Поиск прямых электронных нейтрино при поглощении протонного пучка железом на нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Г ! 8 иё^ТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

2 9 ДЕК 1333

93-146 На правах рукописи

Кирсанов Михаил Михайлович

ПОИСК ПРЯМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ НЕЙТРИНО ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ ПРОТОННОГО ПУЧКА ЖЕЛЕЗОМ НА НЕЙТРИННОМ ДЕТЕКТОРЕ ИФВЭ-ОИЯИ

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нейтринные эксперименты типа beam-ump являются важным методом изучения рождения очарованных частиц, то, в свою очередь, является хорошим тестом теории, позволяет уточнить екоторые её параметры,, подтвердить или отбросить конкретные моде-и. Beam-dump эксперименты, проведенные до настоящего времени, дали остаточно много информации об адророждении очарованных частиц и о войствах нейтрино. Однако точность измерений вблизи порога рождения ыла недостаточной: ошибки в несколько раз превышали верхнюю грани-у предсказаний теории. К концу 80-х годов в этой области существовала есколько противоречивая ситуация. Сечение рождения, полученное в экс-ерименте БИС-2, превышало как предсказания теории по стандартной :одели рождения, так и результат, полученный в альтернативной мето-ике - методике beam-dump - на нейтринном детекторе ИФВЭ-ИТЭФ в 978 г. Ситуация требовала новых, более точных измерений.

Основной целью работы является поиск прямых электронных ней-рино в эксперименте по поглощению 70-ГэВ протонного пучка железом помощью нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ и получение на этой снове оценки сечения рождения очарованных частиц, которые являются аиболее важным из возможных источников прямых нейтрино.

Научная новизна. В диссертации представлена оценка сечения ро-сдения очарованных частиц в p-Fe-взаимодействиях при 70 ГэВ. Точность ценки в три раза лучше, чем в предыдущем beam-dump-эксперименте в [ФВЭ и является наилучшей для энергии протонов 70 ГэВ.

Практическая ценность работы заключается в том, что её резуль-ат разрешает противоречие между результатами некоторых предыду-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель диссертацибнной работы, обосно-вается актуальность проведенных исследований, выбор методики. Экс-рименты но поиску очарованных частиц проходят в тяжелых фоновых товиях. Эксперименты первого поколения, в которых не было вершин-го детектора и распад очарованной частицы непосредственно не на-юдался, часто давали противоречивые результаты. Подобная ситуация шилась к концу восьмидесятых годов в изучении очарованных частиц эайоне порога рождения, при полной энергии в системе центра масс 11 ГэВ.

Сечение рождения, полученное в эксперименте БИС-2, превышало как здсказания теории по стандартной модели рождения, так и результат, гученный в альтернативной методике - методике beam-dump - на ней-гнном детекторе ИФВЭ-ИТЭФ в 1978 г. Постройка нового нейтринно-цетектора ИФВЭ-ОЙЯИ и увеличение интенсивности ускорителя У-70 во лили в 1989 г. провести более точные измерения в методике beam-up. Во введении также кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе изложены основные положения теории адророждения рованных частиц и экспериментальная ситуация в изучении адроро-шия очарованных частиц как с помощью методики beam-dump, так и эмощью других методик к 1990 г.

Очарованные частицы рождаются в жестких соударениях партонов столкновении адронов с адронами. В основном рождаются наиболее ше из них: D, Б*-мезоны и Л^-барион. Инклюзивное сечение рожде-очарованных частиц Нс в адрон-адронных (обычно адрон-нуклонных) гарениях

P+N^HC + X (1)

;ывается инвариантным сечением Ejjjj, зависящим при данной энергии ша от двух переменных. В качестве них обычно выбирают р± и xf,

XF=PI/P?a*, (2)

p_L и pi — поперечный и продольный импульсы частицы в системе •ра масс сталкивающихся адронов, a pfax — максимальное значение

< !

различных масс с - кварка.

Здесь форма х-зависимости мотивируется кинематическими соображе-иями для х —>1. В процессе фрагментации важную роль играет взаимо-эйствие очарованных кварков с кварками-спектаторами исходных адро-эв. Для учета такого взаимодействия предложен ряд моделей, и вводится энятие "рождение чарма вперед", которое предполагает взаимодействие валентными кварками налетающего адрона.

Диапазон эффективных показателей п, предсказываемый теорией для ждения чарма вперед в р1Ч-столкновениях, таков: для £>°-мезонов =3-4, для Р+-, £>°-мезонов п=7-8, для Л+ п=1-2. В случае рождения ьрма вперёд в правой части (5) появляется дополнительный множитель из х-распределения валентных кварков, и (5) переходит в формулу

^Г{1-]хр]Гехр{~Ьр1)' ' ' (7)

торая также используется для описания экспериментальных данных.

