Прецизионное измерение сечения е + е- → π + π - в области энергий 0.61 - 0.96 ГэВ с детектором КМД-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

1 Детектор КМД

1.1 Дрейфовая камера.

1.2 2-камера

1.3 Цилиндрический калориметр.

1.4 Торцевой калориметр.'.

1.5 Пробежная система.

1.6 Система запуска детектора.

1.7 Система автоматизации.

1.8 Система анализа данных.

1.9 Программа моделирования детектора.

2 Система автоматизации детектора КМД

2.1 Общее описание.

2.2 История развития системы автоматизации.

2.3 Программное обеспечение системы автоматизации.

2.4 Система контроля и управления.

2.5 База данных мониторинга детектора.

2.6 Система сбора данных

2.7 Анализ событий в режиме реального времени (третичный триггер)

3 Измерение сечения е+е~—^7г+7г~

3.1 Набор экспериментальных данных

3.2 Общее описание методики измерения.

3.3 Отбор коллинеарных событий.

3.4 Разделение коллинеарных событий.

3.5 Определение сечения е+е~ —У 7г+7г~.

3.6 Определение параметров р-мезона и р — и интерференции.

С 1992 года в Институте Ядерной Физики им. Г.И.Будкера проводятся эксперименты с Криогенным Магнитным Детектором (КМД-2) на накопителе со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2М в области энергий от 360 до 1400 МэВ в системе центра масс.

Эта область энергий изучается с момента появления самой методики встречных пучков. Первые эксперименты были проведены на накопителях ACO (Орсэ, Франция) и ВЭПП-2 (Новосибирск) в конце 60-х годов. В 70-х-80-х годах проводились исследования на детекторах MN3 и DM1 на накопителе ACO и на детекторах ОЛЯ, КМД и НД на накопителе ВЭПП-2М, пришедшем на смену накопителю ВЭПП-2. Обилие интересных физических задач в данной области энергий привел к модернизации накопителя ВЭПП-2М и созданию детекторов нового поколения КМД-2 и Сферического Нейтрального Детектора (СНД), работающих на накопителе в настоящее время.

Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М, схема которого приведена на рис. 1, состоит из инжектора ИЛУ, синхротрона БЗМ, бустера БЭП и накопителя ВЭПП-2М [1]. Накопитель ВЭПП-2М представляет собой жесткофокусирующее кольцо с четырьмя прямолинейными промежутками. В одном из промежутков находится ускоряющий резонатор, в противоположном — сверхпроводящий вигглер-магнит ("змейка"), служащий для получения большей светимости за счёт увеличения радиального фазового объёма пучка. В двух других промежутках установлены детекторы КМД-2 [2,3] и СНД [4]. Основные параметры накопителя и зависимость светимости от энергии пучков приведены на рис. 2.

Детектор КМД-2 является универсальным детектором с телесным углом регистрации частиц близким к 4-¡t. Он представляет собой магнитный спектрометр, окруженный электромагнитным калориметром на основе кристаллов Csl (цилиндрическая часть) и кристаллов BGO (торцевая часть), и пробежной системой. Магнитное поле величиной 10 кГс создается тонким сверхпроводящим соленоидом. Конструкция детектора позволяет измерять импульсы, энергии и углы с хорошей точностью как для заряженных частиц, так и для фотонов. Описанию детектора и его систем посвящена Глава 1.

Важной частью детектора КМД-2 является система автоматизации, в функции ко

Рис. 1: Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М.

Энергия пучков, МэВ 180-700

Количество сгустков в пучке 1

Периметр орбиты, м 17.88 Размеры пучка в месте встречи вертикальный, мкм 10 радиальный, мкм 400 длина сгустка, см 2

Ток в пучке, мА ^50 Максимальное поле в поворотных магнитах, Тл 1.8 Радиус кривизны орбиты в поворотных магнитах, м 1.22 а) Основные параметры накопителя. оа 1997 4- иип Н .\а<-ЦЬ^Ддд^г- по-ш^д^г-. ауегоде ¡иттоэКу О!— тсттит ¡иттоэ^у

400

500 600 700

Веат Епегду, Ме\/ б) Светимость накопителя.

