Поиск новых барионов в эксперименте Belle тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ А. И. АЛИХАНОВА

На правах рукописи

Мизюк Роман Владимирович

Поиск новых барионов в эксперименте Belle

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006 г.

УДК 539.12

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики"

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН М.В. Данилов (ИТЭФ, г Москва)

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН A.B. Кайдалов (ИТЭФ, г Москва)

доктор физ.-мат. наук, профессор А.М. Зайцев (ИФВЭ, г. Протвино)

Ведущая организация:

ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск)

Защита диссертации состоится 25 апреля 2006 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 201 002.01 в ГНЦ РФ ИТЭФ по адресу: г. Москва, ул. Б. Черемушкинская, д. 25, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ. Автореферат разослан 24 марта 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /7 —'

кандидат физ.-мат. наук *, Васильев В. В.

XpOQ A 6647

Общая характеристика работы

Темой диссертации является обнаружение нового изотриплета очарованных барио-нов, распадающихся в конечное состояние A+ir [1], и поиск в(1540)+-пентакварка с использованием взаимодействий низкоэнергетичных каонов в веществе детектора [2, 3, 4].

Экспериментальные данные, использованные для анализа, получены на установке Belle, работающей на асимметричном е+е--коллайдере КБКВ (Япония, г.Цукуба) в области энергии Т(45)-резонанса.

Актуальность темы

Адронная спектроскопия занимает важное место в физике элементарных частиц, являясь лабораторией для изучения области сильной связи в квантовой хромодинамике (КХД) и развития непертурбативных подходов. Спектроскопия очарованных адронов представляет особый интерес, поскольку из-за большой массы с-кварка теоретические расчеты упрощаются. Очарованные барионы позволяют изучать динамику дикварка в поле тяжелого кварка. Почти все основные состояния очарованных барионов уже обнаружены, однако о Р-волновых возбуждениях известно мало, в частности, в системе Ег Р-волновые возбуждения еще не наблюдались.

Обнаружение в(1540)+-пентакварка, резонанса с минимальным кварковым составом uuddS, является наиболее ярким событием в адронной спектроскопии за последние годы. Полного понимания динамики этого многокваркового состояния нет, в частности, различные теоретические подходы не согласуются в предсказании четности 6(1540)+. Хотя в(1540)+-пентакварк наблюдался приблизительно в десяти экспериментах, бесспорного свидетельства о его существовании нет. Так при высоких энергиях были получены многочисленные отрицательные результаты. Для подтверждения 0(154О)+-пентакварка необходим эксперимент при низких энергиях с высокой статистикой. Особенный интерес представляет реакция К+п —► 6(1540)+ —» рК%, сечение которой связано с шириной 0(154О)+ пентакварка модельно независимым образом.

Цель диссертации

Обнаружение изотриплета возбужденных очарованных барионов, распадающихся в конечное состояпие Л+тг, измерение параметров новых состояний. Поиск 0(154О)+-пен-такварка с использованием взаимодействий низкоэнергетичных каонов в веществе детектора, поиск эксклюзивной реакции К+п —» 9(1540)+ —» pKg.

Научная новизна

Уникальные характеристики детектора Belle в сочетфнньс Щ!КШШД0/Г ШРГИСТикой

--плциия. / БИБЛИОТЕК

позволили осуществить исследования, описанные в диссертации.

Обнаружен изотриплет возбужденных очарованных барионов, распадающихся на Лстг; измерены значения соответствующих масс и ширин; проведен угловой анализ распадов; исследованы свойства фрагментации; обсуждаются возможные квантовые числа новых состояний.

Разработан метод поиска 0(154О)+-пентакварка г использованием вторичных взаимодействий низкоэнергетичных каонов в веществе детектора. Установлен верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 0(154О)+-пентакварка и гиперона Л(1520), оказавшийся на порядок ниже значений, полученных в некоторых экспериментах с положительным результатом Осуществлен поиск эксклюзивной реакции К+п —> в(1540)+ —> установлен верхний предел на ширину 9(1540)+-пснтакварка, оказавшийся ниже значения ширины в таблице "Свойства элементарных частиц" (издание 2004 г.).

Вопросы, выносимые на защиту

1. Обнаружение изотриплета возбужденных очарованных барионов, распадающихся на Л+7г~, и Л+7г+; измерение соответствующих масс и ширин; угловой анализ распадов и исследование свойств фрагментации новых состояний

2. Оригинальный метод использования вторичных взаимодействий низкоэнергетич-ных каонов в веществе детектора для поиска 0(154О)+-пентакврка.

3. Результат поиска 9(1540)+-пентакварка во взаимодействиях низкоэнергетичных каонов с веществом установки: верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 0(1540)+ пентакварка и Л(1520)-гиперона.

4. Результат поиска реакции К+п —* 0(154О)+ —> pif®' верхний предел на ширину 0(154О)+-пентакварка.

Апробация работы и публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1, 2, 3, 4]. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях сотрудничества Belle, семинарах ИТЭФ, сессии ОЯФ РАН, многочисленных международных конференциях, включая ICHEP 2004 (Китай, г Пекин), La Thuile 2005 (Италия, Aosta), EPS 2005 (Португалия, г Лиссабон), а также специализированную конференцию PENTAQUARK 2004 (Spring-8, Япония). Результаты, представленные в диссертации, будут включены в "Таблицу свойств элементарных частиц" (издание 2006 г).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Ее объем 125 страниц, включая 48 рисунков и 13 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 136 наименований.

Содержание диссертации

Во введении описывается актуальность проблемы, формулируется тема исследования и приводится план расположения материала.

В первой главе представлена классификация очарованных барионов в кварковой модели, кратко описана история их экспериментальных исследований, рассмотрены теоретические модели очарованных барионов. Приведены предсказания кварковых моделей, киральной пертурбативной теории тяжелых адронов и солитонных моделей для масс и ширин очарованных барионов

Во второй главе рассмотрена история открытия 6(1540)+-пентакварка, обсуждается его экспериментальный статус, описаны теоретические модели пентакварков. Внимание уделено модели киральных солйтонов, кварковой модели, правилам сумм КХД и КХД на решетках. Обсуждается возможность объяснить в данных моделях малую массу и ширину певтакварка, представлены предсказания моделей для четности 6(1540)+.

Третья глава содержит описание экспериментальной установки: асимметричного ускорителя е+е~-пучков КЕКВ, детектора Belle, основных положений физической программы эксперимента, системы триггеров для отбора различных физических процессов, а также используемой техники идентификации заряженных частиц. Детектор Belle был оптимизирован для измерения нарушения CP-симметрии в распадах В-мезонов. Элементы детектора цилиндрически-симметрично размещены вокруг точки взаимодействия пучков в магнитном поле напряженностью 1.5 Т. Магнитное поле создается при помощи сверхпроводящего соленоида. Основными компонентами детектора являются силиконовый вершинный детектор SVD, дрейфовая камера CDC, аэрогелевый детектор черен-ковского излучения АСС, электромагнитный калориметр ECL из кристаллов CsI(Tl), сверхпроводящий магнит, а также слои мюонных камер в ярме магнита KLM. Основные параметры элементов детектора приведены в табл. 1. Детектор покрывает телесный угол в интервале от 17° до 150° по азимутальному углу, что соответствует 92% от полного телесного угла 4тг в системе центра масс е ' е -пучков. Универсальный характер установки позволяет проводить измерение редких распадов В-мезонов, исследование свойств очарованных частиц, физики двух-фотонных взаимодействий, распадов т-лептона, а также поиск физических явлений за пределами Стандартной Модели.

В четвертой главе представлен анализ по обнаружению изотриплета очарованных барионов, распадающихся на Л+7г. Описаны критерии отбора частиц, процедура определения параметров новых барионов, угловой анализ их распадов и исследование свойств фрагментации, обсуждаются их возможные квантовые числа.

Для поиска очарованных барионов использовался статистический материал с интегральной светимостью 281fb_1. Барион Л+ восстанавливался в канале рК~7Г+.' Д ля подавления комбинаторного фона использовалось ограничение на нормированный импульс Л,! ^-комбинаций: хр > 0.7, где хр = р*/т/Е£ат - M2, р* - импульс кандидата в очарованные барионы в системе центра масс (ЦМ), Е^^ - энергия пучка в системе ЦМ и M -масса кандидата. Для подавления фона от низкоэнергетичных пионов из фрагментации применялось требование cos f?dec > —0.4, где вЛес - угол между импульсом 7г-мезона в

'В этой главе подразумевается включение зарядово сопряженных состояний.