В экспериментах типа Ьеат-<1итр пучок частиц (обычно протонов) глощается в массивной плотной мишени. После мишени находится мю-ная защита (или мюонный детектор), а затем нейтринный детектор, ютором регистрируются прямые нейтрино от полулептонных распадов

100

200 —I—

300

—I—

TmJ

p Iron shield

p-halo counters • • • # • • «

——я

beam

beam monitors

У

«Е

beam

100 » (1cm iron + 1cm air)

0-detector

region of ц-Них measurement

Рис. 2. Схема эксперимента с поглощением протонного пучка.

После мюонного фильтра находится нейтринный детектор. Его общий [ показан на рис. 3. Он состоит из мишенно-калориметрической части, ектора электромагнитных ливней и мюонного спектрометра. Мюонный спектрометр предназначен для измерения импульсов и опре-ения знака заряда мюонов, выходящих через заднюю поверхность ми-гной части, и включает в себя 13 магнитных тороидов с индукцией до Тл, прослоенных Х- и У-плоскостями дрейфовых камер. Мишенная часть НД состоит из 36 идентичных модулей, каждый из эрых включает:

■ раму из намагниченного железа для измерения импульса мюона;

■ алюминиевый фильтр толщиной 5 см и размерами 3x3 м2;

-.Х- и У- плоскости дрейфовых камер с поперечными размерами при-но 4.5x4.5 м2;

плоскость размерами 5x3 м2 из 10 жидкостных сцинтилляционных гчиков (ЖСС).

Жидкостной сцинтилляционный счетчик является наиболее важной ;ля идентификации взаимодействий электронных нейтрино частью детек-ора. Он имеет толщину 20 см, площадь 5x0.3 м2 и представляет собой онтейнер из алюминия, внутрь которого вставлена заполненная жидким динтиллятором герметичная оболочка из лавсановой пленки толщиной 3 мкм. С двух сторон счетчик просматривается ФЭУ-49. Средняя длина шабления света в счетчике 280 см. Счетчики расположены горизонталь), так что номер сработавшего счетчика дает вертикальную коорди-vry срабатывания с точностью не хуже 15 см (полуширина счетчика), о соотношению амплитуд сигналов с двух ФЭУ можно определить го-[зонтальную (X) координату центра тяжести энерговыделения в нем. зчность определения горизонтальной координаты для минимально иодирующей частицы составляет 15-20 см. Длина Затухания в каждом етчике была измерена в ходе тестовых испытаний, а также вычистясь, используя прямые треки, найденные в ходе обработки данных с гектора.

Детектор электромагнитных ливней представляет собой плоскость, со-зящую из 18 модулей размерами 3.6x0.2x0.22 м3. Каждый модуль пред-шляет собой "сэндвич" свинец-сцинтиллятор толщиной 10 радиацион-х длин, светосбор в котором производится с противоположных торцов гмя ФЭУ.

Установка работает в бестриггерном режиме с запуском от синхроим-п»са ускорителя. Сбор данных осуществляется с помощью 4 ЭВМ типа -4 и контроллеров крейта на основе микропроцессоров.

В третьей главе описан алгоритм сепарации и реконструкции вза-действий электронных нейтрино в нейтринном детекторе и способы еделения эффективности регистрации и уровня фона от взаимодей-ш мюонных нейтрино.

Зоток электронных нейтрино в beam-dump эксперименте составляет ю 7% от потока мюонных. Поэтому при изучении электронных ней-ао их взаимодействия приходится выделять из большого фона от взаи-гйствий мюонных нейтрино, что на установках с электронным съёмом эрмации обычно представляет значительную трудность. Нейтринные новки с достаточно тонкой структурой мишенно-калориметрической и дают оцределённые возможности для этого.

[дентификация взаимодействий электронных нейтрино основана на ичии между электромагнитным ливнем от электрона и адронным ем в детекторе. Первые имеют малую ширину , и более регулярное гение, в то время как вторые в среднем в несколько раз шире. Кри-

ис. 4. Схема алгоритма поиска взаимодействий электронных нейтрино. Значком V обозначена заранее найденная вершина взаимодействия, одним крестом обозначены счётчики, включённые в ливень, двумя - счётчик с максимальным энерговыделением.

Затем определяются характеристики, относящиеся ко всему нейтрин->му событию как целому в предположении, что найденный ливень явля-ся ливнем от электрона:

1. Координаты вершины. '2. Переменная У (неупругость), являющаяся для правильно реконстру-ованного взаимодействия электронного нейтрино скейлинговой перемен-й У.

