Поиск редкого СР-нарушающего распада тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

1 Накопитель ВЭПП-2М

2 Детектор СНД

2.1 Калориметр.

2.1.1 Устройство калориметра.

2.1.2 Электроника калориметра.

2.1.3 Калибровка формирователей.

2.1.4 Контроль электроники калориметра.

2.2 Система дрейфовых камер

2.3 Сцинтилляционный счетчик.

2.4 Мюонная система.

3 Аппроксимация экспериментальных данных

3.1 Постановка задачи.

3.2 Вычисление радиационных поправок.

3.3 Учет разброса энергии.

3.4 Ожидаемое число событий

3.5 Функция правдоподобия.

3.6 Минимизация. Ограничение параметров модели. Штрафные функции.

3.7 Эффективность регистрации.

3.8 Учет фона. Совместная аппроксимация нескольких процессов.

3.9 Использование программы аппроксимации.

4 Поиск распада Ks —» 37г°

4.1 Эксперимент

4.2 Отбраковка космического фона.

4.3 Кинематическая реконструкция

4.4 Параметр "продольной фотонности".

4.5 Взаимодействие Kl мезона с веществом детектора.

4.6 Отбор событий.

4.7 Анализ событий с регистрацией Kl.

4.8 Анализ событий без регистрации Kl.

4.9 Совместный анализ

4.10 Результаты.

4.11 Обсуждение.

Метод встречных электрон-позитронных пучков в настоящее время является одним из основных способов исследования элементарных частиц, позволяющий проводить наиболее точные измерения их параметров. Сейчас в мире имеется около десяти работающих или строящихся ускорителей этого типа в области энергий 2Е от 0.36 до 200 ГэВ.

Коллайдер ВЭПП-2М [1] работает в Институте ядерной физики, в Новосибирске, с 1974 года. Накопитель позволяет проводить эксперименты по е+е~-аннигиляции в диапазоне энергий 2Е = 0.36 — 1.4 ГэВ. До настоящего момента значение пиковой светимости Lq ~ 3 • Ю30 см-2 с-1, полученное при энергии 1 ГэВ, является рекордным в этой области энергии.

С 1974 по 1990 гг. на ВЭПП-2М проводились эксперименты с несколькими детекторами (ОЛЯ, НД, КМД) [[2, 3, 4]]. В этих экспериментах были измерены основные параметры легких векторных мезонов а;, ф [5], был обнаружен ряд редких распадов. Однако, многие другие редкие моды распадов векторных мезонов и большая часть нерезонансных процессов в области энергии ~ 1 ГэВ были изучены недостаточно точно. Это объясняется, в основном, невысокой эффективностью предыдущего поколения детекторов к многочастичным событиям вследствии малого телесного угла и недостаточной грануляции.

Новый этап изучения этой области физики начался с создания в ИЯФ нового поколения детекторов КМД-2 [6] и СНД. Эксперименты со Сферическим нейтральным детектором (СНД) начались с 1995 года [7, 8, 9, 10, 11].

Детектор СНД оптимизирован для изучения многочастичных нейтральных событий. Калориметр детектора с телесным углом 90% от 47т обладает хорошим энергетическим разрешением 4.2ГэВ) и высокой грануляцией. Наличие системы дрейфовых камер с телесным углом 98% от 4-zr позволяет изучать и многочастичные события с заряженными частицами.

Составной частью координатной системы является внутренний сцинтил-ляционный счетчик на основе сцинтиллятора NE — 110. Малый обьем свободного пространства внутри детектора определил способ вывода света -при помощи волоконных световодов. Счетчик является системой с хорошим временным разрешением, позволяющей решить задачу привязки события к времени столкновения пучков в ВЭПП-2М. Это необходимо для определения времени дрейфа в камерах, и, следовательно, координат заряженных частиц.

Физическая программа эксперимента с детектором СНД включает в себя изучение радиационных распадов легких векторных мезонов р,и,ф —У 7Г°7,777; обнаружение распада ф —> rj7; поиск и изучение электрических ди-польных переходов р,ш,ф —> 7rwj, rjirj; измерение распадов, подавленных по OZI и G-четности: ф -> илг,7гтг,7]тгп, р -» 37Г,ио -> 27т; изучение электромагнитных распадов р,ш,ф -» г)е+е~, тт°е+е~; изучение аннигиляции е+е~ —> адроны: е+е~ —> 2п, 3-7Г, 4п, 5тг, е+е c<J7r, утг7г, фи, е+е~ —К+ К~, Kg Кь, К . % ? проверку квантовой электродинамики: е+е~ —» З7, е+е~7, е+е~ —> 47, е+е~77,4е е+е~ -» 67,37е+е~,4е7; поиск редких распадов Ks и rj мезонов: i^s -* 27,37г°, 27г°7,7Г°77,7г°е+е~, г) —\ З7, е+е-,4е; поиск аннигиляции в С-четное состояние е+е~ -» г/, ао> /о, а2, /2

