Поиск редких и запрещенных в Стандартной Модели распадов Z o бозона на электрон-позитронном коллайдере ЛЭП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

'.ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

Шутько Виталий Евгеньевич

Поиск редких и запрещенных в Стандартной Модели распадов бозона на элсктрон-позитропном коллайдере

лэп.

01.04.16 - физика ядра п элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

УДК 539.12

Работа выполнена в Институте Теоретической и Экспериментальной Физики.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор физико-математических наук Ю. В. Галактионов

доктор физико-математических наук А. Г. Долголснко (ИТЭФ)

доктор физико-математических наук И. А. Голутвин (ОИЯИ)

"Петербургский Институт Ядерной Физики

Защита состоится / /»V- ¿о 1994 года в 11 часов на

заседашш специализированного совета Д.034.01.01 по присуждению ученых степенен доктора наук в Институте Теоретической и Экспериментальной Физики по адресу: г. Москва, 117259, Б. Черемушкинская, 25, конференц-зал института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан $ 199 ^г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук / Ю. В. Терехов

I. Общая характеристика работы.

Настоящая диссертация посвящена попеку редких II запрещениях в Стандартной Модели Электрослабых Взаимодействий расистов нейтрального промежуточного бозо.ча на электрон-позитронием даллайдере ЛЭП в ЦЕРНе (г. Женева, Швейцария).

Актуальность проблемы.

В 1983 году Европейским Центром Ядерных Исследований (ЦЕРН) )Ыло начато строительство крупнейшего в мире ускорительно-мкопительного электрон-ггозгпронного комплекса ЛЭП. Запуск ускорителя ЛЭП состоялся в июле 1989 года. На новом ускорителе были гозданы четыре экспериментальные установки: АЛЕФ, ДЕЛЬФИ. ЛЗ ;т ОПАЛ. С момента пуска ускорителя, в течение 1989-1092 гг. на »тих установках было зарегистрировано более С миллионов распадов бозона. Накопленная уникальная статистика позволяет с высокой точностью провести различные тесты Стандартной Модели, в частности, поиски редких и запрещенных в СМ распадов 2°.

Цели и задачи исследования

Основной целью настоящей работы являлся поиск редких и запрещенных в Стандартной Модели распадов а именно:

Поиск распадов 2° бозона с нарушением лептонного числа;

Поиск рождения тяжелого нейтрального лептона в распадах 2® бозона.

Научная новизна, значимость н практическая полезность проведенной работы.

' В настоящее время развитие теоретической физики позволило объединить слабые и электромагнитные взаимодействия в одну теорию, называемой Стандартной Моделью Электрослабых Взаимодействий (СМ) , которая включает в себя модель электрослабых взаимодействий лептонов Глэшоу, Вайнберга и Салама, расширенную на квартовый сектор введением матрицы смешивания Кабиббо-Кобаяши-Маскавы и привлечения идеи цветных кварков из квантовой хромо-динамики.

Предсказания Стандартной Модели были подтверждены многочисленными экспериментами, в том числе и открытием IV и 20 бозонов в 1983 году с массами, близкими к рассчетным.

Несмотря на все успехи Стандартной Модели, несколько вопросов остаются в ней нерешенными, указывая на то, что Стандартная Модель может быть неполной. Так, в частности, свободными параметрами в ней являются массы фундаментальных фермионов. число их поколений, значения элементов матрицы смешивания Кобаяши-Маскавы, константы электрослабого взаимодействия. Весьма актуальным поэтому является поиск различных нарушений Стандартной Модели.

В настоящей работе проведен поиск нарушения закона сохранения лептонного числа и поиск существования тяжелого нейтрального леп-тона (правого нейтрино) с массой до 91 ГэВ в распадах Z0 бозона.

В Стандартной Модели лептонное число абсолютно сохраняется, поэтому наблюдение распадов Z0 бозона с несохранением лептонного числа явилось бы четким указанием на неполноту СМ.

Все фундаментальные частицы в СМ, за исключением нейтрино, имеют также правые компоненты, которые являются синглетами в изотопическом пространстве. Отсутствие таких компонент у нейтрино не является следствием какой-либо фундаментальной симметрии, а возникает из-за нулевой массы нейтрино, что, в свою очередь, не имеет в СМ надежного теоретического обоснования. Расширения

Стандартной Модели, включающие тяжелые нейтральные лептоны как правые компоненты нейтрино, одновременно позволяют обосновать малые (совместимые с экспериментом) или нулевые массы нейтрино.

В результате физического анализа распадов Z0 бозона установлены:

• Новые пределы на ширину распадов Л'0 бозона с несохранением лептонного числа, Z0 —► ег и /хт, которые существенно улучшают известные раннее. Полученные результаты подтверждают с высокой точностью предсказания Стандартной Модели и, одновременно, исключают некоторые ее расширения, допускающие такие распады на древесном уровне,как например, модели с присутствием дополнительных калибровочных бозонов.