Из ливней, удовлетворяющих обрезаниям, выбирается наилучший пи их несколько). Наиболее важными являются обрезания на пере-нные Ел и V. Они были выбраны равными 3 ГэВ и 0.4 для получения злучшей точности в числе событий после вычитания фона от взаимо-гствий мюонных нейтрино, имеющего довольно большие неопределёнен. На рис. 5 показаны распределения по переменной У. Видно, что яределения заметно отличаются для электронных и мюонных нейтри-благодаря чему можно уменьшить фон путем введения обрезаний. Чрезвычайно важным является определение эффективности регистра-[ взаимодействий электронных нейтрино и уровня оставшегося фона. I первого использовался, в частности, такой прием, как замена в рекон-уировайных экспериментальных взаимодействиях мюонных нейтрино >на смоделированным ливнем от электрона такой же энергии. Для эого использовалась экспозиция нейтринного детектора в пучке ней-но широкого спектра, в котором примесь электронных нейтрино мала гыпе одного процента) и известна с достаточной точностью. Результат [ экспозиции показан на рис. 5 вместе с результатами моделирования.

В четвёртой главе описывается процедура обработки эксперимен-лъных данных с нейтринного детектора.

Предварительная обработка информации с нейтринного детектора осу-ствлялась программой INTR, в которой декодируется информация, вос-шавливаются отрезки треков в дрейфовых камерах, вычисляются с учёл калибровочных констант энерговыделения и продольные координаты ьбатываний счетчиков. Вся информация представлялась в виде банков сета ZBOOK, а затем записывалась на диск в формате ЕРЮ. В ходе ¡дварительной обработки также определялись эффективности работы ментов детектора, которые заносились в базу данных нейтринного де-тора, а затем использовались при моделировании. Для дальнейшей обработки данных с нейтринного детектора использо-ась единая программа геометрической и кинематической реконструк-[ GRAND, которая позволяет решать следующие задачи: • разбиение информации сброса на события;

» вычисление координат стрингов в системе координат детектора; » восстановление отдельных треков в событиях;

» определение импульса и знака заряда мюонов по траекториям в

магнитной оболочке и мюонном спектрометре; » восстановление вершины события;

> нахождение энергии и направления адронного каскада;

> идентификация и реконструкция взаимодействий электронных нейтрино по каналу заряженного тока.

Обработка программой GRAND производилась в следующем поряд-1!начала. с помощью программы GRAND с включенным модулем для ка взаимодействий электронных нейтрино были отобраны события ектромагнитным ливнем. Среди них были взаимодействия мюонных ■рино по каналу заряженного тока. Большинство из них выбрасы-:сь в ходе визуального просмотра с помощью программы GRAND лючённым интерактивным модулем PMSERV. Оставшиеся события ались кандидатами на взаимодействия электронных нейтрино, 'а мишени с плотностью 1 (экспозиция 1.107 -1018 протонов,на ми.) было найдено 26 таких событий, на мишени с плотностью 1/2 юзиция 0.599 -1018 протонов на мишень) — 19 событий.

цятой главе описываются расчеты спектров нейтрино от обычных щиков.

оновые электронные нейтрино образуются в основном в результате ¿.распадов:

для мюонных неитрино методом экстраполяции, является дополнительным указанием на то, что возможный вклад потерь протонного пучка в голове канала в потоки электронных нейтрино на детекторе пренебрежимо мал, поскольку такие потери в первую очередь сказались бы на потоках мюонных нейтрино.

В«от <)итр Ьоскдгоигк! пеи1"по арвс^о

1С. 6. Спектры нейтрино и антинейтрино от обычных источников в доверительном объёме детектора.

Окончательные погрешности расчета потоков электронных нейтрино детекторе составили для нейтрино 13%, для антинейтрино 21%. В танце приведены вычисленные числа взаимодействий нейтрино с энергией ше 3 ГэВ от обычных источников в доверительном объёме детектора скспозиции на мишени с плотностью 1 и ожидаемые числа реконстру->валных событий. Таблица.

| Реакция Число соб. Эффективн. рег. Число реконстр. событий

СС 585±29 0.0054±0.0016 2.65±0.78

N0 181±9 0.01б±0.048 2.14±0.63

СС 105±10 0.0015±0.0003 0.137±0.03

Р„ ГГС 41±4 0.0036±0.0007 0.117±0.03

СС 33.8±4.4 0.367±0.018 12.4±1.6

Ре СС 11.4±2.4 0.56±0.028 6.4±1.34

получить используя данные при более высоких энергиях и теоретические соображения. Для моделирования рождения очарованных частиц использовалось неинвариантное сечение (8). Предполагалось, что в 35% случаев рождаются пары Л+Д а в 65% — £>£> и £>£>*. Такое большое количество Л+ ожидается из теоретических соображений, из которых следует, что это количество должно быть заметно больше, чем при более высоких энергиях. Само число 35% заключает в себе довольно большой произвол, однако, как будет видно в дальнейшем, результат не очень чувствителен к нему.