Одной из завершающих стадий обработки экспериментальных данных при изучении практически любого из перечисленных процессов является аппроксимация измеренного сечения теоретической моделью. Данная процедура применяется как для получения оптимальных параметров модели, так и для проверки соответствия модели измерениям. Задача усложняется

- б необходимостью учета следующих факторов:

• наличия радиационных поправок, сильно искажающих сечение;

• конечной точность измеряемых величин;

• наличия в некоторых моделях большого количества параметров, как правило, коррелирующих между собой;

• возможного фона от других процессов;

• большого динамического диапазона используемой статистики - от единиц событий для редких процессов, до миллионов событий в пиках ре-зонансов.

Все это требует большой подготовительной работы и значительных программных затрат. То что процедура аппроксимации при обработке различных процессов принципиально одинакова, позволяет создать унифицированную программу аппроксимации, легко настраиваемую на обработку конкретного процесса. Такая программа была написана и успешно используется при обработке экспериментов, проведенных со Сферическим нейтральным детектором [16].

В последнее время в мире возрос интерес к проблеме CP-нарушения [22, 24, 23]. Несмотря на то, что CP-нарушение проявляет себя при низкой энергии значительно слабее, чем в области В мезонов, в мире существует несколько проектов, направленных на изучение CP-нарушения в К мезонах [22, 24].

Процесс Ks —> 37г° является в чистом виде CP нарушающим [25]. Конечное состояние, вследствие симметрии Бозе, может иметь только CP = — 1, в то время как у Ks мезона наблюдается CP = +1. В рамках Стандартной модели вероятность перехода предсказывается на уровне Ю-9 [25]. Малость этой величины объясняет тот факт, что распад не наблюдался эксперимен

- 7 тально, а имеется только верхний предел равный Br(Ks —> 37г°) < 1.9 • 1СГ5

36].

С детектором СНД был осуществлен поиск распада Ks Зж0 что привело к установлению нового верхнего предела на вероятность этого распада. Хотя выйти на уровень ~ Ю-9 с детектором СНД не было шансов, тем не менее работа имеет методическое значение в связи с начинающимися экспериментами на ф фабрике во Фраскати (Италия). При поиске распада было изучено взаимодействие Kl мезона с веществом детектора, разработаны параметры Kl/^ разделения, которые используются при обработке других процессов.

Основное содержание диссертации изложено в работах [12, 13, 14, 15, 16, 17] и докладывалось на семинарах Института, а также на международном совещании по электрон-позитронным столкновениям в области энергий от ф до J/ф в Новосибирске в 1999 году [18].

Заключение

В представленной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработан и изготовлен сцинтилляционный счетчик с выводом света при помощи спектросмещающих волокон. Основные характеристики счетчика следующие: временное разрешение - 1.45 не, количество фотоэлектронов от минимально ионизирующей частицы - 8. Счетчик установлен на детекторе СНД, подключена и настроена электроника. Создана программа контроля и калибровки счетчика, работающая в автоматическом режиме. Информация со счетчика используется для улучшения разделения событий е+е~ —> и космического фона, производимого по мюонной системе, а также для оперативного контроля за синхронизацией момента впуска пучков в коллайдер.

2. Разработана программа калибровки коэффициентов усиления формирователей калориметра. Программа входит в состав процедуры космической калибровки, исполняющейся периодически - раз в неделю. Программа необходима для того, чтобы выравнять вклады от разных каналов калориметра в сигнал полного энерговыделения. После этого этот сигнал может быть использован в первичном триггере для отбора событий. Создана программа генераторной проверки калориметра и измерения порогов. Программа хорошо зарекомендовала себя в эксперименте СНД. Разработаны несколько вспомогательных программ для проверок электроники калориметра, которые используются на подготовительном этапе эксперимента СНД, а также программа контроля электроники калориметра в ONLINE.

3. Создан пакет программ аппроксимации сечений в эксперименте СНД. Программа позволяет по заданным экспериментальным данным и гипотетической параметризованной модели определить оптимальные значения параметров модели и их ошибки. Программа активно используется для получения физических результатов Сферического нейтрального детектора и может использоваться в других экспериментах.