Таблица 1: Параметры основных элементов детектора Belle

Элемент детектора Тип материала Конструкция Параметры работы

БМ) Двухсторонние силиконовые сенсоры Размер считывающего элемента: 57.5 х 33.5 тт2. Размер силиконового стрипа: 25(р) / 42(п) цт. ~ 80 ¡МП

СОС Дрейфовая камера 50% Не 50% С2Н6 50 слоев проволочного считывания (8400 каналов), 3 слоя катодно-стрипового считывания (1792 канала) Cpt/Pt = = 0.3% v/p^ +1 aiE/ix = 6%

АСС Аэрогелевые пороговые черепковские счетчики 960 каналов в боковой области, 228 каналов в торцевой области Лре >6 К/^-разделение 1.2 — 3.5GeV/c

ТОК тес Сцинциллятор 128 ^-сегментов г = 120ст, длина Зт 60 сегментов <7< = 100 ps, K/ir-разделение до 1.2GeV/c

ЕСЬ Кристаллы СяЦТ!) 6624 канала в боковой области, 1152 (+г) + 960 (-г) в торцевой области ОЕ/Е = "pos = 0.5сш-/Ё

системе покоя Л+тг-пары и направлением буста Л+я--пары в системе ЦМ. Зависимость числа событий от разницы масс ДМ(Л^тг) = ЛГ(Л+тг) - М(А^) для А*тг~, Л+тг° и Л+7Г+ пар представлена на рис. 1. На всех распределениях наблюдаются избытки событий в

Рис 1' Зависимость числа событий от М(Л+7г) — М(Л+) для Л+7г~, Л+7г° и Л+7г+-пар из сигнальной (точки с ошибками) и нормированной контрольной (гистограмма) областей Л+-бариона. Фитирование описано в тексте Прерывистой линией показана комбинаторная составляющая фитирующей функции. На вставках представлены распределения после вычитания фона с наложенной сигнальной компонентой фитирующей функции.

области ~ 0.51 GeV/c2, которые интерпретируются как сигналы новых возбужденных очарованных барионов, образующих изотриплет. Для новых состояний введены обозначения Ес(2800)°, Ес(2800)+ и £с(2800)++. Распределения по ДМ(Л+тг) для событий из контрольной области Л+ бариона (="sidebands") с нормировкой, соответствующей фону в сигнальной области, не содержат выраженных структур (рис. 1). Распределения по ДМ(Л+тг) для событий е+е~ —» сс, полученных методом Монте-Карло, также оказались гладкими.

Избыток событий в распределениях по ДМ(Л+7Г~) и ДМ(Л+7Г+) при ~ 0.42 GpV/c2 обьяся^ется вкладом распадов Лс(2880)+ —» А^тг+тг~. Резонанс Лс(2880)+ был обнаружен коллаборацией CLEO в конечном состоянии Л+тг+7г~, вклад промежуточных резонансов £с(2455)° и £с(2455)++ составляет 30%. Двумерное распределение АМ(А+п~) относительно ДЛ/(Л+7г+) для распада Лс(2880)+ ---» Л+тг+7г_, полученное в результате моделирования методом Монте-Карло, представлено на рис. 2 (а). Поскольку энерговыделение в распаде ограничено, ДМ(Л+тг+) и ДМ(Л+7г~) сильно коррелировали. Распады, идущие через промежуточный резонанс ЕС(24Й5)++ (Ес(2455)°) и дающие пик в распределении по &М(А+п+) '(ДМ(Л+ 7г—)) при ~ 0 17 GeV/c2, дают также пик при ~ 0.42 GeV/e2 в распределении по АМ(Л+ж~) (АМ(А£ 7г ( )). Форма этого отражения определялась в результате моделирования методом Монте-Карло, а коэффициенты нормировки - из данных. Для определения коэффициентов нормировки распады Лс(2880)+ —> были полно-

стью восстановлены. При этом наблюдались отчетливые сигналы резонансов Ле(2765)+

(а)

" 1 I I I 1 . I I . % ...... . , , .

0.2 03 0.4 0.S

ДМ(Л+7Г"), GeV

> 200 2 150

- 50

о 200 150 100 50 О

(Ъ)

Ttilllllll.linillllllnillM.rri

015 0.2 0.25 0 3 0 3S 0.4 045

- М(Л+), GeV/с2

Рис. 2: (а) Двумерное распределение АМ(А+1г~) относительно ДМ(Л+7г+) для распада Лс(2880)+ —> Л+7Г+7Г-, полученное в результате моделирования методом Монте-Карло. (Ь) Выход Лс(2880)+ в зависимости от ДМ(Л+7Г+) и ДМ(Л+7Г~) Точки соответствуют данным, гистограмма - результатам фитирования.

и Лс(2880)+, согласующиеся с наблюдением этих состояний коллаборацией CLEO. Выход Лс(2880)+ в зависимости от ДМ(Л+тг+) и ЛМ(Л+7г~), определенный из данных, показан на рис 2 (Ь). Выход фитировался суммой трех компонент, соответствующих вкладу распадов Лс(2880)+ — £с(2455)++я- -» Л+тг+тГ, Лс(2880)+ Ec(2455)%+ -» Л+тг+тГ и Лс(2880)+ —» (Л+7г+7г ~)n0nres- Поправленный неэффективность восстановления дополнительного пиона результат фитирования определяет нормировку отражения. Нормировка отражения для конечного состояния Л+тг° оценивалась с использованием изотопических соотношений.

Выход и параметры резонансов £с(2800)°, Ес(2800)+ и Ес(2800)++ были найдены из фитирования массовых спектров Л+тг-комбинаций (рис. 1). Фитирующая функция является суммой трех компонент, соответствующих вкладу сигнала, отражения от Лс(2880)+ и комбинаторного фона. Поскольку резонансы £с(2800) были предварительно идентифицированы как Erf-барионы, распадающиеся на Л+я- в D-волне, сигнал был параметризован D-волновой функцией Брейта-Вигнера, свернутой с функцией разрешения детектора. Разрешение детектора было описано функцией Гаусса с шириной, определенной в результате моделирования методом Монте-Карло, составившей а — 2MeV (7MeV) для конечного состояния (Л+7г°). Форма и нормировка отражения от Лс(2880)+ были

фиксированы. Комбинаторный фон был параметризован обратным полиномом третьей степени (1/{Со + С\х + С2х2 + С3х3}, где С, - свободные параметры). Результаты фитирования приведены в табл. 2. Выход сигнала определен как интеграл функции Брейта-Вигнера в массовом интервале 0.34 < ДМ < 0.69GeV (±2.5Г).

Значимость сигнала (определенная как 21n£0/£max, где Со - значение правдоподобия, найденное в процедуре фитирования с коэффициентом нормировки сигнала,

Таблица 2: Выход, масса и ширина резонансов Ес(2800)°, Ес(2800)+ и Ес(2800)++, полученные из фитирования. Первая неопределенность - статистическая, вторая - систематическая. ___._

Состояние Выход /10® ДМ, МеУ/с2 Г, МеУ

£с(2800)° £с(2800)+ £с(2800)++ 9 ОЛ+0 79+1.03 1 ел+1.05+1.40 1ОЧ:-0.57-0.88 О Й1 +0.83+0.71 0 60 —0 49 515.4^1^ 514.511-^1 6111!^ £9+37+52 ® —23—38 7С+18+12

зафиксированным в нуле, а - в обычной процедуре фитирования) равна 8.6, 6.2 и 10 0 стандартных отклонений для £с(2800)°, Ес(2800)+ и £с(2800)++ соответственно.

Для оценки систематической погрешности полученных результатов процедура фитирования была модифицирована:

1. Изменена параметризация сигнала. Помимо Б-волновой функции Брейта-Вигнера, использовались в-волновая и Р-волновая.

2. Изменен интервал фитирования и параметризация фона: использовано пять интервалов фитирования, для каждого интервала использовано восемь функций для параметризации комбинаторного фона, включая полиномы и обратные полиномы разных степеней, произведения полинома и экспоненты.

3. Варьированы коэффициенты нормировки отражения на ±2о.

4. Варьированы критерии отбора.

Систематическая погрешность от каждого вклада была определена как максимальное отклонение результатов фитирования. Для получения полной систематической погрешности систематические погрешности от разных источников были сложены квадратично. Основной вклад в полную погрешность дали изменение интервала, использованного в процедуре фитирования, и изменение параметризации фона.

Параметры обнаруженных состояний, статистические и систематические погрешности представлены в табл. 2. Значимость сигналов для всех конечных состояний превышает 5.2<т при всех рассмотренных параметризациях фона.

Угловое распределение продуктов распада Ес(2800)-резонансов в пределах ошибок совместимо с изотропным (рис. 3 (а)).

Импульсный спектр Ее(2800)-резонансов жесткий (рис. 3 (Ь)). Для фитирования импульсных спектров использовалась функция фрагментации Петерсона: ¿Ы/йх^, ~ ж~1[1 — 1/жр-е/(1—хр)2]-2. Найденные значения параметра е: 0.078^.мт А™ £с(2800)°, 0.095^ ^ для £с(2800)+ и 0.06912 012 Д™ Ес(2800)+Ч близки к значениям, измеренным для известных орбитальных возбуждений очарованных барионов.

