Прецизионное измерение параметров ω-мезона с детектором КМД-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Введение

2 Ускорительно-накопительный комплекс

ВЭПП-2М и детектор КМД

2.1 ВЭПП-2М.

2.2 Детектор КМД-2.

2.3 Оцифровывающая электроника

2.4 Программное обеспечение детектора

3 2-камера

3.1 Основные требования к 2-камере

3.2 Характеристики 2-камеры.

3.3 Z-кaмepa в триггере КМД

3.4 Реконструкция продольной координаты.

3.5 Использование 2-камеры в обработке событий.

4 Описание эксперимента

4.1 Набор экспериментальной статистики

4.2 Измерение интеграла светимости.

4.3 Основные характеристики детектора в сезонах 1994-1995 годов.

5 Калибровка энергии пучков ВЭПП-2М

5.1 Разброс энергии частиц в пучке.

5.2 Определение энергии по трековой системе КМД-2.

5.3 Оценка возможной ошибки в массе ш-мезона.

6 Определение параметров ш-мезона

6.1 Отбор событий.

6.2 Сравнение с моделированием.

6.3 Оценка фона и его подавление.

6.4 Определение числа событий

6.5 Определение эффективностей.

6.6 Радиационные поправки

6.7 Поправки на разброс энергии частиц в пучке

6.8 Подгонка данных и определение параметров резонанса.

6.9 Анализ систематических ошибок

6.10 Проверка устойчивости результата.

7 Обсуждение результатов

7.1 Сравнение с результатами предыдущих экспериментов.

Основные результаты данной работы состоят в следующем:

1. Изготовлена Z-кaмepa КМД-2, имеющая высокое координатное и временное разрешение, что позволяет использовать ее как в первичном триггере, так и для точного определения полярного угла треков и абсолютной калибровки других систем детектора. Разработана методика изготовления цилиндрических полосковых катодов. Временное и пространственное разрешение, а также другие параметры камеры, адекватны требованиям, предъявляемым к трековой системе и системе запуска детектора. Выбрана удобная в эксплуатации газовая смесь на основе фреона-14 и изобутана, позволяющая получить временное разрешение для двухтрековых событий на уровне лучше 3.5 нс, что дает возможность дополнительного подавления фона от космических частиц приблизительно в 2.5 раза. За время эксплуатации с 1993 по 1999 год камера продемонстрировала устойчивую работу и стабильность параметров;

2. Созданы программы калибровки электронного тракта 2-камеры, оперативного контроля ее параметров, чтения и обработки информации в процессе эксперимента;

3. Разработано программное обеспечение для восстановления Z-кoopдинaты и временной привязки событий к моменту столкновения пучков. Получена координатная точность на уровне 250 мкм для треков, перпендикулярных оси пучков;

4. Продемонстрирована возможность контроля стабильности энергии пучков ускорителя по измерению импульсов заряженных частиц трековой системой детектора. Изучена стабильность энергии ВЭПП-2М в сезонах 1994-1995 годов по данным метода резонансной деполяризации в 13 точках по энергии. Показано, что долговременная стабильность средней энергии пучков ~ 50кэВ. Явная зависимость энергии пучков от температуры ускорителя в области энергий вблизи массы и>-мезона не наблюдается, но экстраполяция температурной зависимости из области вблизи массы (/»-мезона позволяет оценить величину возможных температурных флуктуаций энергии пучков на уровне не более ЗОкэВ;

5. Впервые проведено моделирование процесса е+е~ —> 7г+7г7г° с учетом изменения кинематики конечных частиц при излучении фотонов начальными частицами. Такой подход позволяет корректно учесть зависимость эффективности регистрации процесса от энергии в системе центра масс для используемых условий отбора;

6. По анализу около 12000 событий е+е~~ —» 7г+7г~7г° в области энергий от 760 МэВ до 810 МэВ в с.ц.м. определены параметры о;-мезона:

Ге+е- • В г {и> -» 7г+7г~7г°) = (0.537 ± 0.012 ± 0.009) кэВ ,

Мш = 782.71 ±0.07 ±0.04 МэВ , Гш = 8.68 ±0.23 ±0.10 МэВ . и сечение в пике: а0(со тг+тГтг0) = 1482 ± 23 ± 25 нб .

