельно зависимые параметры. В МССМ параметры s/ и р/ могут быть выражены через два угла а и ¡3:

Sf = cosa/sinfi, pj — cotp = l/X для f = u,c,t;

Sf =—sina/cosfi, pj=tanf3 = X для f — d,s,b,e,fi,r. (3)

Переменная X определяется как отношекие вакуумных средних двух хиггсовских дублетов: X = tfi/^i- Для хиггсовского бозона CM Sf = 1, р/ = 0.

В первой главе рассмотрено также решение проблемы натурального сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях введением ак-сиона и приведены результаты некоторых экспериментов по его поиску. Отмечено, что стандартный аксион Печчи-Квина может рассматриваться как частный случай псевдоскаляра МССМ с массой

та = 73,6(1/Х + Х)КэВ. (4)

В настоящем эксперименте в качестве источников долгоживущих легких скалярных и псевдоскалярных частиц рассматривались следующие реакции:

- Когерентное протон-ядерное рассеяние.

- Партон-партонное взаимодействие.

- Мягкое тормозное излучение.

Соответствующие этим процессам фейнмановские диаграммы показаны на рис. 1. Наблюдение скалярных и псевдоскалярных частиц в детекторе возможно через их взаимодействие в процессе Бете-Гайтлера с образованием лептонных пар или распад по каналам Н,А е+е~, 77.

а) Когерентное протон-ядерное ЬзаимодейстВие

Ь) Мягкое тормозное излучение

—В Ч, -~ч от

Xе

/

-'В

'В 9

ЧЛ, Ч'Ч>

6) Партон-партонное ЙзаимодейстЬие

Рис. 1. Образование скалярных и псевдоскалярных частиц в низшем порядке теории возмущений.

В заключительных разделах первой главы приведены выражения для сечений указанных процессов прямого рождения скалярных и псевдоска-

,77, со-

лярных частиц, для распадной длины по каналам Н,А чения процесса Бете-Гайтлера, а также рассматривается возможность применения данных выражений в конкретных экспериментальных условиях и их теоретические неопределенности.

Во второй главе диссертации описывается постановка эксперимента, выполненного на нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ (НД). Заключительные разделы посвящены оптимизации структуры НД и системе высоковольтного питания ФЭУ сцинтилляционных счетчиков.

Схема эксперимента показана на рис. 2. Выведенный из ускорителя пучок протонов транспортируется в вакууме и с помощью системы магнитных элементов наводится на мишень из стали. Положение и размеры протонного пучка контролпруются с помощью координатных камер вторичной эмиссии. Интенсивность пучка измерялась двумя трансформаторами тока, а относительные изменения интенсивности контролировались семью мониторами вторичной эмиссии. Такой контроль обеснечпл

уровень потерь протонов не более Ю-4. Абсолютная величина и распределения по глубине и радиусу мюонных потоков измерялись в 10 разрезах мюонного фильтра с помощью 96 детекторов.

о

100

200

300

(м)

мюонная защита

протонный пучок

мониторы потерь

мониторы интенсивности

мишень

V детектор

область измерения мюонных потокоЬ

Рис. 2. Схема постановки beam dump-эксперимента.

Общий вид НД показан на рис. 3. Он состоит из мишенной калориметрической части, е/7-детектора и мюонного спектрометра.

Мюонный спектрометр предназначен для измерения импульсов и определения знака заряда мюонов, выходящих через заднюю поверхность мишенной части, и включает в себя 13 магнитных торопдов с индукцией до 1,5 Тл, прослоенных Х- и У-плоскостями дрейфовых камер.

Мишенная часть НД состоит из 36 идентичных модулей, каждый из которых включает:

- раму из намагниченного железа для измерения импульса мюона;

- алюминиевый фильтр толщиной 5 см;

- Х- и У-плоскости дрейфовых камер;

- плоскость жидкостных сцинтилляционных счетчиков (ЖСС).