Сечение инклюзивного рождения £с(2800)-резонансов во всем импульсном диапазоне сг(е+е- - ЕС(2800)Я") х В(ЕС(2800) — Л+тг) составило (2.041°™!° ± 0.53) рЬ для £<¡(2800)°, (2.611 о~1б ± 0.7) рЬ для £с(2800)+ и (2.361®^«« ± 0.61) рЬ для £с(2800)++,

15000 0000

te;

5000 О

15000 10000 5000 О

15000 10000 5000 0

(а)

Л+7Г0

1 ' « ■ 1 I ' ' ' ■ 1

-0.5

_1_

Л+7Г+ ——+-

I i i . i

0 0.5 cos 0dec

-н 10000 te; 5000

о

10000 5000

о

10000 5000

о,

1 Л+Я-- , , . 1 (Ь) ., i. .т:

- Л+7Г° +

,, , 1 , . , 1 , ,-+1 . , , 1 , , .

1 Л+7Г+ гТтЬ^ +

0.2 0.4 0 6 0.8 1

Хг,

Рис. 3: Выход резонансов £с(2800)°, Ес(2800)+ и Ес(2800)++ в зависимости от cosödec (а) и от хр (Ь), поправленный на эффективность восстановления.

где первая неопределенность - статистическая, вторая - систематическая, третья обусловлена погрешностью относительной вероятности распада Л+ —> рК~я+.

Теоретические модели предсказывают, что область масс М ~ 2800 MeV/c2 в системе £с соответствует Р-волновым возбуждениям (см. рис. 4), насчитывающим один син-глет £со(§) и три дублета £ci(§> §). ¿Wf, |), £éi(¿i |) симметрии тяжелых кварков. В киральной пертурбативной теории тяжелых адронов состояние Eco очень широкое (Г ~ 500 MeV); Eci - широкое (Г ~ 100 MeV), распадается с испусканием двух пионов; £с2 - узкое (Г ~ 15 MeV), распадается на Л+тг; Т!а - узкое, в кварковой модели не распадается на Л+7г. Физические состояния могут возникать при смешивании состояний с одинаковыми квантовыми числами Например, состояние, возникающее при смешивании близлежащих £сг(|) и Scl(|), может иметь ширину, близкую к измеренной

Резонансы Ес(2800) являются кандидатами на первое обнаруженное орбитальное возбуждение в системе Ес.

В пятой главе подробно описан поиск в(1540)+-пентакварка с использованием вторичных взаимодействий низкоэнергетичных каонов в веществе установки.

Для поиска 9(1540)+-пентакварка использовался статистический материал с интегральной светимостью 397fb-1. Отбирались рК~, рК+ и рАд-пар, образующие вершины, отстоящие от точки е+е~-взаимодействия. Распределение отобранных рК^-вершин в плоскости ху для двух конфигураций внутренних детекторов показано на рис. 5. Поскольку структура детектора отчетливо видна, основная часть отобранных рК-пар соответствует вторичным взаимодействиям в веществе детектора. В дальнейшем изложении

2.5

"Ч

(GeV)

2.6

2.4

in--"- ' 5/2+ mN+mD

312— U2--

|2630. 2590

Set 5 SM QM1 QM2 QM3 Expt.

2.8

(GeV)

2.6

2.4

2.2

3/2--

иг--;

/2844

m„+m„

£2763 2760

3/2+ U2*

2499 2493 •-

- - ZZL- -2513

2495

:-TmSm ™

■ 2387; ••

2289 2325 22S2 \ 2265 2260 -

SetS SM QM1 QM2 QM 3 Expt.

Рис. 4: Предсказания моделей и измеренные значения масс состояний Лс и Ес Set 5 и SM обозначают, соответственно, солитонные модели ОхагПарка и Ро-Риски-Скоккола, a QM1, QM2 и QM3 - кварковые модели Капстика^Исгура, Копли-Исгура-Карла и Каллана-Трана.

й ю

и

■А

• 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 > 1 ■■>• 1 1 . " ^. i

. 1 ••>■(■ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . 1 «

5 10 -10

х, cm

5 10

х, cm

Рис. 5: Распределение отобранных рАТ^-вершин в плоскости ху для конфигураций внутренних детекторов 8\Т>1 и 8УБ2.

отобранные рК-пары будут называться вторичными парами, а их вершины - вторичными вершинами.

Зависимость количества событий от массы вторичных рК~ и рК%- пар представлена на рис. б (а) Массовый спектр рК^-пар гладкий, а в массовом спектре рК~-пар виден

% 8000|-^ 6000 -•

4000 -

2000

1^1

I } ■ . I V I . I . Г I ■ I I I 1 . ■ . ■ I I ■ . I

.4 145 1.5 1!55 1.6 1.65 1.7 трк, веУ/с2

1 1.5 2 2.5 Рл(1520), веУ/с

Рис. 6: (а) Массовый спектр вторичных рК'~-вершин (точки с ошибками) и рК%-вершин (гистограмма). (Ь) Импульсный спектр Л(1520)-гиперонов, поправленный на эффективность восстановления.

четкий сигнал Л(1520)-гиперона, который удобно использовать для нормировки. Выход Л(1520)-гиперона определялся из фитирования. Форма сигнала описывалась В-волновой функцией Брейта-Вигнера, свернутой с функцией разрешения детектора Разрешение детектора описывалось суммой двух функций Гаусса, параметры которых были определены в результате моделирования методом Монте-Карло. Найденные ширины и относительные вклады функций Гаусса составили 1.9МеУ/с2 (64%) и 5.4МеУ/с2 (36%). Форма фона описывалась пороговой функцией. Найденные масса и ширина Л(1520)-гиперона согласуются с табличными значениями. Выход Л(1520)-гиперона, определенный как интеграл сигнальной части фитирукяцей функции в области 1.48 — 1.56 СеУ/гг2 (±2.5Г), равен (4.1 ± 1.0) • 104 событиям

Гипероны Л(1520), рожденные в реакции К~р —» Л(1520) —»рК~ на свободных протонах, имеют импульс ~ 400МеУ/с. Поскольку наблюдаемый импульсный спектр Л(1520)-гиперонов значительно жестче (рис. 6 (Ь)), доминирующий вклад в рождение Л(1520)-гиперонов дают неупругие реакции. Вершины Л(1520)-гиперонов с восстановленным дополнительным А"+-мезоном составляют меньше процента всех случаев Следовательно, вклад процессов с рождением в$-пары мал, и странный кварк уже содержится в налетающей частице. Такими частицами могут быть К~, Щ, Кц-мезоны и Л-гиперон. Оценки, основаиые на потоке Л-гиперонов и вероятности Л-гиперона провзаимодействовать в веществе детектора, показывают, что вклад налетающих Л в рождение Л(1520) не превышает нескольких процентов. Изложенное выше позволяет заключить, что Л(1520)-гипероны

рождаются в неупругих реакциях, вызванных налетающими каонамн- NN —» Л(1520)Х.

Верхний предел на выход 0(154О)+-пентакварка был получен из фитирования массового спектра рКд-пар (рис. б (а)). Предполагалось, что форма сигнала в(1540)+-пентакварка определяется разрешением детектора. Разрешение детектора описывалось суммой двух функций Гаусса с параметрами, определенными в результате моделирования методом Монте-Карло. Найденные ширины и относительные вклады функций Гаусса равны г.ОМеУ/с2 (45%) и 4.8 МеУ/с2 (55%). Форма фона описывалась полиномом третьей степени. Поскольку существует противоречие в результатах измерения массы 9(1540)+-пентакварка различными экспериментами, фитирование повторялось для разных значений массы. Выход в(1540)+-пентакварка не превосходит 320 событий на 90-процентном уровне достоверности в диапазоне масс (1.52 - 1.56) ОсУ/с2.

Исходя из равенства потоков первичных каонов с положительной и отрицательной странностью, был установлен верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 6(1540)+ и Л(1520):

а(КЯ -* в(1540)+-У) ЛГе(1540)+ еРк- В(Л(1520) - рК~)

<т(/Ш - Л(1520)Л") ЛГл(1520) ®(0(154О)+ —► рК%)В(Кд —> 7г+7г~) ' 0

на 90-процентном уровне достоверности, в предположении, что В(6(1540)+ —> рК°) — 50%. Отношение эффективностей восстановления в(1540)+ —> рК" и Л(1520) —► рК~, полученное в результате моделирования методом Монте-Карло в предположении, что процессы рождения в(1540)+ и Л(1520) имеют похожую кинематику, составило 41%.

В табл. 3 представлено сравнение полученного верхнего предела с результатами других экспериментов. Значение верхнего предела на уровне (2 - 3)% типично для экспе-

Таблица 3: Сравнение полученного отношения сечений инклюзивного рождения в(1540)+-пентакварка и Л(1520)-гиперона с результатами других экспериментов.