4. Разработан и реализован алгоритм подавления космического фона в "нейтральных" событиях. Процедура используется в обработке и позволяет подавить до 95% космического фона в "нейтральных" событиях. Оставшийся космический фон, как правило, идет по краю детектора, или сопровождается наложением пучкового фона.

5. Создана программа разделения фотонов/мезонов по форме "продольного" распределения ливня в калориметре детектора СНД. Программа может быть использована в обработке других процессов с детектором СНД.

6. Проведен поиск редкого CP-нарушающего распада Ks 37г° в процессе е+е~ —)• KsKl■ Установлен верхний предел на относительную вероятность данного распада 1.4 • Ю-5 с уровнем доверия 90%. На данный момент это измерение является наилучшим.

В заключении автор выражает признательность всем своим коллегам, принимавшим участие в создании детектора СНД и в проведении экспериментов, за совместную работу и многочисленные плодотворные обсуждения, Ю.М.Шатунову и всем сотрудникам ВЭПП-2М, которые обеспечили работу накопителя. Я благодарен своему научному руководителю В.П.Дружинину за руководство работой. Хочется выразить глубокую благодарность С.И.Середня Ste&j за поставленные задачи и постоянное внимание и поддержку данной работы.

1. A.D.Bukin et al // Sov. J. Nucl. Phys 27 (1978) 521.

2. S.I.Dolinsky, V.P.Druzhmin, M.S.Dubrovin et al / Summary of experiments with the neutral detector at the e+e~ storage ring VEPP-2M // Phys. Rep. 202 N3, 1991.

3. L.M.Barkov et al. // Nucl. Inst. Methods, 204 (1983) 379.

4. C.Case et al, Particle Data Group, Review of Particle Physics, The European Physical Journal C, vol. 3, number 1-4, 1998.

5. Детектор КМД2 / Г.А.Аксенов et al., // Препринт ИЯФ 85-118, Новосибирск, 1985.

6. Beginning of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M / V.M.Aulchenko, M.N.Achasov, T.V.Baier e.a. Novosibirsk, 1995. -23p. — (Preprint / Budker Inst, of Nucl. Phys.; 95-56).

7. Status of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk / M.N.Achasov, M.G.Beck, P.M.Beschastnov e.a. — Novosibirsk, 1996. 12p. - (Preprint / Budker Inst, of Nucl. Phys.; 96-47).

8. Experiment at VEPP-2M with SND detector. / M.N.Achasov, V.M.Aulchenko, S.E.Baru et al, // Preprint Budker INP 98-65, Novosibirsk, 1998. e-print hep-ex/9809013.

9. New Data from SND Detector in Novosibirsk / M.N.Achasov, V.M.Aulchenko, K.I.Beloborodov, et all. // Proc. of the 8th International Conference on Hadron Spectroscopy, Beijing, China, 24-28 Aug, 1999. e-print hep-ex/9910057.

10. Сферический нейтральный детектор (СНД) для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М. / В.М.Аульченко, М.Н.Ачасов, С.Е.Бару et al, // Препринт ИЯФ 99-16, Новосибирск, 1999.

11. The SND calorimeter first level trigger. / D.A.Bukin, T.V.Dimova, V.P.Druzhinm et al, // Proceedings of the Sixth International Conference INST96, Novosibirsk, Russia, February 29 March 6, 1996, Nucl. Instr. and Meth. A 379 (1996) 545-547.

12. Scintillation counter with WLS fiber readout / D.A.Bukin, V.P.Druzhinm, V.B.Golubev, S.I.Serednyakov, // Nucl. Instr. and Meth. A 384 (1997) 360.

13. Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using cosmic muons / M.N.Achasov, A.D.Bukin, D.A.Bukin e.a. // Nucl. Instr. and Meth. 1997. - Vol.A401. - P.179 - 186, e-print physics/9805035.

14. Пакет аппроксимации сечений в эксперименте СНД / А.В.Боженок, Д.А.Букин, В.Н.Иванченко, А.А.Сальников, З.К.Силагадзе, // Preprint Budker INP 99-103, Novosibirsk, 1999.

15. Upper limit on the Ks —> 3 piO decay / M.N.Achasov, V.M.Aulchenko, A.V.Berdyugin et al. // Phys.Lett. B459 (1999) 674-678, e-print hep-ex/9907004.