Толщина алюминиевых фильтров была выбрана на основании изучения энергетического разрешения и утечек энергии за пределы эффективного объема для различных структур НД. При этом основное внимание уделялось исследованию энергетического разрешения и утечек для адронов, так как разрешение для электронов в НД достаточно высоко и для данпой структуры составляет по результатам калибровки а/Е = 2,1% + 8,8%/у/Е (ГэВ). Выбранная толщина фильтров 5 см является оптимальной для НД. Полученное в результате расчетов энергетическое разрешение для адронов а/Е = 0,31 /£7и'3 имеет нестандартную зависимость от энергии и занимает промежуточное положение между

зависимостью а/Е ~ 1 /\[Ё для сэмплинг-калориметров с тонкими сцинтилляторами и сг/£7 ~ для гомогенных калориметров. Это

определяется большой толщиной активных слоев калориметра НД (20 см сцинтпллятора) и подтверждается результатами калибровки в пучке 7г-мезонов, где получена зависимость а/Е = 0,39/2?1/3. Некоторое отличие можно отнести на счет различных условий моделирования и калибровки.

НЕЙТРИННЫЙ КАЛОРИМЕТР

фовые 8РН1

М1 35

Дрейфовые камеры

Мюснний спектрометр Детектор электронов

Алюминиевый/ фильтр

Рис. 3. Общий вид нейтринного детектора.

Основой НД является мишенная калориметрическая часть, которая содержит 720 ФЭУ. Для питания ФЭУ используется система высоковольтного питания, позволяющая производить независимую регулировку напряжения каждого ФЭУ от ЭВМ. Индивидуальный для каждого канала преобразователь напряжения размещается непосредственно в кожухе ФЭУ, что позволяет полностью исключить высоковольтные коммуникации. Система питания обеспечивает регулировку напряжения на ФЭУ в диапазоне 1 -г- 2 кВ с точностью ±4 В при долговременной стабильности не хуже 10~3.

Третья глава описывает оконечный е/7-детектор. Подробно излагается выбор его конструкции, разработка отдельных узлов п систем. Приведены результаты изучения характеристик детектора на космических мюонах п пучке частиц.

Оконечный е/7-детектор расположен между мишенной частью НД и мюонным спектрометром и предназначен для регистрации и измерения энергии и координат электронов и 7-квантов, образующихся в конце мишенной части. Исходя из требования регистрации хвостов электромагнитных ливней и значительных размеров калориметра НД (3,5 X 3,5 Л12), конструкция е/7-детектора была выбрана в виде плоскости 3,6 х 3,5 м2, состоящей из 18 модулей размерами 360 X 19 х 22 см3. Каждый модуль представляет собой сэндвич свинец-сцинтиллятор толщиной 10Хо, све-тосбор в котором производится с противоположных торцов двумя ФЭУ. Конструкция модуля показана на рис. 4. В результате изучения на космических мюонах и пучке частиц макета е/7-детектора были выбраны тип сцинтшшятора на основе полиметплметакрплата с добавлением 1% РРО и 0,01% РОРОР и толщина свинцового конвертера (4 мм). Перед сборкой детектора для всех 18 модулей были проведена измерения световыхо-да от минимально ионизирующих частиц. Средние для всех модулей длина затухания света А и число фотоэлектронов на минимально ионизирующую частицу МуИ составили, соответственно, < А >= 172 см и < >= 49. Калибровка модулей е/7-детектора в пучках электронов и 7г-мезонов показала, что детектор обладает линейностью в диапазоне 1 5 ГэВ, однородностью в области ±150 см от центра, координатное разрешение вдоль модуля ±12 см для электронов с энергией 1 ГэВ. Коэффициент режекцин для адронов лучше 4 х 10~2 при эффективности регистрации электронов 95%. Зависимость энергетического разрешения е/7-детектора от энергии электронов показана на рис. 5. Использование оконечного е/7-детектора увеличивает эффективный объем НД для электронов, летящих под малыми углами к оси детектора, от 1,1 до 1,4 раза в зависимости от энергии.

1. 3. 5.

Е, ГэВ

Рис. 5. Энергетическое разрешение для электронов модуля с/7-детектора.

В четвертой главе рассмотрена процедура обработки экспериментальных данных, проведен их анализ и получены ограничения на массу хиггсовского бозона стандартной модели, массы, времена жизни и отношение вакуумных средних хпггсовских дублетов двух наиболее легких хиггсовских бозонов МССМ и стандартного аксиона.