Эксперимент Реакция y/s, GeV сг(0(154О)+)/сг(Л(152О))

CDF pp -» в(1540)+Л" 1960 <3%

HERA-B pA -* в(1540)+Х 42 <2%

SPHINX pA -» e(1540)+X 12 <2%

Belle К А -* e(1540)+X ~ 1 < 2.5%

LEPS 7А -> Ö(1540)+X ~ 1 -60%

HERMES eD 9(1540)+X 7 200%

риментов с отрицательным результатом. Уникальность результата эксперимента Belle состоит в том, что он получен в области низких энергий, в которой были получены положительные результаты, значительно превосходящие верхний предел эксперимента

Belle 2

Во второй части пятой главы описан поиск рождения 6(1540)+-пентакварка в качестве промежуточного резонанса в реакции перезарядки К+п —» 6(1540)1 —* рК\j. Как показано ниже, доля реакции перезарядки К+п —» рК§ в образце вторичных рК%-пар составляет 2.5% для области масс в(1540)+-пентакварка. Основной вклад в образец рК%-пар дают иеупругие реакции. Хотя в таких реакциях может рождаться 9(1540)+-пентакварк3, консервативно предполагалось, что 9(1540)+-пентакварк рождается только в реакции К+п —> в(1540)+ —> рКд, а неупругие реакции рассматривались в качестве фона. Вкладом реакций K°sp 9(1540)+ -» рК% и K°hp ©(1540)+ -> рК% пренебрега-лось.

Фон от неупругих реакций удалось подавить в четыре раза (см ниже). Такое сравнительно низкое подавление объясняется тем, что в данном методе налетающая частица не восстанавливается. Поиск реакции К+п —> в(1540)+ —» pKg осуществлен в условиях, когда отношение уровня сигнала к уровню фона ~ 1/10.

Оценку вклада реакции перезарядки К+п —» рК° можно сделать исходя из известного потока первичных .К^-мезонов Фя+, сечения реакции перезарядки irch. количества вещества детектора M (=толщина мишени), эффективности восстановления рК^-пары а также учитывая вероятность перерассеяться в ядре-

о* M tpK<,B S{EN, |pF|) <5(,Д-rrvO PdEN£pFdpKy dRdO, (1)

где В = В(К° —» ■ В(К% —» 7г+7г~); S(En, lpF|) - спектральная функция ядра, определяющая вероятность найти в ядре нуклон с энергией EN и ферми-импульсом pVs s = (Ек+ + ENy — [рк\ -f pF)3 - энергия в системе центра масс реакции в квадрате; Ек+ и рцч - энергия и импульс налетающей частицы; трк - масса рожденной пары; Р - вероятность рожденной паре не перерассеяться в ядре; R - радиальное расстояние и в - полярный угол вторичной вершины.

Поскольку M и ерКо являются сложными функциями координат, а оценка S и Р - модельно-зависимой, в таком вычислении трудно оценить систематическую погрешность. Восстановление распадов D*~ —> D°ir~ —> (K+1Т~)ж~, в которых Й"+-мезоп упруго рассеялся на протоне в веществе детектора: К+р —» рК+, позволяет решить поблему Число таких распадов Щ]. может быть выражено по аналогии с (1):

NUmvK) = J <rd MерК+ S(EN, |р>|) 5(yfs - m?«) PdEN d3pFdpK+ dRdd, (2)

где Фpt - поток К*, рожденных в рассматриваемом распаде, аа - сечение упругого К+р —> рК+ рассеяния и ерЛч - эффективность восстановления рК+-пар. Предполагается, что вероятность перерассеятъся в ядре для рК+ и рК°-пар одинаковая. Представим

2Новые отрицательные результаты эксперимента CLASS также получены при низких энергиях

'Например, вклад неупругих реакций в рождение Л(1520)-гиперона является доминирующим.

Л/4* в виде

= N¡3-, (3)

М

где Х\ я Тг - интегралы из (1) и (2), соответственно. Поскольку определяется из данных, а в отношении интегралов значительная часть неопределенностей сокращается, значение вычисленное согласно формуле (3), имеет низкую систематическую неопределенность.

Для спектральной функции было использовано приближение = №(\рр\) х

8(Е& — ЯЫ))> ГДе функция /(]рУ|) определена таким образом, чтобы значения Ец -/(|Рр|) отвечали максимуму 5(£лг, \pfD- Отношение интегралов упрощается, поскольку произведения М(рКо и М(рК+ оказываются практически независящими от полярного угла 9, что позволяет проинтегрировать потоки Фк* и по этому углу; вероятность перерассеяния Р слабо зависит от импульса рЙГ-пары \ррк\', отношение ерКо/ерк-+ почти не зависит от |рра-|- Отсюда

где

* ***("»»*) ^Кк) егк%{Щ,к) В

фк+{тпрк) ... /Ф-^Ч^+Р ¿(у/з-т?*) ерк+{™рк, \рРк\) Лркл

(4)

(5)

Уравнение (4) является основной формулой для определения вклада реакции перезарядки в образце вторичных рК^-пар.

Для восстановления распадов О*- —► ГРтг~ -* (К+к~)7Г~, в которых А"+-мезон упруго рассеялся на протоне в веществе детектора: К+р —> импульс налетающего К+ был определен, исходя из 4х-импульса рожденной пары (ЕрК, ррК) и направления из первичной вершины во вторичную.

Для энергии нуклона Ен, было использовано приближение

= (6)

где гпм - масса нуклона, е ~ 7МеУ - энергия связи нуклона. Энергия А"+-мезона была получена из закона сохранения энергии Ец = Ерк — Ец, а модуль импульса - из соотношения \рк\ = л/Е]^ - т2к. Направление импульса А"+-мезона было найдено из условия, что трек проходит через первичную и вторичную вершины. Фермиевский импульс был получен из закона сохранения импульса р? = ррк — Рк■ Итерационный цикл замыкался подстановкой найденного значения в уравнение (6). Решение системы уравнений дало значения рк и рр.

Другим возможным приближением для Ец является Ер = гп^—Ец , где Ец и 26 МеУ - средняя работа выхода для нуклона в ядре. Оба приближения дают близкое разрешение в импульсе рк и согласующийся результат для ЛУ£|..

Для всех вторичных рЛ'+-вершин был найден импульс налетающего каона К^01ес1Ле в предположении, что вторичная рК+-пара родилась в упругой реакции К+р —► рК+.

Для восстановления Л°-мезонов А'+0;вс111е-кандидаты комбинировались с 7Г~-кандидатами; для востановления £)*~-мезонов полученные Г)°-кандидаты комбинировались с оставшимися 7г~-кандидатами. На рис. 7 (а) представлено распределение по для сигнальной области Л*~-мезона, определенной как \Q-Mo— —Мро| < 2МеУ/с2, где <3 = ЩК+01ыЛ1]е1г~п-) - В распределении по М{К+01вЛЛея-) наблюда-

о >

О 0.2 0.4 0.6 0.£

СеУ/с2

|р>|, СеУ/с

Рис. 7: (а) Распределение по для сигнальной области ¿»""-мезона. (Ъ)

Распределение по \рР\ для сигнальной области в распределении по М(К^го1аЛЛ<:7г ) после вычитания вклада контрольных областей.

ется четкий сигнал 0°-мезона. Распределение по М(К*Г01ес1Лкж ') фитировалось суммой функции Гаусса и полинома второй степени. Выход О0 составил 470 ± 26 событий с правильным значением массы и шириной 16 ± 1 МеУ/с2.

Распределение по |ЙН для сигнальной области £>°-мезона после вычитания вклада контрольной области представлено на рис. 7 (Ь). Пик вблизи нуля соответствует ядрам водорода, присутствующим в веществе детектора. Пространственное распределение событий из пика подтверждает данную гипотезу. Распределение по ]рР | фитировалось функцией, вид которой следует из осцилляторной модели. Найденная из фитирования величина параметра модели близка к значениям, полученным в других экспериментах.

Распределения по М(Г)°) фитировались в интервалах по массе вторичной пары гПрК. Как положение, так и ширина сигнала ГР не имеют систематической зависимости от трк. Выход распадов О" —» D0я■~ —> (К+тг~)п~, в которых /Г+-мезон упруго рассеялся на протоне в веществе детектора: К+р —> рК+, равен Л^. = 24 ± 7 в интервале шириной бОМеУ/е2 в области массы в(1540)+.

Поток всех первичных А"+-мезонов (Ф*+) и поток Лг+-мезонов из выбранного распада О"-мезона (Фя+ в") определялись из данных. Были учтены поправки на ошибочную идентификацию и эффективность восстановления й"+-мезонов, найденные в результате

моделирования методом Монте-Карло Интегрирование в уравнении (5) было выполнено г использованием метода Монте-Карло в предположении изотропного распределения фермиевского импульса относительно импульса налетающей частицы Отношение потоков при трк = 1 539 GeV/c2 равно 850 ±20 Основной вклад в ошибку дает неопределенность в описании кинематики АГ+-рассеяния на связанном в ядре протоне. Поскольку статистическая погрешность не является доминирующей, для измерения использовано ~ 20% полной статистики, выбранных случайным образом и равномерно распределенных по времени набора данных.

