Поиск нарушения Т-инвариантности в распаде К + → π о μ + ν с использованием CI(TI) калориметра в качестве детектора нейтральных пионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Институт ядерных исследований Российской академии наук

На правах рукописи Ивашкин Александр Павлович

Поиск нарушения Т-инвариантности в распаде К+ —> с использованием

СвДИ) калориметра в качестве детектора

нейтральных пионов

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Ю.Г.Куденко

Москва, 1998

Содержание

Введение.......................................................4

1 Чувствительность Краспада к нарушению Т-инвариантности 10

1.1 Теоретические аспекты К^ распада ................. . . . 10

1.2 Величина Т-нечетной поляризации мюона в различных теоретических моделях .................................................14

1.2.1 Стандартная модель...................................14

1.2.2 Модель с тремя хиггсовскими дублетами ....................16

1.2.3 Суперсимметричная модель со смешиванием поколений скварков 18

1.2.4 Лептокварковая модель............... . . .............18

1.3 Экспериментальная ситуация в измерении Т-нарушения в К^ распаде 19

1.3.1 Эксперименты с нейтральными каонами............................19

1.3.2 Эксперименты с положительными каонами ..................21

2 Экспериментальный метод 25

2.1 Принцип работы экспериментальной установки............................25

2.2 Принцип измерения Т-нечетной поляризации .....................27

2.3 Особенности эксперимента с остановившимися каонами.........30

2.4 Экспериментальная установка............ . . ..........31

2.4.1 Пучок положительных каонов........................................32

2.4.2 Черенковский счетчик.........................33

2.4.3 Сверхпроводящий тороидальный спектрометр...........44

2.4.4 Активная мишень и кольцевой годоскоп -..............45

2.4.5 Детектор нейтральных пионов....................47

2.4.6 Мюонный поляриметр.........................47

2.4.7 Электронный триггер Краспада . . . ...........................51

2.4.8 Система сбора экспериментальных данных . .'•..........52

3 Св1(Т1) электромагнитный калориметр (детектор нейтральных пи-

онов) 54

3.1 Требования к электромагнитному калориметру . .............54

3.2 . Конструктивное исполнение . . .......................55

3.3 Устройство и съем сигнала с СбЦИ) модулей.....................59

3.4 Методы получения Сз1(Т1) модулей с высоким световыходом ......62

3.5 Обеспечение долговременной стабильности параметров электромагнитного калориметра.............................65

3.6 Параметры СэДИ) модулей при низких энергиях.............67

3.7 Испытание прототипа калориметра на пучках электронов и меченных фотонов..........................................................................71

3.8 Характеристики калориметра в реальном эксперименте.........73

3.8.1 Электронные шумы....................................................73

3.8.2 Спектрометрические параметры......................................74

3.8.3 Временное разрешение....................................74

3.9 Сравнительный анализ Сз1(Т1) калориметров..............................76

4 Идентификация распада в исходных экспериментальных данных 79

4.1 Основные принципы анализа................................................79

4.2- Определение характеристик зарегистрированных частиц........81

4.2.1 Идентификация каона........................81

4.2.2 Импульсный анализ заряженных частиц..............84

4.2.3 Анализ событий в электромагнитном калориметре........88

4.3 Подавление фоновых процессов.......................90

4.3.1 К-,г2 и моды распада..............................................90

4.3.2 Кез рапад и фон в поляриметре......................................93

. 4.3.3 Подавление распадов каонов на лету ........................97

4.3.4 Критерии, используемые при отборе К^ событий........100

5 Анализ К^ распада 102

5.1 Определение экспериментальной чувствительности к Рт.........102

5.1.1 Оптимизация кинематической области К^з распада для событий с двумя фотонами.......-..................103

5.1.2 ■ Оптимизация кинематической области К^з распада для собы-

тий с одним фотоном.........................105

5.1.3 Геометрический фактор ослабления и случайный фон в электромагнитном калориметре........................106

5.1.4 Анализирующая способность поляриметра .............111

5.2 Систематические ошибки...........................113

5.2.1 Влияние азимутальной асимметрии экспериментальной установки114

5.2.2 Вклад Т-четных компонент поляризации..............117

5.3 Результаты анализа..............................123

5.4 Обсуждение полученных результатов....................126

5.4.1 Ограничение на модель с тремя хиггсовскими дублетами .... 126

5.4.2 Ограничение на суперсимметричную модель со смешиванием поколений скварков..........................128

5.4.3 Ограничение на лептокварковую модель . . :............129

Заключение ...............................................130

Литература................................................... 132

Введение

Актуальность проблемы.