Рис. 2: Основные параметры и светимость накопителя ВЭПП-2М. торой входит оцифровка и запись данных на магнитную ленту, управление работой детектора, осуществление контроля систем детектора и получаемых данных. За время эксплуатации системы автоматизации с 1992 года произошел бурный прогресс в области информационных технологий, изменились как вычислительная техника, так и подходы к разработке программного обеспечения. Это привело к тому, что система постоянно модернизировалась и развивалась, все время подстраиваясь под растущие нужды эксперимента. Описанию системы автоматизации, этапов ее развития и ключевых элементов системы посвящена Глава 2.

Физическая программа детектора включает в себя изучение свойств легких векторных мезонов р, ш и <р, а также прецизионное измерение сечений аннигиляции пары е+е~ в различные адронные состояния [5]. Измерение полного сечения аннигиляции пары е+е~ в адроны (или так называемого отношения Я = а(е+е~ —> адроны)/сг(е+е~ —» в области низких энергий необходимо для точного вычисления ряда физических величин, таких как

• вклады поляризации вакуума адронами в аномальный магнитный момент мюона (д — 2)^ [6] ив значение бегущей константы связи электромагнитного взаимодействия при энергии ¿у-бозона о(М|) [7];

• параметры КХД, получаемые с помощью правил сумм [8];

• проверка гипотезы сохраняющегося векторного тока через сравнение сечений е+е~ —> адроны со структурными функциями соответствующих адронных распадов г-лептона [9-11].

Измерение сечений аннигиляции е+е~ в адроны в области низких энергий особенно актуально в связи с проведением в Брукхейвенской Национальной Лаборатории (США) эксперимента по измерению аномального магнитного момента мюона. Набор экспериментальных данных в эксперименте начался в 1997 году, и первые результаты уже опубликованы [12]. Ожидаемая точность эксперимента равна 0.35 ррт, что обеспечит чувствительность к вкладу взаимодействий вне рамок Стандартной Модели не хуже той, что может быть достигнута на строящемся в ЦЕРН коллайдере ЪНС. Для этого точность теоретического вычисления (д — 2)м в рамках Стандартной Модели, которая определяется точностью определения вклада поляризации вакуума адронами ане должна уступать точности эксперимента.

В однопетлевом приближении, вклад поляризации вакуума адронами вычисляется через дисперсионный интеграл [13] где явная форма электродинамического ядра K(s) приведена, например, в [7]. Отношение R(s) = а(е+е~~ —>■ адроны)/а(е"|"е~ —>■ /í+/í~) может быть вычислено теоретически в области высоких энергий (более 5 ГэВ в с.ц.м.), однако в области низких энергий интеграл (1) вычисляется численно по экспериментальным данным R(s). Оказывается, что около 90% всей величины a^ad определяется областью энергий ВЭПП-2М, и около 70% всей величины — вкладом процесса е+е~ —> 7т+тг~. При этом точность вычисления интеграла в значительной степени определяется систематической точностью измерения сечения е+е~ —> tt+ti~ . Существующая систематическая ошибка в величине сечения е+е~ —>• 7г+7г~ на уровне нескольких процентов приводит к точности определения вклада поляризации вакуума адронами в аномальный магнитный момент мюона, составляющей 0.7 — 1.5 ррт, в зависимости от применяемого способа вычисления [7,14]. Эта ошибка в 2-3 раза хуже, чем ожидаемая экспериментальная точность измерения (д — 2)м. Для улучшения точности теоретического расчета (д — 2)^ необходимо в несколько раз улучшить систематическую точность измерения сечения е+е~ —> 7г+7г- в области малых энергий.