Сечение реакции перезарядки К+п —> рК% и сечения упругого рассеяния А"+-мезона на протоне были взяты из опубликованных данных Экспериментальные точки фитиро-вались полиномом, а отношение фитирующих функций было использовано для получения (тсЬ/(тв1, которое составило 0.35 ± 0.02 для mvx = 1.539 GeV/c2.

Эффективности востановления вторичных pKg и рК^ вершин были получены в результате моделирования методом Монте-Карло. Угловое распределение в системе центра масс реакции предполагалось изотропным, как ожидается для низкоэнергетического упругого К+р-рассеяния и для распадов в(1540)+ —* рК% Следующие ипочники систематической погрешности - эффективность восстановления Кд, К+ и вторичной рК-вершины (7%), неопределенность в описании материала (5%), неопределенность в описании кинематики рождения вторичных пар (5%), статистическая ошибка моделирования (5%) - складывались квадратично. Отношение эффективностей составило (43 ±5)% при трк = 1.539 GeV/c2.

Подставляя найденные значения сг^/ст0' и epjr°Apj?+ в формулу (4),

находим число событий нерезоналсной реакции перезарядки К+п —> рК§ в массовом интервале шириной 50 MeV/c2 в области 9(1540)+-пентакварка: Arch = (1.03 ±0.36) • 103. Основпой вклад в погрешность дает статистическая ошибка в Np,. В использованном методе определения Ncb основная информация берется из данных, поэтому систематическая погрешность результата низкая.

Для подавления вклада неупругих взаимодействий в образец вторичных рК°-пар вершины с дополнительными треками были исключены, а фермиевский импульс был ограничен |рУ[ < 300 MeV/c. Применялось дополнительное требование |р/,-| > 50 MeV/c для подавления упругих рассеяний нейтральных каонов на водороде. Зависимость числа событий от массы вторичных pKg-пар и ожидаемый вклад реакции перезарядки №ь представлены на рис. 8 (а). Распределение по тпрКо фитировалось суммой сигнальной компоненты и полинома третьей степени В качестве сигнальной компоненты была использована функция разрешения детектора, описанная в разделе, посвящепном инклюзивному рождению в(1540)+-пентакварка. Центральное значение массы в сигнальной компоненте варьировалось в широком диапазоне возможных масс 0(154О)+-пентакварка. Для массы те* = 1 539 GeV/c2, полученной в эксперименте DIANA, выход 0(1540) пентакварка равен N&+ = —11 ± 59.

100 г- - ■ ■ I ■ - <■ >

50 Е- ■• i-ir........-4....

. . . i т . 1 . . . I . . . . (

4......{

F, 11 ■ 1. 1, 111.. 11.. IJ—BL 1.51 1 52 1.53 1.54 1 55 1 56

mvKp GeV/c2

трКо, GeV/c2

Рис. 8: (а) Зависимость числа событий от массы вторичных рК°-пар (темные точки) и ожидаемый вклад реакции перезарядки (светлые точки). Результат фитирования полиномом третьей степени показан прерывистой линией. Ожидаемый из результатов эксперимента DIANA сигнал 0(1540)1 пентакварка представлен сплошной линией. (Ь) Ширина 0(154О)4-пентакварка, найденная из выхода реакции К+п —* 0(154О)+ —> pKg. Светлые точки соответствуют верхнему пределу на ширину на 90-поцентном уровне достоверности Квадратик с ошибками соответствует табличному значению ширины 0(154О)+.

Отношение выхода 0(1540) ' -пентакварка к выходу нерезонансной реакции перезарядки можио выразить через ширину 9(1540)+-пентакварка Ге+ модельно-независимым образом. Полученное значение Г0+ и верхний предел на 90-процентном уровне достоверности в зависимости от массы 0(154О)4-пентакварка представлены на рис. 8 (Ь). Предполагалось, что подавление 0(154О)+-пентакварков в ядре такое же, как и нерезонансных рК°-пар Для массы mö+ — 1.539 GeV/c2 верхний предел составляет Ге+ < 0.64 MeV, что меньше табличного значения Ге+ = 0.9 ± 0.3 GeV, основанного на результате эксперимента DIANA и анализе данных по А'+й-рассеянию. Верхний предел на Ге+ ниже 1 MeV для широкого диапазона возможных масс 9(1540)+-пентакварка.

Использование образца взаимодействий каонов при низких энергиях позволило сравнить наши результаты с экспериментом DIANA. При близкой чувствительности сигнал 0(154О)+-пентакварка не обнаружен.

В заключении еще раз кратко сформулированы основные результаты диссертации.

1. Обнаружены три новых очарованных бариона, распадающихся на Л+7Г , Л+тг° и Л+тг+, соответственно, и образующих изотриплет, обозначенный 1Ц2800).

2. Проверено, что обнаруженные сигналы Ес(2800)-барионов не являются отражениями от известных резонансов. Подтверждено существование состояний Ас(2880)+ и Ас(2765)+, наблюдавшихся только в эксперименте CLEO.

3. Измерены значения разницы масс М(ЕС(2800)) - ЛГ(А+) и ширин, составившие

515.4+3 MeV, 61Î{|Î22 MeV для Ес(2800)°, 505.41^«^, MeV, 62i£îgMeV для

£с(2800)+ и 505.41!; МеУ, 621^1^МеУ для Ес(2800)++, где первая неопределенность - статистическая, вторая - систематическая.

4 Угловой анализ распадов £с(2800) —> Л+7Г показал, что в пределах ошибок угловые распределения изотропны.

5. Измерено сечение инклюзивного рождения £с(2800)-резонансов во всем импульсном диапазоне а(е+е' -> £С(2800)Х) к В(£с(2800) Л», составившее (2.041® X

0 53) рЬ для £с(2800)°, (2.6Ц {¡1?\ + 0.7) рЬ для £с(2800)+ и (2.3б1£$ ± 0.61) рЬ для Ес(2800)++, где первая неопределенность - статистическая, вторая - систематическая, а третья содержит погрешность в относительной вероятности распада Л+ —> рК~ж+. Импульсный спектр Ес(2800)-барионов является жестким, что характерно для орбитальных возбуждений очарованных адронов.

6 Из сравнения измеренных значений массы и ширины с теоретическими предсказаниями найдепо, что возможной интерпретацией £с(2800)-барионов является Р-волновое состояние Ес2 с квантовыми числами JF = 3/2—, ]иды = 2, где - угловой момент легких степеней свободы.

7. Разработан оригинальный метод использования вторичных взаимодействий каовов в веществе детектора для поиска 9(1540)+-пентакварка.

8. Получен верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 6(1540) пентакварка и Л(1520)-гиперона, составивший 2.5% на 90-процентном уровне достоверности, что более чем на порядок ниже, чем значения многих экспериментов с положительным результатом.

9. Разработан оригинальный метод определения импульса налетающей частицы для квазиупругих взаимодействий в веществе детектора. Метод провсреп в распадах £>*" —> 75°7г~, О0 —► К+7г~, в которых К+ провзаимодействовал в веществе детектора Разработан оригинальный метод подавления вклада неупругих взаимодействий в образец вторичных рА^-иар.

10. Разработан оригинальный метод вычисления выхода реакции перезарядки К+п —► рКд, в котором основная информация берется из данных, обеспечивая низкую систематическую погрешность результата.

11. Осуществлен поиск реакции К+п —> 6(1540)+ —» рК%. Исходя из верхнего предела на выход этой реакции, получен верхний предел па ширину 6(1540)+-пептакварка Ге+ < 0.64 МеУ на 90-процентном уровне достоверности для массы те+ = 1.539 МеУ/с2, оказавшийся ниже табличного значение Ге+ = 0.9±0.3СеУ; верхний предел на Ге+ ниже

1 МеУ для широкого диапазона возможных масс 6(1540)+-пентакварка.

Список литературы

[1] R Mizuk et al. (Belle Collaboration), "Observation of an isotriplet of excited charmed baryons decaying to Л+тг", Phys. Rev. Lett. 94, 122002 (2005).

[2] R. Mizuk (for the Belle Collaboration), "Search for pentaquarks at Belle", Proceedings of International Workshop on PENTAQUARK04, July 20th-23rd 2004, Spring-8, Hyogo, Japan. Published in *Nishiharima 2004, Pentaquark* 91-98.

|3| R. Mizuk (for the Belle Collaboration), "Search for the 9(1540)1 pentaquark using kaon secondary interactions at Belle", Proceedings of International Europhysics Conference on High Energy Physics, July 21st-27th 2005, Lisboa, Portugal.

[41 R. Mizuk et al. (Belle Collaboration), "Search for the ©(1540)+ pentaquark using kaon secondary interactions at Belle", Phys. Lett. B632, 173 (2006).

Подписано к печати 13.03.06. Формат 60 х 90 Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 0,9 Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б, Черемушкинская, 25

1/16 Заказ 522

1 Введение

2 Обзор очарованных барионов

2.1 Классификация очарованных барионов.

2.2 Экспериментальный статус очарованых барионов.

2.3 Теоретические модели очарованных барионов.

2.3.1 Кварковая модель.