• Новые пределы на величину амплитуды смешивания тяжелого нейтрального лептона с обычными нейтрино,а также на сечение его рождения, в диапазоне масс ТНЛ от 0.5 до 91 ГэВ , которые существенно улучшают известные раннее.

Написанный автором Монте-Карло генератор событий распадов 7° с рождением тяжелого нейтрального лептона включен в пакет программ моделирования данных эксперимента ЛЗ и применялся также в работе по поиску рождения суперсимметричных нейтральных частиц в распадах Z0 бозона.

Разработанный в данной работе алгоритм селекции редких распадов бозона использовался также для поиска рождения суперснм-метричньгх нейтральных частиц в распадах бозона.

Разработанные в данной работе методы анализа данных (метод разделения 7г°- мезонов и фотонов, метод разделения электронов и г-лептонов, метод разделения мюонов и пионов) применяются в -эксперименте ЛЗ.

Автор активно участвовал на всех этапах создания одного из основных детекторов комплекса ЛЗ - адронного калориметра с урановым поглотителем и проволочными пропорциональными камерами, в

том числе: сочдаиня прототипаадронного калориметра и экспериментального исследования его свойств; разработки автоматизированного комплекса для контроля, слежения и автоматического снятия физических характеристик проволочных пропорциональных камер; разработки методик контроля работы камер с помощью естественной радиоактивности урана, -энергетической калибровки калориметра и алгоритма реконструкции адронов и адронных струп.

Апробация работы.

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на собраниях сотрудничества ЛЗ, Международной Лсптон-Фотоннон конференции (г. Женева, 1991 г.), на Рочестерской конференции (г. Даллас [992 г.) и на Международной Европейской Физической конференции (г. Марсель, 1993 г.).

По теме диссертации в 1989-1992 годах опубликованы -5 работ. Предварительная защита диссертации проведена на заседании секции НТС N 9 ИТЭФ.

Структура диссертации.

Диссертация состоит лз введения, б глав и заключения, содержит ЮС страниц, 63 рисунка, 11 таблиц, список цитированной литературы составляет 63 наименования.

II. Краткое содержание диссертации.

Глава 1. Стандартная Модель Электрослабых Взаимодействии.

В перпой главе дано краткое изложение Стандартной Модели Электрослабых Взаимоденстпип. Изложены теоретические предпосылки к существованию распадов бозона с нарушением лептой-

ного числа. Обнаружение таких распадов явилось бы четким указанием на неполноту СМ и существования новой физики в доступной для ускорителей области энергий. Изложены теоретические предпосылки к существованию тяжелого нейтрального лептона, который во многих расширениях СМ возникает в виде правого нейтрино, являющимся синглетом в группе 2)ь 011(1). Рассмотрен вопрос о сечении рождения тяжелого нейтрального лептона и его модах распада (см. рис. 1).

(её, ^77, г г, ий, дд)

Рис. 1: Моды распада ЛГе,я,т-

Глава 2. Эксперимент ЛЗ.

Во второй главе дано краткое описание экспериментального комплекса ЛЗ.

Экспериментальный комплекс ЛЗ (рпс. 2) установлен внутри 7800-тонного 14-метрового обычного магнита с полем 0.5Т и состоит из следующих детекторов :

- Центрального трекового детектора , который обеспечивает точность измерения координат заряженных частиц 50 мкм в плоскости (/?, ф) и 300 мкм по Z координате (вдоль оси пучка). Двух трековое разрешение составляет 450 мкм в плоскости (Л, о) и 7 мм вдоль оси пучка.

- Электромагнитного калориметра, состоящего из кристаллов В^везОю (ВСО). Калорнмстср измеряет энергию фотонов и электронов с точностью 5% при энергии 100 МэВ и 1.3% при энергии выше 2 ГэВ, п имеет пространственное разрешение и 2 мм.

- Сцинтплляционных счетчиков, расположенных вокруг 1ЮО калориметра и служащих для измерения времени между столкновением пучков и прохождением частиц.

- Адронного калориметра, измеряющего энергию адронов и адрон-ных струй с разрешением (оо/у/Е о)% и имеющим угловое разрешение Ав = 2.5° Дф = 3.5°. Адронный калориметер также служит в качестве мюонного фильтра п как трековый детектор для мюонов.

- Мюонного детектора, состоящего из дрейфовых камер, который обеспечивает точность измерения импульса мюонов 2.5 % при импульсе мюона 45 ГэВ.

- Монитора светимости, который представляет собой электромагнитный калориметер па кристаллах ВСО и служит для измерения светимости во время набора данных.

Подробно описан урановый адронный калориметер,основной вклад в создание которого внес ИТЭФ. Урановый адрошшй калориметер служит для измерения энергии адронов и адронных струй, а также в качестве фильтра, защищающего мюонные камеры от проникания адронов. Энергетическое разрешение уранового адронного калориметра изображено на рис. 3.

Глава 3. Моделирование данных методом Монте Карло.