Распады скалярных и псевдоскалярных частиц на е+е~- и 77-пары выглядят в НД как изолированный электромагнитный ливень, так как два 7-кванта или е+е~-пара имеют очень малый угол раствора и перекрываются в переднем направлении. Образующиеся в процессе Бете-Гайтлера е+е~-пары имеют такую же сигнатуру, как и в случае распада, что определяется острым пиком в переднем направлении дифференциального сечения этого процесса. Пары для процесса Бете-Гайтлера выгля-

дят как два длинных трека под небольшим углом к оси пучка.

В процессе экспозиции на мишень было сброшено 1,71 х 1018 протонов. В результате визуального просмотра записанных на магнитную ленту 150 ООО сбросов ускорителя было найдено 3 450 взаимодействий в эффективном объеме НД 2,4 X 2,4 х 23 м3 с видимым энерговыделением Evis >0,4 ГэВ. Затем эти события были обработаны программой геометрической и кинематической реконструкции событий GRAND, которая позволяла находить энергию и направление адронных и электромагнитных ливней и определяла импульс п знак заряда мюонов. Алгоритм поиска электромагнитных ливней основан на том, что их ширина гораздо меньше, а плотность энерговыделения гораздо выше, чем в адронных ливнях.

Основным источником фона к процессам распада или взаимодействия (псевдо) скалярных частиц являются взаимодействия в детекторе нейтрино от распадов 7г- и /¿"-мезонов. Спектры фоновых нейтрино были рассчитаны методом Монте-Карло с использованием параметризации инклюзивных спектров 7г- и /\-мезонов, измеренных для толстой мишени при энергии протонов 67 ГэВ. Дополнительная проверка была проведена с помощью программы GEANT, позволяющей детально моделировать адронные каскады. Совпадение обоих расчетов в пределах 10%, а также корректное описание мюонных потоков в защите по глубине и радиусу позволяют оценить ошибку в моделировании спектров фоновых нейтрино не хуже 10%.

Моделирование взаимодействий в НД фоновых нейтрино проводилось программой, учитывающей процессы квазиупругого, резонансного и глу-боконеупругого взаимодействий нейтрино. На экспериментальных данных было показано, что программа достаточно хорошо описывает нейтринные

взаимодействия по каналам заряженного и нейтрального токов. Дополнительно рассматривались процессы когерентного рождения тг°-мезонов и -

упругого и е -рассеяния.

Для поиска е+е~- и 77-пар отбирались события, в которых найден электромагнитный ливень с энергией Ее;т > 3 ГэВ без видимого трека в вершине. Всего было найдено 21 событие. Распределение этих событий по энергии и углу электромагнитного ливня показаны па рис. 6. Пунктиром показан смоделированный фон. Обрезание ве[т < 0,05 рад, учитывающее максимальный угол, под которым частицы попадают в детектор, и точность восстановления угла электромагнитного ливня, оставляет 5 событий. Эти события на рис. 6 заштрихованы. Смоделированный фон составил 3,5 нейтринных событий.

I I I

0) 0 0е|т <0.05 рад — расчёт

Ш ШЪ

О 2 4 6 8 ю Ее,т (ГЭВ)

.0 .2

®е!т (Р°д>

Рис. б. Распределение событий с изолированным электромагнитным ливнем по а) энергии Ее1т и б) углу относительно оси детектора электромагнитного ливня. Пунктиром показан рассчитанный методом Монте-Карло фон от нейтринных взаимодействий.

Для поиска ц+пар отбирались события с двумя длинными треками в переднем направлении без видимого взаимодействия, в которых импульс и угол каждого из мюонов удовлетворял критериям отбора > 1 ГэВ/с, соввц > 0,99, Арц/рц < 30%. Дополнительно накладывалось условие |Е^ - .Е^Л < 0,5 ГэВ на разницу видимого энерговыделения от кандидата в мюон Еи смоделированного энерговыделения от минимально

ионизирующей частицы Е'™/, позволяющее исключить события, в которых из-за ложных отсчетов в дрейфовых камерах реконструировано вместо одного два трека. Всего было найдено 4 события, удовлетворяющие этим критериям. На рис. 7 показаны распределения по сумме энергий двух мюонов ЕМ1 + 2 и их углу относительно оси детектора в^ для этих событий. Моделирование фона дало 5,5 нейтринных взаимодействий.