2.3.2 Киральная пертурбативная теория тяжелых адронов.

2.3.3 Солитонные модели.

3 Пентакварк 0(154О)+: экспериментальный статус и теоретические модели

3.1 Обнаружение 0(154О)+-пентакварка.

3.2 Теоретические модели пентакварков.

3.2.1 Модель киральных солитонов.

3.2.2 Кварковая модель.

3.2.3 Правила сумм КХД.

3.2.4 КХД на решетках.

4 Экспериментальная установка

4.1 Коллайдер КЕКВ.

4.2 Детектор Belle.

4.2.1 Вершинный детектор.

4.2.2 Дрейфовая камера.

4.2.3 Аэрогелевый детектор Черепковского излучения.

4.2.4 Система измерения времени пролета частиц.

4.2.5 Электромагнитный калориметр.

4.2.6 Мюонная система.

4.2.7 Триггерная система.

4.2.8 Идентификация заряженных треков

4.2.9 Моделирование детектора

5 Обнаружение изотриплета очарованных барионов

5.1 Отбор событий с очарованными барионами.

5.2 Массовый спектр Л+7г-комбинаций.

5.3 Изучение отражения от распада Лс(2880)+ —* Л+7Г+7Г-.

5.4 Определение параметров новых резонансов.

5.5 Угловой анализ.

5.6 Свойства фрагментации новых состояний

5.7 Дополнительные проверки.

5.8 Обсуждение результатов анализа.

6 Поиск 0(154О)+-пентакварка с использованием вторичных взаимодействий каонов в веществе детектора

6.1 Отбор событий с вторичными взаимодействиями.

6.2 Поиск инклюзивного рождения 0(154О)+-пентакварка.

6.2.1 Массовые спектры вторичных рК~, рК+ и р

§-пар

6.2.2 Изучение нормировочного сигнала Л(1520)-гиперона

6.2.3 Верхний предел на отношение сг0(154О)+/сгл(152О).

Адронная спектроскопия занимает важное место в физике элементарных частиц. Спектроскопия сыграла ключевую роль для признания справедливости квантовой хромодинамики (КХД) и кварковой структуры вещества, с ее помощью совершенствуются непертурбативные методы КХД, исследование адронных спектров важно для разделения эффектов электромагнитного и сильного взаимодействий, в частности, в распадах очарованных и прелестных адронов.

Темой диссертации является обнаружение изотриплета возбужденных очарованных барионов, распадающихся в конечное состояние А+я" [1], и поиск 0(154О)+-пентакварка с использованием взаимодействий низкоэнергетичных каонов в веществе детектора [2, 3, 4].

Экспериментальные данные, использованные для анализа, получены на установке Belle [5, 6], работающей на асимметричном е+е~-коллайдере КЕКВ [7] (Япония, г. Цукуба) в области энергии Т(45')-резонанса.

Исследование очарованных барионов предоставляет возможность изучать динамику легкого дикварка в поле тяжелого кварка. Большая масса с-кварка упрощает теоретические рассчеты, позволяя проверить численные предсказания теоретических моделей (см., например, [8]). Почти все основные состояния очарованных барионов уже обнаружены, однако о Р-волновых возбуждениях известно мало, в частности, в системе £с Р-волновые возбуждения еще не наблюдались [9]. Эксперименты на е+е~-коллайдерах в области энергии Т-резонансов внесли значительный вклад в спектроскопию очарованных барионов. Так в эксперименте ARGUS было обнаружено первое орбитальное возбуждение очарованных барионов - Лс(2625) Jp = [10]. В дальнейшем в эксперименте CLEO был найден партнер этого состояния по симметрии тяжелых кварков - Лс(2593) Jp = ~~ [11], а также спиновые и первые орбитальные возбуждения в системе Ес [31]. Благодаря использованию более чем десятикратно увеличенной статистики в данной работе удалось обнаружить три новых возбужденных очарованных бариона распадающихся на Л+7Г-, Л+7г° и Л+7г+ и образующих изотриплет, обозначенный £с(2800). Были измерены значения масс и ширин, проведен угловой анализ распадов, исследованы свойства фрагментации, рассмотрены возможные квантовые числа обнаруженных барионов.

Пентакварк 0(154О)+ представляет собой резонанс с минимальным кварковым составом uudds. После первых сообщений об обнаружении 0(154О)+-пентакварка в 2003 году [13, 14] возможность его существования стала одной из наиболее активно обсуждаемых тем адронной спектроскопии. Теоретические подходы сталкиваются с трудностями при попытке объяснить малую массу и ширину ©(1540)+, а также не согласуются в предсказании четности 0(154О)+-пентакварка [15]. Хотя 0(154О)+ наблюдался приблизительно в десяти экспериментах, бесспорного свидетельства о его существовании нет [16]. Поскольку при высоких энергиях были получены многочисленные отрицательные результаты, для подтверждения 0(1540)+-пентакварка необходим эксперимент при низкой энергии с высокой статистикой. Для постановки такого эксперимента были использованы вторичные взаимодействия каонов в веществе детектора Belle. Идея состоит в следующем: в е+е~-взаимодействиях рождается большое количество каонов, незначительная доля которых взаимодействует в веществе внутренней части детектора. Продукты таких реакций можно восстановить и использовать для поиска 0(154О)+-пентакварка. Каоны, рожденные в е+е~-взаимодействиях, выполняют роль пучка, а вещество установки - роль мишени. Поскольку количество е+е~-взаимодействий очень велико, достигнутая чувствительность оказывается сравнимой с чувствительностью экспериментов на каонных пучках. Спектр первичных каонов мягкий, наиболее вероятный импульс составляет 0.6 GeV/c, что соответствует области низких энергий, при которых наблюдалось рождение 0(154О)+-пентакварка. Поиск 0(154О)+-пентакварка осуществлялся как в неупругих ЮУ-взаимодействиях, так и в реакции К+п —*■ 0(154О)+ —► сечейие которой связано с шириной 0(154О)+-пентакварка модельно-независимым образом. Был установлен верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 0(154О)+-пентакварка и А(1520)-ги-перона, оказавшийся на порядок ниже значений многих экспериментов с положительным результатом, и верхний предел на ширину 0(154О)+-пентакварка, оказавшийся ниже значения ширины в таблице "Свойства элементарных частиц" (издание 2004 г.).

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Обнаружение изотриплета возбужденных очарованных барионов, распадающихся на Л+7г-, Л+7Г° и Л+7г+; измерение соответствующих масс и ширин; угловой анализ распадов и исследование свойств фрагментации новых состояний.

2. Оригинальный метод использования вторичных взаимодействий низкоэнер-гетичных каонов в веществе детектора для поиска 6(1540)+-пентакврка.

3. Результат поиска 0(1540)+-пентакварка во взаимодействиях низкоэнергетич-ных каонов с веществом установки: верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 0(154О)+ пентакварка и Л(1520)-гиперона.

4. Результат поиска реакции К+п —► 0(1540)+ —» верхний предел на ширину 0(154О)+-пентакварка.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1, 2, 3, 4]. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях сотрудничества Belle, семинарах ИТЭФ, сессии ОЯФ РАН, многочисленных международных конференциях, включая ICHEP 2004 (Китай, г.Пекин), La Thuile 2005 (Италия, Aosta), EPS 2005 (Португалия, г.Лиссабон), а также специализированную конференцию PENTAQUARK 2004 (Spring-8, Япония). Результаты, представленные в диссертации, будут включены в "Таблицу свойств элементарных частиц" (издание 2006 г.).

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

7 Заключение

Данная работа основана на экспериментальных данных, полученных на установке Belle (КЕК).

Впервые обнаружен изотриплет возбужденных очарованных барионов, распадающихся на Л+7Г, и осуществлен поиск ©(1540)+ пентакварка с использованием вторичных взаимодействий каонов с веществом установки.

Получены следующие результаты:

1. Обнаружены три новых очарованных бариона, распадающихся на Л+7Г~~, Л+7г° и Л+7г+, соответственно, и образующих изотриплет, обозначенный Ес(2800).

2. Проверено, что обнаруженные сигналы Ес(2800)-барионов не являются отражениями от известных резонансов. Подтверждено существование состояний Лс(2880)+ и Лс(2765)+, наблюдавшихся ранее только в эксперименте CLEO.

3. Измерены значения разницы масс М(Ес(2800)) — М(Л+) и ширин, составившие 515.4l3;2+2.i MeV> Qi+ll+ll MeV для Ес(2800)°, bObAtUt12^ MeV, 62±g-li MeV для Ес(2800)+ и БОбЛ^;®!1^ MeV, MeV для Ес(2800)++, где первая неопределенность - статистическая, вторая - систематическая.

4. Угловой анализ распадов £с(2800) —* Л+7Г показал, что в пределах ошибок угловые распределения изотропны.