16. Proceedings of the International Workshop e+e~ collisions from ф to J/ф, March 1-5, 1999.

17. A Status Report of KLOE at DAFNE / Sergio Bertolucci // Invited Talk at the 1999 Lepton-Photon Conference, e-print hep-ex/0002030.

18. HERA-B Status / M. Medinnis //in Proceedings of Lepton-Photon 99, е-print hep-ex/9912037.

19. Status of KEKB accelerator and detector, BELLE / Fumihiko Takasaki // Lepton Photon Symposium 1999, e-print hep-ex/9912004.

20. THE SECOND БАФИЕ PHYSICS HANDBOOK, V.I,II / Ed. L.Maiani, G.Pancheri, N.Paver, — INFN — Laboratory Nazionali di Frascati, 1995.

21. CP violation with BaBar / S. Plaszczynski // e-print hep-ph/9804330.

22. CP,T and/or CPT Violations in the K0-K0bar System -Implications of the KTeV,NA48 and CPLEAR Results / Yutaka Kouchi, Yoshihiro Takeuchi, S. Y. Tsai // e-print hep-ph/0002136.

23. L. Maiani. CP and CPT violation in neutral kaon decays // The second DA<3>NE physics handbook, Vol.1 / Ed. L.Maiani, G.Pancheri, N.Paver. — INFN — Laboratory Nazionali di Frascati, 1995. —P.3 -26.

24. The results of vacuum phototriodes tests / P.M.Beschastnov, V.B.Golubev, E.A.Pyata, e.a. // Nucl. Instr. and Meth. 1994. - Vol.A342. - P.477 -482.

25. Professional Components. Photomultipliers. Data Handbook // Philips, PC04, 1990.

26. Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using e+e~ e+e~~ events / M.N.Achasov, D.A.Bukin, T.V.Dimova e.a. // принято для публикации в Nucl. Instr. and Meth.

27. MINUIT. Function minimization and error analysis // CERN Program Library entry D506, 1989.

28. О радиационных поправках к сечению однофотонной аннигиляции е+е~-пары большой энергии / Кураев Э.А., Фадин B.C., // Ядерная физика, 41 (1985) 733.

29. Determination of Гее of the T(IS') and Y(2S) resonances, and measurement of R at W = 9.39 ГэВ / Z.Jakubowski et al., // Z. Phys. С 40, (1988), 49.32. CERNLIB long writeup.

30. Бердюгин А.В, Магистерский диплом, НГУ (1997).

31. В Lifetimes, Mixing, and CP Violation at CDF / Manfred Paulini // Fermilab-Pub-99/014-Е, hep-ex/9903002.

32. CP violation in К 3-7Г decays / L.Maiani and N.Paver // The second DA<I?NE physics handbook, vol.1 (1995), p.51.

33. CPLEAR collaboration // Phys. Lett. В 425 (1998) pp.391-398.

34. Худсон, Статистика для физиков, Москва, 1970.

35. Transverse energy profile of electromagnetic shower / A.V.Bozhenok, V.N.Ivanchenko, Z.K.Silagadze // Nucl. Inst, and Meth., A379 (1996) pp.507-508.

36. A.D.Bukin et al. // in Proc. Workshop on Detector and Event Simulation in High Energy Physics, The Netherlands, Amsterdam, 8-12 April 1991, NIKHEF, p.79.

37. CPLEAR results on CP, T and CPT violation parameters / Marko Mikuz //in Proceedings of International workshop e+e~ collisions from ф to J/ф, Novosibirsk, 2000.

38. Information management system for SND experiment. / I.A.Gaponenko, A.A.Salnikov, // Preprint Budker INP 98-39, Novosibirsk, 1998.

39. Гистограммиая программа GIST. / А.Д.Букин, В.Н.Иванченко, // Препринт ИЯФ 93-81, Новосибирск, 1993.

40. UNIMOD-2 универсальная программа моделирования экспериментов на встречных е+е~ пучках. / А.Д.Букин, Н.А.Грозина, М.С.Дубровин е.а., // Препринт ИЯФ 90-93, Новосибирск, 1990.

41. Physics Analisys Workspace, CERN, 1999.

42. Do nonlinear programming, version 2. / prof. dr. Peter Spellucci, e-mail: spellucci@mathematik.th-darmstadt.de //

43. Muons, / A.O.Vajsenberg, // Amsterdam: North-Holland, 1967.

44. Накопительное кольцо БЭП. Рабочие материалы. // Препринт 83-98, 1983.