О 5 10 15 20 О 5 10

• ГэВ е,,, град.

Рис. 7. Распределение событий с двумя мюонами по а) сумме энергий мюонов Е^ + Е^ и б) углу мюона относительно оси детектора Пунктиром показан рассчитанный методом Монте-Карло фон от нейтринных взаимодействий.

Таким образом, для отобранных событий с электромагнитным ливнем и мюонными парами превышения сигнала над фоном в пределах ошибок найдено не было. Отсюда могут быть получены ограничения на существование легких скалярных и псевдоскалярных частиц.

Полученные ограничения на уровне достоверности 95% на массу хигг-совского бозона стандартной модели приведены в табл. 1.

Совместный анализ всех процессов исключает хиггсовский бозон стандартной модели с массой тп# < 80 МэВ.

Близкие результаты были получены в beam dump-эксперпменте в е~-пучке и эксперименте SINDRUM, которые исключили интервал масс стандартной хиггсовской частицы 1,2-^52 и 10 -j-100 МэВ соответственно.

Таблица 1. Ограничения на хиггсовскин бозон СМ

Процесс Исключенный интервал масс

Когерептное рА-рассеяние Партон-партонное взаимодействие Мягкое тормозное излучение Процесс Бете-Гайтлера 1 < тон < 30 МэВ 0 < тпн < 80 МэВ 1 < гад < 70 МэВ тн < 0,9 МэВ

Ограничения на массы и отношения вакуумных средних хиггсовских дублетов для процессов прямого рождения показаны на рис. 8 для скалярного h" и рис. 9 для псевдоскалярного А" хиггсовских бозонов МССМ. Области слева от кривых исключены на уровне достоверности 95%. Здесь же для сравнения приведены результаты Ьеат-с1итр-эксперимента в пучке электронов. Аналогичные исключенные области для скалярного и псевдоскалярного хиггсовских бозонов МССМ были также получены в плоскости масса - время жизни.

Исключенные области в плоскости тц^ — Х, полученные в результате изучения образования лептонных пар в процессе Бете-Гайтлера, показаны на рис. 10 для скалярного и рис. 11 для псевдоскалярного хиггсовских бозонов МССМ. Поиск е+е~-пар, образующихся в процессе Бете-Гайтлера, исключает область (б) в левом верхнем углу. Область (в) исключена поиском пар. Для сравнения также показана область (а), исключенная изучением электромагнитных распадов. Комбинированный анализ изолированных электромагнитных ливней дополнительно исключает область (г). Для всех областей на этих рисунках уровень достоверности составляет 95%.

Для двух наиболее легких хиггсовских бозонов МССМ область в плоскости (m, X), которая была исключена в эксперименте beam dump с е~-пучком, в нашем эксперименте расширена в сторону более высоких масс как для скалярной, так и для псевдоскалярной частиц. Эти ограничения на 95%-ном уровне достоверности соответственно равны:

mh < ШМэВ для тл = Ю-10с, тА < 80МэВ для тА = 4 х 10~пс.

101

X 1

ю-1

10" - - ----------

О 50 100 150 200

™н(МэВ)

Рис. 8. Исключенные области на уровне достоверности 95% в плоскости тц — X для скалярных частиц МССМ.

тА (МэВ)

Рис. 9. Исключенные области на уровне достоверности 95% в плоскости тА - X для псевдоскалярных частиц МССМ.

X 1

Рис. 10. Исключенные области на уровне достоверности 95% в плоскости ТПЦ — X для скалярных частиц МССМ. Область (а) исключена поиском е+е~- и 77-распадов, область (б) - поиском е+е~-пар в процессе Бете-Гайтлера, область (в) - поиском /1+/л~-пар в процессе Бете-Гайтлера, область (г) исключена совместным анализом (а) и (б).

Рис. 11. Исключенные области на уровне достоверности 95% в плоскости тпн — X для псевдоскалярных частиц МССМ. Область (а) исключена поиском е+е~- и 77-распадов, область (б) - поиском е+е~-пар в процессе Бете-Гайтлера, область (в) - поиском пар в процессе Бете-Гайтлера, область (г) исключена совместным анализом (а) и (б).