5. Измерено сечение инклюзивного рождения £с(2800)-резонансов во всем импульсном диапазоне а(е+е~ —► ЕС(2800)Х) х 5(ЕС(2800) —» Л+7г), составившее 0.53) pb для Ес(2800)°, (2.6±i;g±?;t ± 0.7) pb для Ес(2800)+ и (2.36l£;5ola47 ± 0.61) pb для Ес(2800)++, где первая неопределенность - статистическая, вторая - систематическая, а третья содержит погрешность в относительной вероятности распада Л+ —> рК~тт+. Импульсный спектр Ес(2800)-барионов является жестким, что характерно для орбитальных возбуждений очарованных адронов.

6. Из сравнения измеренных значений массы и ширины с теоретическими предсказаниями найдено, что возможной интерпретацией Ес(2800)-барионов является Р-волновое состояние £С2 с квантовыми числами Jp = 3/2", jug^t = 2, где jught ~ угловой момент легких степеней свободы.

7. Разработан оригинальный метод использования вторичных взаимодействий каонов в веществе детектора для поиска 0(154О)+-пентакварка.

8. Получен верхний предел на отношение сечений инклюзивного рождения 0(1540)+-пентакварка и Л(1520)-гиперона, составивший 2.5% на 90-процентном уровне достоверности, что более чем на порядок ниже, чем значения многих экспериментов с положительным результатом.

9. Разработан оригинальный метод определения импульса налетающей частицы для квазиупругих взаимодействий в веществе детектора. Метод проверен в распадах D*~ —> D°7r~, D° —> К+я--, в которых К+ провзаимодействовал в веществе детектора. Разработан оригинальный метод подавления вклада неупругих взаимодействий в образец вторичных рКд-пар.

10. Разработан оригинальный метод вычисления выхода реакции перезарядки К+п —> рК$, в котором основная информация берется из данных, обеспечивая низкую систематическую погрешность результата.

11. Осуществлен поиск реакции К+п —> ©(1540)+ —► pKg. Получен верхний предел на ширину 0(154О)+-пентакварка Г©+ < 0.64 MeV на 90-процентном уровне достоверности для массы = 1.539 MeV/c2, оказавшийся ниже табличного значение Ге+ = 0.9 ± 0.3 GeV; верхний предел на Г©+ ниже 1 MeV для широкого диапазона возможных масс 0(1540)+-пентакварка.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить своего научного руководителя М.В. Данилова за постановку интересных задач, создание стимулирующей научной атмосферы и постоянное внимание к работе.

Автор благодарен руководителю группы ИТЭФ в эксперименте Belle П.Н. Пах-лову за помощь и многочисленные обсуждения.

Автор благодарен Р.Н. Чистову, Г.В. Пахловой и С.В. Семенову за плодотворные обсуждения, поддержку и помощь.

Автор благодарен внутренним рецензентам сотрудничества Belle по представленным работам: Н. Kichimi, К. Abe, N. Hastings, М. Villa, S. Olsen, руководителям рабочей группы по физике чарма в Belle: В. Yabsley и В. Golob, а также координаторам физической программы Belle: Т. Browder и Y. Sakai за их замечания, позволившие улучшить представленные работы.

Автор благодарен А.Е. Бондарю, А.Г. Долголенко и Ю.Т. Киселеву за плодотворные обсуждения.

Я благодарен всем коллегам за незабываемые часы совместной работы и обсуждений. С удовольствием привожу следующие имена: Т.А. Аушев, В.Е. Аушев, В.В. Балагура, С.Я. Барсук, И.М. Беляев, Н.И. Габышев, А.И. Голутвин, А.Г. Друцкой, В.Ю. Егорычев, Ю.М. Зайцев, О.Б. Игонькина, Р.В. Каган, Т.Г. Ква-рацхелия, П.П. Кроковный, Д.В. Ливенцев, И.Е. Мельников, Д.А. Озеров, А.Н. Пет-ряев, Н.М. Ратникова, И.А. Ростовцева, В.Ю. Русинов, Е.И. Тарковский, М.П. Титов, И.Н. Тихомиров, Т.В. Углов, Ф.М. Хасанов, С.П. Шувалов, В.Е. Эйгес.

1. R. Mizuk et al. (Belle Collaboration), "Observation of an isotriplet of excited charmed baryons decaying to Л+7г", Phys. Rev. Lett. 94, 122002 (2005).

2. R. Mizuk (for the Belle Collaboration), "Search for pentaquarks at Belle", Proceedings of International Workshop on PENTAQUARK04, July 20th-23rd 2004, Spring-8, Hyogo, Japan. Published in *Nishiharima 2004, Pentaquark* 9198.

3. R. Mizuk (for the Belle Collaboration), "Search for the 0(154O)+ pentaquark using kaon secondary interactions at Belle", Proceedings of International Europhysics Conference on High Energy Physics, July 21st-27th 2005, Lisboa, Portugal.

4. R. Mizuk et al. (Belle Collaboration), "Search for the 0(154O)+ pentaquark using kaon secondary interactions at Belle", Phys. Lett. B632, 173 (2006).

5. A. Abashian et al. (Belle Collaboration), Nucl. Instr. Meth. A 479, 117 (2002).

6. Y. Ushiroda (Belle SVD2 Group), Nucl. Instr. Meth. A 511, 6 (2003).

7. S. Kurokawa and E. Kikutani, Nucl. Instr. Meth. A 499, 1 (2003).

8. J.G. Korner and S. Groote, Proceedings of Baryon 98. Edited by D.W. Menze and B. Metsch. World Scientific, 1999. p. 232-245.

9. S. Eidelman et al. (Particle Data Group), Phys. Lett. B592, 1 (2004).

10. H. Albrecht et al. (ARGUS Collaboration), Phys. Lett. B317, 227 (1993); диссертация Д.О. Литвиицева на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук.

11. K.W. Edwards et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 74, 3331 (1995).

12. M. Artuzo et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 86, 4479 (2001).

13. Т. Nakano et al. (LEPS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 91, 012002 (2003).

14. V. Barmin et al. (DIANA Collaboration), Phys. Atom. Nucl. 66, 1715 (2003).

15. M. Oka, Talk given at International Conference on QCD and Hadronic Physics, Beijing, China, 16-20 Jun 2005. e-Print Archive: hep-ph/0509060.

16. K. Hicks, Prog. Part. Nucl. Phys. 55, 647 (2005).

17. J.M. Butterworth, e-Print Archive: hep-ex/0601005.

18. Plenary talks at XXIII International Symposium on Lattice Field Theory (Lattice 2005), Trinity College, Dublin, 25th-30th July 2005. http://www.maths.tcd.ie/lat05 / plenaries.php

19. N. Mathur et al, Phys. Lett. B605, 137 (2005).

20. R. Lewis, N. Mathur, R.M. Woloshyn, Phys. Rev. D64, 094509 (2001);

21. N. Mathur, R. Lewis and R.M. Woloshyn, Phys. Rev. D66, 014502 (2002).

22. S. Godfrey and N. Isgur, Phys. Rev. D32, 189 (1985); S. Capstick and N. Isgur, Phys. Rev. D34, 2809 (1986).

23. J. G. Korner, M. Kramer and D. Pirjol, Prog. Part. Nucl. Phys. 33, 787 (1994).

24. L. Copley, N. Isgur and G. Karl, Phys. Rev. D 20, 768 (1979).

25. J. Aubert et al., Phys. Rev. Lett. 33, 1402 (1974).

26. J.-E. Augustin et al, Phys. Rev. Lett. 33, 1953 (1974).

27. E. G. Cazzoli et al., Phys. Rev. Lett. 34, 1125 (1975).

28. M. Calicchio et al (BEBC TST Neutrino Collaboration), Phys. Lett. В 93, 521 (1980).

29. S. F. Biagi et al., Phys. Lett. В 122, 455 (1983).

30. S. F. Biagi et al., Z. Phys. С 28, 175 (1985).

31. V.V. Ammosov et al., JETP Lett. 58, 247 (1993) Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 58, 241 (1993)].

32. P. Avery et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 75, 4364 (1995); C. P. Jessop et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 82, 492 (1999);

33. J. P. Alexander et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 83, 3390 (1999); S. E. Csorna et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 86, 4243 (2001).

34. O. W. Greenberg, Phys. Rev. Lett. 13, 598 (1964).

35. Ya.B. Zeldovich and A.D. Sakharov, Yad. Fiz. 74, 395 (1966).

36. A. De Rujula, H. Georgi and S. L. Glashow, Phys. Rev. D 12, 147 (1975).

37. N. Isgur and G. Karl, Phys. Lett. В 72, 109 (1977).

38. N. Isgur, Int. J. Mod. Phys. E 1, 465 (1992).

39. D. Pirjol and T.-M. Yan, Phys. Rev. D56, 5483 (1997).

40. C. S. Kalman and B. Tran, Nuovo Cim. A 102, 835 (1989).

41. S. Capstick and N. Isgur, Phys. Rev. D 34, 2809 (1986).

42. Y. s. Oh and B. Y. Park, Phys. Rev. D 53, 1605 (1996).

43. H. Georgi, Phys. Lett. В 240, 447 (1990).

44. N. Isgur and M. B. Wise, Phys. Rev. Lett. 66, 1130 (1991).

45. M. B. Wise, e-Print Archive: hep-ph/9306277.

46. P. L. Cho, Phys. Rev. D 50, 3295 (1994).

47. С. D. Carone, H. Georgi, L. Kaplan and D. Morin, Phys. Rev. D 50, 5793 (1994).