На основе этих данных и с использованием табличной величины Вг(ш —)■ 7г+7г~7г°) 0.888 ± 0.007 вычислены лептонная ширина и ее отношение к полной ширине:

Ге+е^ = 0.605 ± 0.014 ± 0.010 кэВ , Ге+е-/Гш = (0.697 ± 0.011 ± 0.012) • 10"4 .

Точность измерения лептонной ширины лучше среднемировой, точность измерения массы значительно лучше всех предыдущих измерений, точность измерения полной ширины на уровне среднемировой. Все измеренные параметры, за исключением массы, согласуются с результатами предыдущих измерений. Масса а;-мезона приблизительно

102 на 9 стандартных отклонений отличается от результата эксперимента CMD87 [55] и не противоречит результатам остальных экспериментов, имеющих значительно большую ошибку измерения. Расхождение с экспериментом CMD87 связано с наличием в нем значительной систематической ошибки при использовании метода резонансной деполяризации. В настоящем эксперименте вероятный источник этой ошибки полностью исключен и на уровне наших нынешних представлений величина массы а>-мезона, полученная в данной работе, является самым точным измерением.

В заключение я хочу выразить искреннюю благодарность моим научным руководителям Г.В. Федотовичу за постоянное внимание и активное участие в этой работе и Ю.М. Шатунову за ценные консультации по всем вопросам, связанным с работой комплекса ВЭПП-2М. Я очень признателен Е.П. Солодову, Б.И. Хазину, С.И. Эйдельману, А.Е. Бондарю, Б.А. Шварцу за многочисленные полезные советы и обсуждения данной работы, Э.Э. Мархелю за помощь в изготовлении Z-камеры и А.Е Шеру за его большой вклад в расчет радпоправок. Я также признателен JI.M. Баркову за постоянный интерес к работе и за множество ценных замечаний в процессе работы над диссертацией. Я хочу поблагодарить всех сотрудников Лаб. 2 и коллектив ВЭПП-2М за их огромный вклад в эксперименты на КМД-2, а также дирекцию Института за поддержку эксперимента. Особо хочется отметить Н.М. Рыскулова за многочисленные интересные дискуссии и остроумные замечания. Мне очень приятно, что со мной вместе работали Т.А. Пурлац, A.C. Кузьмин, В.Н. Жилич, Н.И. Роот, А.И. Суханов, И.Б. Логашенко, П.П. Кроковный и многие другие, оказавшие мне неоценимую моральную и научную помощь в работе. И, наконец, я хочу выразить огромную благодарность и признательность моей жене Маргарите за ее невероятное терпение и всестороннюю поддержку, без которых эта диссертация вряд ли вообще была бы написана.

1. Т. Kinoshita, В. Nizic and Y. Okamoto, Phys. Rev., D31, 1985, p. 2108.

2. C. Timmermans et al, Proc. of the International Conference on High Energy Physics (ICHEP), July 1998, Vancouver, Canada.

3. S. Eidelman and F.Jegerlehner, Z.Phys., C67, 1995, p. 585.

4. D.H. Brown and W. A. Worstell, Phys. Rev., D54, 1996, p. 3237.

5. Caso et al, Review of Particle Physics., The European Physical Journal, C3, 1998, NN 14.

6. B.B. Анашин, И.Б. Вассерман, В.Г. Вещеревич и др., Электрон-позитронный накопитель-охладитель БЭП., Препринт ИЯФ 84-114, Новосибирск, 1984.

7. Г.А. Аксенов, В.М. Аульченко, JI.M. Барков и др., Проект детектора КМД-2., Препринт ИЯФ 85-118, Новосибирск, 1985.

8. E.V. Anashkin, V.M. Aulchenko, S.E. Baru et al, General Purpose Cryogenic Magnetic Detector CMD-2 for Experiments at The VEPP-2M Collider., ICFA Instrumentation Bulletin, 5, 1988, p. 18.

9. Рабочие материалы, Накопительное кольцо БЭП., Препринт ИЯФ 83-98, Новосибирск, 1983.