Инвариантность физических систем относительно операции обращения времени (Т-инвариантность или Т-четность) наряду с пространственной инверсией (Р-четностью) и зарядовым сопряжением (С-четностью) является фундаментальной симметрией природы. Долгое время предполагалось, что каждая из трех фундаментальных симметрии является строгой. Однако, открытие в 1957 г. Ву с сотрудниками нарушения Р-четности в слабых взаимодействиях [1] заставило пересмотреть концепцию фундаментальных симметрии. Пытаясь сохранить понятие инвариантности для слабых взаимодействий, Л.Д. Ландау выдвинул гипотезу сохранения комбинированной или СР-четности [2]. Но в 1964 г. Кристенсон и др. обнаружили небольшое (на уровне ~ Ю-3) нарушение СР-инвариантности в распадах нейтральных каонов [3]. На основании СРТ-теоремы, доказанной для локальных лоренц-инвариантных систем, предполагается, что строгой является только СРТ-инвариантность.

В настоящее время механизм нарушения СР-инвариантности полностью не выяснен. Существует несколько теоретических моделей, претендующих на объяснение СР-нарушения. Основное внимание сосредоточено на введение СР-нарушения в рамках стандартной модели или ее расширений. В схеме, предложенной Кобаяши и Мас-кава [4], СР-нарушение происходит в случае ненулевой фазы 8 в матрице Кабиббо-Кобаящи-Маскава (СКМ), если в процесс включены более двух СКМ матричных элементов и происходит обращение к тяжелым кваркам. Данная модель не требует никаких новых частиц, кроме тех, которые уже входят в стандартную модель, объясняет экспериментально наблюдаемое СР-нарушение в системе нейтральных каонов, хотя и не дает информации об источниках этого нарушения. В других калибровочных теориях СР-нарушение вводится постулированием существования дополнительных тяжелых векторных или скалярных бозонов, например, новых хиггсовских бозонов (в дополнении к тому, который требуется для придания массы Ж ж Ъ бозонам) [5] или лево- правополяризованных векторных У/ бозонов (лево-правосимметричная модель [6, 7]). Постулирование дополнительных суперслабых взаимодействий [8] также приводит к СР-нарушению. Для описания СР-несохранения активно используются суперсимметричные модели [9] - [11].

Интерес к природе нарушения СР-инвариантности тесно связан с попытками объяснить барионную асимметрию Вселенной. На связь этих двух явлений впервые обратил внимание А.Д. Сахаров [12], а затем В.А. Кузьмин [13], построивший другую

модель, приводящую к барионной асимметрии. Вопрос о возможности объяснения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной только СКМ-механизмом, присутствующим в матрице СКМ, пока не совсем ясен [14]. В то же время, расширения стандартной модели естественным образом содержат новые источники CP-нарушения и могут обеспечить наблюдаемую барионную асимметрию.

Несмотря на активные поиски, CP-нарушение не обнаружено ни в каких других процессах за исключением системы нейтральных каонов. В настоящее время ведется интенсивная подготовка к поиску нарушения CP-инвариантности в системах Б-мезонов [15]. В КЕК (Япония) и SLAC (США) строятся два сильноточных е+е~ коллайдера, так называемые В-фабрики. Создаются четыре специализированных детектора по исследованию распадов В-мезонов: ВаВаг (SLAC), Belle (КЕК), HERA-B (DESY, ФРГ) LHCb (CERN, Швейцария). Планируется проведение экспериментов по поиску прямого CP-нарушения в распаде нейтрального каона К\ —> -k^vv [16]-[18].