48. B. 't Hooft, Nucl. Phys. B72, 461 (1974).

49. E. Witten, Nucl. Phys. B160, 57 (1979); Nucl. Phys. B223, 422, 433 (1983).

50. C. G. . Callan and I. R. Klebanov, Nucl. Phys. В 262, 365 (1985).

51. К. Dannbom, E. M. Nyman and D. O. Riska, Phys. Lett. В 227, 291 (1989).

52. M. Rho, D. 0. Riska and N. N. Scoccola, Z. Phys. A 341, 343 (1992).

53. E. Jenkins, A. V. Manohar and M. B. Wise, Nucl. Phys. В 396, 27 (1993).

54. С. S. Kalman, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 55A, 27 (1997).

55. J.Z. Bai et al. (BES Collaboration), Phys. Rev. Lett. 91, 022001 (2003).

56. S.K. Choi et al. (BELLE Collaboration), Phys. Rev. Lett. 91, 262001 (2003).

57. S. Stepanyan et al. (CLAS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 91, 252001 (2003).

58. J. Bart et al. (SAPHIR Collaboration), Phys. Lett. B572, 127 (2003).

59. A.E. Asratyan, A.G. Dolgolenko, M.A. Kubantsev, Phys. Atom. Nucl. 67, 682 (2004).

60. V. Kubarovsky et al. (CLAS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 92, 032001 (2004).

61. A. Airapetian et al. (HERMES Collaboration), Phys. Lett. B585, 213 (2004).

62. S. Chekanov et al. (ZEUS Collaboration), Phys. Lett. B591, 7 (2004).

63. M. Abdel-Bary et al. (COSY-TOF Collaboration), Phys. Lett. B595, 127 (2004).

64. A.N. Aleev et al. (SVD-2 Collaboration), Phys. Atom. Nucl. 68, 974 (2004).

65. R.N. Cahn and G.H. Trilling, Phys. Rev. D69, 011501 (2004).

66. A. Sibirtsev et al, Eur. Phys. J. A23, 491 (2005). W.R. Gibbs, Phys. Rev. C70, 045208 (2004).

67. S. Nussinov, e-Print Archive: hep-ph/0307357

68. R.A. Arndt et al., Phys. Rev. C68, 042201 (2003); Erratum C69, 019901 (2004).

69. J. Haidenbauer and G. Krein, Phys. Rev. C68, 052201 (2003). J.Z. Bai et al. (BES Collaboration), Phys. Rev. D70, 012004 (2004).

70. B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), Phys. Rev. Lett. 95, 042002 (2005). M.-Z. Wang et al. (Belle Collaboration), Phys. Lett. B617, 141 (2005).

71. C. Pinkerton for the PHENIX Collaboration, J. Phys. G30, S1201 (2004). A.I. Titov et al., Phys. Rev. C70, 042202 (2004).

72. M. Battaglieri et al (CLAS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 96, 042001 (2006); B. McKinnon, K. Hicks et al. (CLAS Collaboration), e-Print Archive: hep-ex/0603028, submitted to Phys. Rev. Lett.

73. C. Alt et al. (NA49 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 92, 042003 (2004).

74. A. Aktas et al. (HI Collaboration), Phys. Lett. B588, 17 (2004).

75. M.I. Adamovich et al. (WA89 Collaboration), Phys. Rev. C70, 022201 (2004).

76. D.C. Christian et al. (E690 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 95, 152001 (2005).

77. В.Б. Копелиович, УФН 174, 323 (2004).

78. T.H.R. Skyrme, Proc. R. Soc. London Ser. A260, 127 (1961); Nucl. Phys. 31, 556 (1962).

79. M. Prashalovicz, in "Skyrmions and Anomalies", edited by M. Jezabeck and M. Prashalovicz (World Scientific, Singapore, 1987), p. 112.

80. D. Diakonov, V. Petrov and M. Polyakov, Z. Phys. A359, 305 (1997).

81. H. Weigel, Eur. Phys. J. A2, 391 (1998).

82. J. Ellis, M. Karliner and M. Praszalovicz, JHEP 0405, 002 (2004).

83. T.D. Cohen, Phys. Lett. B581, 175 (2004);

84. T.D. Cohen and R.F. Lebed, Phys. Lett. B578, 150 (2004).

85. R. Jaffe and F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 91, 232003 (2003).

86. S.-L. Zhu, Int. J. Mod. Phys. A20, 1548 (2005).

87. A. Zhang et al., High Energy Phys. Nucl. Phys. 29, 250 (2005).

88. M. Karliner and H.J. Lipkin, e-Print Archive: hep-ph/0307243.

89. В.К. Jennings and К. Maltman, Phys. Rev. D69, 094020 (2004).

90. F.E. Close and J.J. Dudek, Phys. Lett. B586, 75 (2004).

91. D. Melikhov et al, Phys. Lett. B594, 265 (2004).

92. M. Karliner and H.J. Lipkin, Phys. Lett. B586, 303 (2004).

93. Y. Kanada-En'yo, O. Morimatsu and T. Nishikawa, Phys. Rev. C71, 045202 (2005).

94. S. Takeuchi and K. Shimizu Phys. Rev. C71, 062202 (2005).

95. E. Hiyama et al, e-Print Archive: hep-ph/0507105.

96. M.A. Shifman, A.I. Vainshtein and V.I. Zakharov, Nucl. Phys. B147, 385 (1979).

97. L.J. Reinders, H. Rubinstein and S. Yazaki, Phys. Rep. 127, 1 (1985).

98. S.-L. Zhu, Phys. Rev. Lett. 91, 232002 (2003).

99. R.D. Matheus et al, Phys. Lett. B578, 323 (2004).

100. J. Sugiyama, T. Doi, and M. Oka, Phys. Lett. B581, 167 (2004).

101. T. Nishikawa et al, Phys. Rev. D71, 076004 (2005).

102. F. Csikor et al, JHEP 0311, 070 (2003);

103. S. Sasaki, Phys. Rev. Lett. 93, 152001 (2004); N. Mathur et al, Phys. Rev. D70, 074508 (2004); T.T. Takahashi et al, Phys. Rev. D71, 114509 (2005); T.W. Chiu et al, Phys. Rev. D72, 034505 (2005); B.G. Lasscock et al, Phys. Rev. D72, 014502 (2005).

104. N. Ishii et al, Phys. Rev. D71, 034001 (2005).

105. G. Alimonti et al, Nucl. Instrum. Meth. A453, 71 (2000).

106. H. Hirano et al., Nucl. Instrum. Meth. A455, 294 (2000).

107. T. Sumiyoshi et al, Nucl. Instrum. Meth. A433, 385 (1999).

108. I. Adachi et al, Nucl. Instrum. Meth. A355, 390 (1995).

109. S.K. Sahu et al, Nucl. Instrum. Meth. A382, 441 (1996).

110. H. Kichimi et al, Nucl. Instrum. Meth.A453:315-320,October 2000]

111. H. Sagawa, Nucl. Instrum. Meth. A453, 259 (2000).

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

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

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

115. A. Abashian et al, Nucl. Instrum. Meth. A449, 112 (2000).

116. T. Iijima et al, Belle Note 321 "Kaon identification in BELLE".

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

118. См. например Н.П. Бусленко и др., "Метод статистических испытаний (метод Мойте Карло)", Москва, 1962.

119. R. Brun et al., CERN-DD-78-2-REV.126. F. Fang, BELLE-NOTE-323.

120. K.-F. Chen, T.-L. Kuo, Y.-J. Lee, BELLE-NOTE-684.

121. J. Blatt and V. Weisskopf, Theoretical Nuclear Physics, New York: John Wiley & Sons (1952).

122. С. Peterson et al., Phys. Rev. D 27, 105 (1983).

123. P. Avery et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. D 43, 3599 (1991).

124. T.G.V. Bowcock et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 62, 1240 (1989).

125. G. Brandenburg et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 78, 2304 (1997).

126. Т.Е. Browder, I.R. Klebanov, D.R. Marlow, Phys. Lett. B587, 62 (2004).

127. G.J. Feldman and R.D. Cousins, Phys. Rev. D57, 3873 (1998).

128. H. Albrecht et al., Z. Phys. C39, 177 (1988).

129. B.M. Abramov et al., JETP Lett. 71 (2000), p. 359.

130. U. Casadei et al., CERN/HERA 75-1 (1975). C.J.S. Damerell et al., Nucl. Phys. B94, 374 (1975). R.G. Glasser et al., Phys. Rev. D15, 1200 (1977).

131. V. Burkert, Talk given at Workshop "New Hadrons: Facts and Fancy", Milos, Greece, 19-20 Sep 2005.