10. V.V. Anashin et al, Preprint INP 84-123, Novosibirsk, 1984.

11. В.М. Аульченко, В.А. Аксенов, П.М. Бесчастнов и др., СНД — Сферический Нейтральный Детектор для ВЭПП-2М., Препринт ИЯФ 87-36, Новосибирск, 1987.

12. А.Н. Скринский, Ю.М. Шатунов, Прецизионные измерения масс элементарных частиц на накопителях с поляризованными пучками., Успехи физических наук, 158, вып. 2, 1989, с. 315-326.

13. E.V. Anashkin, V.M. Aulchenko, S.E. Baru et al, A coordinate system of the CMD-2 detector., Nucl.Instrum. and Meth., A283, 1989, p. 752.

14. Ф.В. Игнатов, П.А. Лукин, А.С. Попов и др., Дрейфовая камера детектора КМД-2., Препринт ИЯФ 99-64, Новосибирск, 1999.

15. D.V. Chernyak, D.A. Gorbachev, F.V. Ignatov et al., The Performance of the Drift Chamber for the CMD-2 detector., Proceedings of The Instrumentation Conference in Vienna, Austria, 1998.

16. E.V. Anashkin, V.M. Aulchenko, V.E. Fedorenko et al, Z chamber and the trigger of the CMD-2 detector., Nucl.Instrum. and Meth., A323, 1992, p. 178.

17. V.M. Aulchenko, B.O. Baibusinov, A.E. Bondar et al, CMD-2 barrel calorimeter., Nucl.Instrum. and Meth., 1993, V.A336, p.53.

18. D.N. Grigoriev et al, IEEE Trans.Nuc.Sci., 42, 1995, p. 505.

19. V.M. Aulchenko, B.O. Baibusinov, A.G. Chilingarov et al, Muon system based on streamer tubes with time-difference readout., Nucl. Instr. and Meth., 1988, A265, p 137.

20. B.M. Аульченко, Г.С. Пискунов, Е.П. Солодов и др., Трековый процессор для КМД-2., Препринт ИЯФ 88-43, Новосибирск, 1988.

21. В.М. Аульченко и др., Электроника калориметра КМД-2., Препринт ИЯФ 92-28, Новосибирск, 1992.

22. V.M. Aulchenko, S.E. Baru, G.A. Savinov et al, Electronics of new detectors of the INP for colliding beam experiments., Proceedings of the International Symposium on Position Detectors in High Energy Physics, Dubna, 1988, p. 371

23. Г.А. Аксенов, A.B. Кислицин, Ю.И. Мерзляков и др., Универсальный арифметический процессор АП-32., Препринт ИЯФ 89-175, Новосибирск, 1989.

24. Блоки выполненные в стандарте КАМАК. Информационный материал. Препринт ИЯФ, Новосибирск, 1985.

25. П.А. Лукин, Восстановление треков заряженных частиц в ДК КМД-2., Дипломная работа, НГУ, Новосибирск, 1996.

26. В.А. Монич, Третичный триггер детектора КМД-2 на базе процессора АП-32., Дипломная работа., Новосибирск, 1993.

27. А.И. Суханов, Возможность регистрации нейтральных процессов детектором КМД-2., Дипломная работа., Новосибирск, 1993.

28. В.М. Аульченко, Б.О. Байбусинов, В.М. Титов, Информационные платы ТП, AT и Т2А системы сбора данных КЛЮКВА., Препринт ИЯФ 88-22, Новосибирск, 1988.

29. В.М. Аульченко, Л.А. Леонтьев, Ю.В. Усов, Информационная плата А32 системы сбора данных КЛЮКВА., Препринт ИЯФ 88-30, Новосибирск, 1988.

30. G.A. Aksenov, E.V. Anashkin, V.M. Aulchenko et al, The CMD-2 Data Acquisition and Control System., Proceedings of The International Conference on Computing in High Energy Physics (CHEP-92), Annecy (France), 1992.

31. Э.В. Анашкин, A.E. Бондарь, Н.И. Габышев et al, Моделирование детектора КМД-2., Препринт ИЯФ 99-1, Новосибирск, 1999.