-Со«ер»нт. РА-&Э.« -портон-портонное 61-е '-тормозное измени*

X 1

стандартны >1 аксион

1 10 тА (МэВ)

100

Рис. 12. Исключенные области на уровне достоверности 95% в плоскости гпд — X для РС} - аксиона.

Отмстим, что в настоящем эксперименте было исследовано взаимодействие легких скаляров и псевдоскаляров с легкими фермионами е, ¡л, и, Л, s. Полученные в данном эксперименте и на LEP ограничения в области малых масс хиггсовских бозонов дополняют друг друга, так как поиск этих частиц на LEP чувствителен главным образом к ZZH-взаимодействию.

В предположении, что т^ и X связаны соотношением (4). был также рассмотрен PQ-акспон как частный случай легкой псевдоскалярной частицы МССМ. На рис. 12 показана исключенная на уровне достоверности 95% область для процессов прямого рождения такой легкой псевдоскалярной частицы. На этом же рисунке показана кривая для стандартного аксиона, полученная из формулы (4). Вследствие того, что легкие и долгожпвущпе частицы распадаются за детектором и не могут быть зарегистрированы, мы можем исключить только две отдельные области для стандартного аксиона выше и ниже X « 1. Эти области, исключенные на уровне достоверности 95%, даются в табл. 2.

Таблица 2. Ограничения на PQ-аксион

Процесс X > 1 X < 1

Когерентное 0, ШэВ < т < 2,0 МэВ 0,6МэВ < т < 8,0 МэВ

рА-рассеяние_8,2 < X < 26_0,01 < X <0,12

Партон-партонное 0,7МэВ < т < 3,2МэВ 1,'АМэВ < т < 11,0 МэВ

взаимодействие__9,0 < Л" < 40 0,007 < X < 0,075

Мягкое тормозное 0,2 МэВ < т <2,5 МэВ 0,2 МэВ <т< 9,2МэВ излучение_1,3 < X < 32_0,008 < X < 0,7

Для процесса Бете-Гайтлера область малых масс для стандартного PQ-акспона полностью исключается. Поэтому было получено ограничение на отношение вакуумных средних X. Как видно из рис. 11, интервал 0,33 < X < 25 исключен на уровне достоверности 95%. Объединяя этот результат с полученным при поиске распадов, получим исключенную область 0,008 < X < 32. Этот результат можно сравнить с ограничениями, полученными из изучения пар в процессе Бете-Гайтлера в двух экспериментах, которые исключили области 0,55 < X < 13 и 0,9 < X < 13 соответственно.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Список литературы

[1] Lange W., Schönstedt S., Walter M., Kochetkov V.l., Kravzov V.l., Mukhin A.I., Salomatin J.I., Vovenko A.S. Measurements of electromagnetic showers in a lead-acrylic scintillator test module: Preprint PHE 82-2. - Berlin-Zeuthen, 1982.

[2] Вовенко A.C., Кочетков В.И., Кравцов В.И., Мухин А.И., Салома-тпн Ю.И., Сытник В.В., Шестерманов К.Е., Вальтер М., Костка Р., Ланге В., Новак 3., Шленштедт Ш. Характеристики ливневого детектора электронов и гамма-квантов.// Материалы V Рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ, Д1, 2, 13-84-332. - Дубна, 1984. - С. 117.

[3] Вовенко A.C., Кравцов В.И., Платонов В.Г., Спиридонов A.A., Шестерманов К.Е. Некоторые результаты моделирования адронных каскадов для различных структур нейтринного детектора// Материалы V Рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ, Д1, 2, 13-84-332. - Дубна, 1984. - С. 65.

[4] Geisler S., Harder U., Kostka P., Lange W., Schenk J., Spiering C., Walter M., Wegner P., Kirsanov M.M., Kochetkov V.l., Kravtsov V.L. Salomatin Y. An electromagnetic shower detector for the Serpukhov neutrino calorimeter: Preprint PHE 86-05. - Berlin-Zeuten, 1986.