В третьей главе дано краткое описание метода Монте Карло, использующегося для моделирования событий и сигналов с детектора ЛЗ. Дано описание генераторов событий для моделирования распадов Za с нарушением лептонного числа и для моделирования процессов рождения и распада тяжелого нейтрального лептона.

Глава 4. Реконструкция экспериментальных данпых в детекторе ЛЗ.

------------------1/у/Ё (ГэВ)

Рис. 3: Зависимость разрешения адроннсго калориметра от энергии пиона. Линия проведена через точки, когда ВСО калориметер был помешен перед адроншлм калориметром (черные кружки) и соответствует разрещению а/Е = (55/\[Ё 4- 5)%.

В четвертой главе дано краткое описание системы сбора и реконструкции экспериментальных данных детектора ЛЗ. Описаны алгоритмы восстановления треков в центральном трековом детекторе, электронов и фотонов в электромагнитном калориметре, адронных струй в электромагнитном и адронном калориметрах, мюонов в мю-онном детекторе. Измеренное энергетическое разрешение для электронов с энергией 15 ГэВ составляет 1.3% (рпс. 4), и для мюонов с такой же энергией - 2.5% (рнс. 5).

Отношение энергии электрона к энергии пучка.

Рис. I; Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра при энергии -13 ГэВ. Точками показаны экспериментальные данные, зачерненная область опи-сынает распределение моделированиях событий, линия отмечает Литерование экспериментальных данных функцией Гаусса.

Отношение энергии пучка к энергии мюона.------------

Рис. 5: Энергетическое разрешение мюонного детектора при энергии 1г> ГэИ. Точками показаны экспериментальные данные, лини« отмечает фитирование экспериментальных данных функцией Гаусса.

Глава 5. Поиск распадов с нарушением лептонного числа.

В пятой главе изложена процедура поиска распадов с нарушением лептонного числа в каналах 2го е~р, 2!° еТ я Z(> ¡лт. Полученные пределы на ширину распада в этих каналах приведены в таблице 1 вместе с результатами других экспериментов.

Эксперимент ец

Сотрудничество КЛЕО Сотрудничество АРГУС Сотрудничество Этскит 7.0 х Ю-3 7.8 х 10~5 11.4 х 10"° 5.5 х ИГ5 .. . . 6.6 х 10"13

Сотрудничество ОПАЛ Сотрудничество АЛЕФ Сотрудничество ЛЗ Сотрудничество ДЕЛ ФИ 35 х Ю~5 5.5 х КГ5 1.9 х Ю-5 8 х Ю-5 7.2 х 10"5 8 х 10~5 1.3 х 10~5 7 х 10~5 4.6 х 10-° 1.0 х Ю-5 0.6 х 10~5 2.6 х Ю-5

Таблица 1: Существующие пределы на Вг(2" —► 1,1,)

Глава 6. Поиск существования тяжелого нейтрального лептона в

распадах

В шестой главе изложена процедура поиска существования тяжелого нейтрального лептона с массой от 0.5 до 90 ГзВ. Полученные пределы на величину квадрата амплитуды смешивания тяжелого нейтрального лептона с обычным нейтрино изображены на рис. 6.

Заключение.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Масса ТНЛ (ГэВ)

Рис. 6: Зависимость верхнего предела на квадрат амплитуды смешш:аш!я от .-,!arcu ТНЛ.

III. Основные результаты диссертации, которые представляются к защите.

• В результате поиска распадов с несохраненнем лептонного числа установлены новые пределы на ширину распада Z° er и Z° —> ;tr, которые существенно улучшают известные раннее. Полученные результаты исключают некоторые теоретические модели, допускающие такие распады на древесном уровне,как например, модели с присутствием дополнительных калибровочных бозоноз.

• В результате поиска тяжелого нейтрального лептона (правого нейтрино) в диапазоне масс последнего от 0.5 до 91 ГэВ установлены новые пределы на величину амплитуды смешивания тяжелого нейтрального лептона с обычными нейтрино, существенно улучшающие известные раннее.

IV. Публикации.

1. L3 Collaboration, В. Adeva, V. Shoutko et al., " Construction of the L3 Experiment", Nucl. Instr. and Meth. A289 (1990) 35.

2. O. Adriani, V. Shoutko et al., n Performance of the L3 Hadron Calorimeter"', Nucl. Instr. and Meth. A302 (1991) 53.

3. L3 Collaboration, B. Adeva, V. Shoutko et al., "Search for Lepton Flavour Violation in Z° Decays", Phys. Lett. B271 (1991) 453.

4. L3 Collaboration, O. Adriani, V. Shoutko et al., "Search for Isosinglet Heavy Neutral Lepton in Z° Decays", Phys. Lett. B295 (1992) 371.

5. L3 Collaboration, O. Adriani, V. Shoutko et al., "Results from the L3 Experiment at LEP", CERN-PPE/93-31, submitted to Physics Reports.