32. R. Brun, GEANT3., User's guide., CERN DD/EE/84-1, Geneve, 1987.

33. H.C. Fesefelt, Simulation of hadronic showers, physics and applications., Technical Report PITHA 85-02, III Physikalisches Institut, RWTH Aachen Physikzentrum, 5100 Aachen, Germany, September 1985.

34. P.A. Aarnio et al, Fluka user's guide., Technical Report TIS-RP-190, CERN, 1990.

35. A. Fasso et al, A comparison of FLUKA Simulations with measurements of Fluence and

36. Dose in Calorimeter Structures., Nucl.Instr. & Meth., A332, 1993, pp. 332-459.

37. A. Breskin, G. Charpak et al., Nucl. Instr. and Meth., 176, 1977, p. 29.

38. E. Mathieson, J.S. Gordon, Cathode charge distributions in multiwire chambers., Nucl.Instr. and Meth., A227, 1984, pp. 267-282.

39. H.M. Рыскулов, Привязка к треку систем в КМД-2., Меморандум КМД-2 Offline-2, Новосибирск, 1996.

40. Б.И. Хазин, Д.В. Черняк, Восстановление Z-координаты в дрейфовой камере., Меморандум КМД-2 DC-11, Новосибирск, 1995.

41. E.V. Anashkin D.V. Chernyak, G.V. Fedotovich et al., Calibration of CMD-2 drift chamber., Nucl. Instr. and Meth. A379, 1996, pp. 432-433.

42. F.A. Berends, R. Kleiss, Distributions in the process e+e~ —>• e+e~(7)., Nucl.Phys., B228, 1983, p. 537.

43. R.R. Akhmetshin et al, Measurement of e+e~ —>■ 7г+7г~ cross section with CMD-2 around p-meson., Preprint Budker INP 99-10, Novosibirsk, 1999.

44. Ю.М. Шатунов, Частное сообщение.

45. А.А. Полунин, Спиновый резонанс с радиочастотным полем в прецизионных экспериментах с поляризованными пучками на накопителе ВЭПП-2М., Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1989.

46. Р. Корн, Т. Корн, Справочник по математике., Москва, 1977, с. 614.

47. F. James. MINUIT, Minimization package. Reference Manual, CERN Program Library Long Writeup D506., CERN Geneva, Switzerland, 1994.1

48. The ZEBRA System., CERN Program Library Long Writeups Q100/Q101., CERN Geneva, Switzerland, 1995.2

49. HBOOK Reference Manual., CERN Program Library Long Writeup Y250., CERN Geneva, Switzerland, 1994.3

50. CERNLIB, CERN Program Library., CERN Geneva, Switzerland.4

51. S.I. Dolinsky, V.P. Druzhinin, M.S. Dubrovin et al., Summary of experiments with the Neutral Detector at e+e" storage ring VEPP-2M., Phys. Reports, 202, 1991, p. 99.

52. Э.А. Кураев, B.C. Фадин, Радиационные поправки к сечению однофотонной аннигиляции е+е~ пары большой энергии., Ядерная физика, 41, вып. 3, с. 733.

53. А.В. Arbuzov et al., Radiative corrections for pion and kaon production at e+e~ colliders of energies below 2GeV., The Journal of High Energy Physics, 10, 1997, p. 6.

54. L.M. Barkov et al, English Translation of Sov. Phys. ZhETF Letters, 46, 1987, p. 164.

55. А.И. Шехтман, Измерение параметров ш-мезона на накопителе ВЭПП-2М с помощью криогенного магнитного детектора., Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1987.

56. V.M. Aulchenko, S.I. Dolinsky, V.P. Druzhinin et al., Phys.Letters B186, 1987, p. 432.

57. R.R. Akhmetshin, G.A. Aksenov, E.V. Anashkin et al., The precise measurement of the u-meson parameters with the CMD-2 detector., Proceedings of the International Conference Hadron Structure '96, Stara Lesna, 1996, pp. 217-222.

58. R.R. Akhmetshin, G.A. Aksenov, E.V. Anashkin et al, Recent results from CMD-2 detector at VEPP-2M., Preprint INP 99-11, Novosibirsk, 1999.

59. Зсм. http://wwwcn.cern.ch/asdoc/hbookhtml3/hboomain.html4см. http://wwwinfo.cern.ch/asd/cernlib/overview.html