Предполагалось далее, что Б- и £>*-мезоны рождаются в соотношении 1:1, что является экспериментальным результатом. Параметр п был выбран равным 4 для всех Б-мезонов. Такая величина представляется естественной для Р(аь = 70ГэВ, если проанализировать зависимость измененных при более высоких энергиях показателей п от энергии. Параметр [п для Л+ был выбран равным 2.5, что соответствует величине, ожидае-|мой теоретически (гл. 1). Параметр Ь был выбран равным 1 ГэВ~2 для

всех частиц.

Вмт ¿итр п«и1Г1лр Дос1г0 ¡гот с1югт (ОтМсЬ/И

[С. 7. Спектры нейтрино и антинейтрино от распадов очарованных частиц.

Рассчитанные спектры нейтрино в детекторе при сечении рождения >ма 10 мкб/нуклон ( предполагалась линейная А-зависимость) поката на рис. 7. Эффективность регистрации взаимодействий нейтрино аким спектром в детекторе составила 0.4, антинейтрино — 0.6, чи-зарегистрированных событий на 1018 РОТ на 1 мкб/нуклон — 3.05. ользуя результат (10), получаем

ОсЫтт — -0.5 ± 1.67 мкб/нуклон

(11)

7. 11. 15. 19. 23. Е(е') ЮеУ]

1. 3. 5. 7. 9. 11.

Е (Ьас!гоп) \0>ем\

20-

15 .

10-

5 =.

_1_I_I_1_I__I_1_

2. А. 6. 8.

Рис. 8. Распределения кандидатов в электронные нейтрино.

G.L., Fachrutdinov R.M., Galjaev N.A., Goryachev V.N., Kirsanov M.M., Koshin A.S., Kravtsov V.l., Kuiikov A.V., Lipajev V.V., Muchin A.I., Rysbenkov 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. (Institute for High Energy Physics, Serpukhov). Search for prompt neutrino in the proton beam-dump on iron. //Phys. Lett. 1991. V. B279. P. 405. / Аникеев В.Б., Бамбуров H.C., Божко Н.И., Борисов A.A., Бугорский

A.П., Вовенко A.C., Галяев H.A., Горячев В.Н., Дунайцев А.Ф., Жи-гунов В.П., Зудин Ю.А., Кирсанов М.М., Кожин A.C., Кравцов В.И., Кузнецов A.A., Куликов A.B., Липаев В.В., Мухин А.И., Рыченков

B.Н., Саломатин Ю.И., Сапунов Ю.М., Сенько В.А., Спиридонов A.A., Сытин А.Н., Сытник В.В., Тумаков В.Л., Фахрутдинов P.M., Черниченко С.К., Шестерманов К.Е., .Щукин Г.Л (Институт физики высоких энергий, Протвино), Блюмляйн Й., Бруннер И., Гра-бош X., Ланиус П., Новак 3., Ретфельд К., Рызек Э., Вальтер М. (Институт физики высоких энергий, Берлин-Цойтен), Киш Д., Яки 3. (Центральный исследовательский институт Венгерской Академии наук), Будапешт Барабаш Л.С., Баранов С.А.", Батусов Ю.А., Бу-нятов С.А., Валуев В.Ю., Денисов О.Ю., Казаринов М.Ю., Карев

A.Г., Климов О.Л., Кузнецов О.М., Ладыгин Е.А., Люков В.В., Не-, федов Ю.Л., Обудовский В.П., Попов Б.А., Прахов С.Н., Снятков

B.И. (Объединённый институт ядерных исследований, Дубна). Поиск прямых нейтрино при поглощении протонного пучка железом на нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ.// ЯФ. 1992. Т. 55. С. 2092: Кирсанов М.М. Сепарация и реконструкция взаимодействий электронных нейтрино в нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ и в детекторе БАРС: Препринт ИФВЭ 92-33. - Протвино, 1992.

Рукопись поступила 6 декабря 1993 г.

М.М.Кирсанов.

Поиск прямых электронных нейтрино при поглощении протонного пучка железом на нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы MgX. Редактор Н.В.Ежепа.

Подписано к печати 08.12.93 г. Формат 60 х 90/16.

Офсетная печать. Печ.я. 1,63. Уч.^изд.л. 1,37. Тираж 150. Заказ 924. Индекс 3649. Цена Бесплатно.

Институт физики высоких энергий, 142284, Протвино Московской обл.