В предположении сохранения СРТ-симметрии нарушение CP-симметрии означает нарушение Т-инвариантности. Можно выделить несколько направлений изучения Т-симметрии. Интенсивно ведутся поиски электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона [19], [20], который не равен нулю только в случае нарушения Р-и Т-симметрии. В стандартной модели ЭДМ оценивается на пренебрежимо малом уровне Ю-30 — 10~33е-ем [21]. Поэтому обнаружение ЭДМ будет означать выход за рамки стандартной модели и открытие "новой физики". -

Другим направлением проверки Т-инвариантности является поиск существования тройных корреляций в распадах частиц типа а(р{ х где а, р[ и р2 - спин и импульсы частиц в конечном состоянии, соответственно. Поскольку преобразование обращения времени влечет за собой переворачивание импульсов и спинов частиц, существование тройных корреляций ведет к нарушению Т-инвариантности. Примерами таких процессов являются /3-распад нейтрона и К+ —> 7г°рь+и (üfM3) распад положительного каона.

Возможность обнаружения Т-нарушающей (или поперечной) поляризации мюона Рт в Kßз распаде была впервые предложена около 40 лет назад американским физиком Дж. Сакураи [22]. В стандартной модели предсказывается неизмеримо малая (на уровне ~ Ю-6) величина Т-нечетной поляризации [23, 24]. Таким образом, обнаружение ненулевой Рт явится прямым доказательством существования "новой физики" вне стандартной модели.

Поиск Т-нечетной поляризации осуществлялся в.' серии экспериментов с распадами нейтральных и положительных каонов на лету. Несмотря на активные поиски положительный эффект не был обнаружен ни в одном эксперименте. Тем не ме-

нее, открытие Т-нарушения в распаде привело бы к выходу теории за рамки стандартной модели и указало бы новые источники происхождения СР-нарушения. В случае необнаружения положительного эффекта установление нового ограничения на Т-нечетную поляризацию важно для объяснения механизма нарушения СР-инвариантности и исключения (или ограничения на параметры) ряда нестандартных моделей, приводящих к СР-нарушенто. В связи с фундаментальностью данной проблемы представляется актуальным поиск нарушения Т-инвариантности на новом уровне экспериментальной чувствительности.

Целью работы является создание экспериментальной установки и проведение эксперимента по поиску нарушения Т-инвариантности в распаде К+ —> 7г°/л+1/ остановившихся каонов, т.е. измерение Т-нечетной поляризации мюона; получение новых экспериментальных результатов по измерению Т-нечетных параметров в К^ распаде.

Новизна, научная и практическая ценность работы

В работе получены следующие новые методические и научные результаты:

1. Разработана методика изготовления модулей Сз1(Т1) с использованием полупроводниковых фотодиодов для съема сигнала. Используемые методы позволили получить уникально большой световой выход и предельно низкие шумы данных модулей. Полученные параметры модулей впервые позволили в подобной конфигурации использовать временные свойства Сз1(Т1) кристаллов для идентификации регистрируемых частиц.

2. Для регистрации нейтральных пионов из распада К+ —> создан сегментированный Сз1(Т1) электромагнитный калориметр, работающий в сильном неоднородном магнитном поле. Характеристики детектора позволили эффективно использовать метод компенсации ложной асимметрии (двойное отношение) для существенного подавления систематических ошибок.

3. Разработан пучковый черенковский счетчик полного внутреннего отражения, идентифицирующий каоны и пионы пучка в диапазоне импульсов 600-700 МэВ/с с эффективностью более 99% при вероятности ложной идентификации пиона как каона, не превышающей 0.5%.

4. Получены новые экспериментальные ограничения на Т-нечетную поляризацию мюона и параметр 1т(£), характеризующий эффект Т-нарушения в Краспаде.

На защиту выносятся;

1. Методика получения Сз1(Т1) модулей с большим световым выходом и низким уровнем шумов при использовании полупроводниковых фотодиодов для съема сигнала.

- 2. Электромагнитный калориметр для регистрации нейтральных пионов в К^ распаде, состоящий из 768 Сз1(Т1) модулей и работающий в сильном неоднородном магнитном поле.

3. Разработка и создание черенковского счетчика полного внутреннего отражения, регистрирующего каоны и пионы пучка в диапазоне импульсов 600-700 МэВ/с.

4. Разработка и исследование критериев отбора событий в исходных экспериментальных данных. Методы определения экспериментальной чувствительности установки к Т-нечетной поляризации мюона и параметру 1т(£).