Используя лоренцовую инвариантность и закон сохранения электромагнитного тока, матричный элемент взаимодействия пиона с электромагнитным током (рис. 3) можно записать в следующем виде [15]:

7г|^т|тГ >= (А4 + Мм' ^(S), где Дг(й) — электромагнитный формфактор заряженного пиона, который несет в себе всю нетривиальную информацию о физике взаимодействия пионов с фотоном. Во времениподобной

Рис. 3: Диаграмма Фейнмана для области s > 4mí пионный формфактор прямо взаимодействия пиона с электромагсвязан с сечением процесса е+е~ —> 7г+7г~: нитным током. e = |2. (2)

История измерения пионного формфактора во времениподобной области насчитывает более 30 лет. В первых экспериментах на накопителях ACO [16] (Орсэ, Франция) и ВЭПП-2 [17] (Новосибирск) в конце 60-х годов была наблюдена резонансная структура формфактора, измерены параметры р-мезона и подтверждена правильность модели векторной доминантности [18]. В последующие годы измерения продолжались на накопителях ACO, ВЭПП-2М, ADONE. Наиболее точные экспериментальные данные были получены в конце 70-х - начале 80-х годов детекторами КМД и ОЛЯ [19].

Детектором КМД сечение е+е~ —»■ 7г+7г™ было измерено в 24 точках по энергии в диапазоне 0.36-0.82 ГэВ в с.ц.м. с систематической ошибкой около 2%. Детектором ОЛЯ был просканирован диапазон энергий 0.64-1.40 ГэВ в с.ц.м. с малым шагом, при этом систематическая ошибка измеренного сечения е+е~ —тг+тг~ составляла около 4% в области р-мезона и около 15% в области энергий около 1.4 ГэВ. Суммарная статистика двух экспериментов составляла около 150000 событий.

Другим источником информации о пионном формфакторе являются структурные функции распадов т —> тг~тт°ит. В рамках гипотез сохраняющегося векторного тока [9] и изоспиновой инвариантности, изовекторная компонента сечения аннигиляции е+е~ —> 7Г+7Г~ связана со структурной функцией г^-^-о:

1=1 47ГО;2 . . е+е-^-к+1г- = —^.»г-ттО- (3)

Следует отметить, что в таком подходе можно получить только изовекторную компоненту сечения е+е~ 7г+7г~, в то время как в е+е~ аннигиляции наблюдается и изос-калярная компонента. Первые результаты по измерению структурных функций г^-^о были получены в середине 90-х годов на детекторе АЬЕРН [20]. Статистика эксперимента составляла около 100000 событий, однако систематическая ошибка также составляла несколько процентов.

Детектор КМД-2 является первым универсальным магнитным детектором в области низких энергий, оптимизированным для измерения сечения е+е~ —у 7г+7г~" с малой систематической ошибкой:

• одновременное измерение импульсов и энерговыделений частиц упрощает процедуру выделения событий е+е~ —> 7г+7г~;

• прецизионное измерение г-координаты в каморе позволяет определить телесный угол регистрации с высокой точностью;

• наличие тонкой вакуумной камеры приводит к уменьшению трудно расчитываемых поправок, связанных с ядерным взаимодействием пионов.

На детекторе набрана рекордная статистика — 2 миллиона событий е+е~ тт+п~.

Глава 3 посвящена измерению сечения е+е~ —» 7г+7г~ в области энергий 0.61-0.96 ГэВ в системе центра масс (с.ц.м.), основанному на части всей набранной статистики. Описаны общие характеристики эксперимента, анализ экспериментальных данных и приведены оценки систематической ошибки. Обсуждены теоретические модели, используемые для описания экспериментальных данных и получены новые значения параметров р-мезона с точностью лучше среднемировой.

Основные результаты работы перечислены в Заключении.

Основные результаты данной работы состоят в следующем.

1. Разработана система автоматизации детектора КМД-2, осуществляющая считывание информации с систем детектора и запись ее на магнитную ленту (система сбора данных), управление работой детектора и мониторинг считываемых данных и состояния систем детектора (система контроля и управления). Высокая пропускная способность системы сбора данных позволяет набирать экспериментальные данные с малым мертвым временем («10%). За время эксплуатации с 1992 по 1999 года система автоматизации непрерывно модернизировалась, отслеживая увеличение светимости накопителя и развитие вычислиельной техники.