[5] Blumlein J., Brunner J., Grabosch H.J., Nowak S., Rethfeldt C., Ryseck H.E., Walter M., Barabash L.S., Baranov S.A., Batusov Y.A., Bunyatov S.A., Denisov O.Y., Gorbunov N.V., Karev A.G., Kasarinov M.Y., Klimov O.L., Kuznetsov O.M., Ladygin E.A., Lyukov V.V., Mojsenz P.V., Obudovski V.P., Prakhov S.N., Snyatkov V.l., Anykeyev V.B., Bamburov N.S., Borisov A.A., Boshko N.I., Bugorsky A.P., Chernishenko S.K., Chukin G.A., Fachrutdinov R.M., Galjaev N.A., Goryachev V.N., Kirsanov M.M., Koshin A.S., Kravtsov V.L. Kulikov A.V., Lipajev V.V., Muchin A.I., Muchin S.A., Ryshenkov V.N., Salomatin Y.I., Sapunov Y.M., Senko V.A., Shestermanov K.E., Spiridonov A.A., Sytin A.N., Sytnik V.V., Tumakov V.A., Vovenko A.S., Zhigunov V.P., Zudin Y.A. Limits on neutral light scalar and pseudoscalar particles in a proton beam dump experiment// Z. Phys. 1991. V. C51. P. 341; Preprint PHE 90-03. -Zeuthen, 1990.

[6] Аникеев В.Б., Бамбуров Н.С., Божко Н.И., Борисов А.А., Бугор-скин А.П., Вовенко А.С., Галяев Н.А., Горячев В.Н., Жигунов В.П., Зудин Ю.А., Кирсанов М.М., Кожин А.С., Кравцов В.И., Куликов А.В., Липаев В.В., Мухин А.И., Мухин С.А., Рыченков В.Н., Саломатин Ю.И., Сапунов Ю.М., Сенько В.А., Спиридонов А.А., Сытин А.Н., Сытнпк В.В., Тумаков B.JL, Фахрутдинов P.M., Черничен-ко С.К., Шестерманов К.Е., Щукин Г.Л., Блюмляйн И., Бруннер И., Вальтер М., Грабош Х.И., Ланиус П., Новак Ш., Ретфельд К., Ры-зек Х.Е., Барабаш Л.С., Баранов С.А., Батусов Ю.А., Бунятов С.А., Горбунов Н.В., Денисов О.Ю., Казаринов М.Ю., Карев А.Г., Киш Д., Климов О.Л., Кузнецов О.М., Ладыгин Е.А., Люков В.В., Мойзес П.В., Обудовский В.П., Прахов С.Н., Снятков В.И., Яки 3. Поиск легких нейтральных скалярных и псевдоскалярных частиц в pFe-взаимодействии при энергии 70 ГэВ: Препринт ИФВЭ 91-139. - Протвино, 1991.

[7] Божко Н.И., Кравцов В.И. Система высоковольтного питания ФЭУ жидкостных сцинтилляционных счетчиков нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ: Препринт ИФВЭ 91-143. - Протвино, 1991.

[8] Blumlein J., Brunner J., Grabosch H.J., Nowak S., Rethfeldt C., Ryseck H.E., Kiss D., Barabash L.S., Baranov S.A., Batusov Y.A., Bunyatov S.A., Denisov O.Y., Gorbunov N.V., Karev A.G., Kasarinov M.Y., Klimov O.L., Kuznetsov O.M., Ladygin E.A., Lyukov V.V., Mojsenz P.V., Obudovski V.P., Prakhov S.N., Snyatkov V.I., Anykeyev V.B., Bamburov N.S., Borisov A.A., Boshko N.I., Bugorsky A.P., Chernishenko S.K., Chukin G.A., Fachrutdinov R.M., Galjaev N.A., Goryachev V.N., Kirsanov M.M., Koshin A.S., Kravtsov V.I., Kulikov A.V., Lipajev V.V., Muchin A.I., Muchin S.A., Ryshenkov V.N., Salomatin Y.I., Sapunov Y.M., Senko V.A., Sliestermanov K.E., Spiridonov A.A., Sytin A.N., Sytnik V.V., Tumakov V.A., Vovenko A.S., Zhigunov V.P., Zudin Y.A. Limits on the mass of light (pseudo) scalar particles from Bethe - Heitler e+e~ and /i+/i~ pair production in a proton-iron beam dump experiment// Int. Journal of Mod. Phys. 1992. V. A7. P. 3835; Preprint PHE 91-11. -Zeuthen, 1991.

Рукопись поступила 18 ноября 1992 г.