5. Результаты анализа экспериментальных данных. Новые пределы на Т-нечетную поляризацию мюона и параметр 1т(£) в К^ распаде.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты, представленные в диссертации, неоднократно докладывались автором на международных научных совещаниях в рамках сотрудничества по эксперименту Е246 в КЕК. Результаты работы были представлены на 13-ой международной конференции по элементарным частицам и ядрам (РАШС-ХШ, Перуджа, Италия, 1993); 6-ой международной конференции по экпериментальным методам на е+е~ коллайдерах (1пз1гитеп1а^оп96, Новосибирск, 1996); 29-ой международной конференции по физике высоких энергий (1СНЕР98, Ванкувер, Канада, 1998).

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах [57, 61, 62, 63, 64, 68, 92].

Последовательность изложения материала.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе описывается феноменология К+ тг°/х+у распада, вводится понятие Т-нечетной поляризации мюона Рт и определен параметр 1т(£), характеризующий степень нарушения Т-инвариантности в К^ распаде. Показано, что обнаружение Рт приводит к выходу за рамки стандартной модели. Приводятся предсказания различных нестандартных моделей на величину Т-нечетной поляризации. Дан обзор текущей экспериментальной ситуации в изучении К^ распада как положительных, так и нейтральных каонов. Показано, что использование распадов каонов на лету создает значительный фон в детекторе и может привести к систематическим ошибкам при дальнейшем увеличении экспериментальной чувствительности.

Во второй главе описывается принцип измерения Т-нечетной поляризации с использованием распадов остановившихся каонов. Показано, что распад каона в покое обеспечивает большую экспериментальную чувствительность к Т-нечетному эффекту. Изложены три основных принципа компенсации возможных систематических ошибок, в частности, метод двойного отношения, обеспечивающий вычитание ложной асимметрии для двух классов событий с противоположными импульсами пионов. Приводится схема экспериментальной установки эксперимента Е246 (КЕК, Япония), дано описание ее основных элементов. Подробно рассматривается черенковский счетчик полного внутреннего отражения, предназначенный для идентификации каонов и пионов в пучке. Показано, что используемые методы и полученные параметры счетчика обеспечивают высокую эффективность регистрации частиц.

В третьей главе дано подробное описание Сб1(Т1) электромагнитного калориметра, используемого для регистрации нейтральных пионов из К^ распада. Приводятся конструкция 7г°-детектора и его экспериментально определенные характеристики. Рассматривается методика создания Сб1(Т1) модулей в высоким световым выходом. Показано, что уникальный световыход и низкий уровень шума дают возможность использовать временные свойства Сэ1(Т1) кристаллов при использовании полупроводниковых фотодиодов для съема сигнала. Дается краткая сравнительная характеристика действующих однотипных электромагнитных калориметров.

' В четвертой главе описываются основные принципы анализа экспериментальных данных. Приводятся методы идентификации К^ событий в присутствии интенсивных фоновых мод распада К^ и положительного каона, а также случайного фона от пучка. Показано, что импульсный анализ заряженных частиц, использование время-пролетного метода и временных свойств электромагнитного калориметра позволяют надежно выделить К^ распады и подавить фон до уровня нескольких процентов.

В пятой главе приводится процедура анализа К^ событий, выделенных на предыдущем этапе обработки экспериментальных данных. Описаны методы определения чувствительности установки к Т-нечетной поляризации мюона и параметру 1т(£). Анализирующая способность поляриметра и геометрический фактор ослабления Рт определены с использованием Монте Карло моделирования и интегральных характеристик зарегистрированных К^ событий. Выделены кинематические области Кмз распада, максимально чувствительные к исследуемому эффекту. Получены новые экспериментальные ограничения на величины Т-нечетной поляризации мюона Рт и параметра 1т(£).

Подробно исследованы возможные источники и величины систематических ошибок. Исходя из полученных результатов, даны новые ограничения на параметры некоторых нестандартных моделей СР-нарушения.

В заключении приведены основные результаты и следующие из них физические выводы.

Глава 1

Чувствительность К^3 распада к нарушению Т-инвариантности

В перв