2. Разработана база данных мониторинга детектора, хранящая информацию о работе детектора за все время его эксплуатации.

3. Разработана гибкая система анализа данных в режиме реального времени. С помощью этой системы организованы оперативное измерение светимости по событиям упругого рассеяния е+е~ —> е+е~ на большие углы и оперативный контроль качества набираемой статистики.

4. Произведен анализ около 130000 событий е+е~ —>• 7г+7г~, набранных детектором в 1994-1995 годах, и измерено сечение аннигиляции пары е+е~ в пару пионов с рекордно малой систематической ошибкой, составляющей 0.6%.

5. Аппроксимируя измеренное сечение различными теоретическими моделями, получены следующие параметры р-мезона и р —и интерференции с точностью, лучше среднемировой:

Мр (МэВ) = 776.72 ± 0.66 ± 0.25,

Гр (МэВ) = 147.33 ±1.28 ± 0.30,

Г(р —> е+е~) (кэВ) = 6.85 ± 0.10 ± 0.04, Вг(ш тг+тг") = (1.39 ± 0.23)%.

136

Благодарности

В заключение я хочу выразить искреннюю благодарность моим научным руководителям В.П. Смахтину и Б.И. Хазину за постоянное внимание и активное участие в этой работе. Работа по созданию системы сбора данных проходила в тесном сотрудничестве с А.Г. Шамовым, которому я благодарен за огромную помощь и ценные консультации. Я признателен Л.М. Баркову за постоянный интерес к работе и поддержку. Я также признателен С.И.Эйдельману, Б.А.Шварцу, Е.П.Солодову и А.Е.Бондарю за многочисленные обсуждения данной работы. В процессе работы над системой сбора данных мне было приятно сотрудничать с В.А.Моничем, В.Г.Заварзиным, А.Н.Путьмаковым, А.В.Маглели, А.В.Максимовым, А.Г.Чертовским, П.А.Лукиным, В.Ш.Банзаровым, И.Г.Снопковым и др. Я благодарен за большую помощь при анализе экспериментальных данные Г.В.Федотовичу, А.Л.Сибиданову, П.П.Кроковному, Д.В.Черняку, Н.И.Рооту и др. В течение многих лет мне было приятно работать вместе с Д.Н.Григорьевым, А.И.Сухановым, Э.В.Анашкиным, А.А.Кузьминым, К.Ю.Михайловым, С.В.Карповым, Ю.В.Юдиным, А.А.Рубаном и др. Наконец, я хочу поблагодарить весь коллектив детектора КМД-2 и комплекса ВЭПП-2М за их огромный вклад в эксперимент, а также дирекцию Института за постоянную поддержку.

Заключение

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

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

3. 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, 1988, v.5 p.18.

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

5. R.R.Akhmetshin, G.A.Aksenov,. ,I.B.Logashenko et al., Recent results from CMD-2 detector at VEPP-2M, Preprint INP 99-11, Novosibirsk, 1999.

6. T.Kinoshita, B.Nizic and Y.Okamoto, Hadronic contributions to the anomalous magnetic moment of the muon., Phys. Rev. D31 (1985) 2108.

7. S.Eidelman and F. Jegerlehner, Hadronic contributions to g — 2 of the leptons and to the effective fine structure constant a(M|)., Z.Phys. C67 (1995) 585.

8. M.A.Shifman, A.I.Vainshtein, V.I.Zacharov, QCD And Resonance Physics. Nonperturbative Effects In Operator Expansion., Nucl. Phys. B147 (1979) 385.

9. Y.S.Tsai, Decay Correlations Of Heavy Leptons In e+e" /+/"., Phys. Rev. D4 (1971) 2821.

10. H.B.Thacker, J.J.Sakurai, Lifetimes And Branching Ratios Of Heavy Leptons., Phys. Lett. B36 (1971) 103.

11. S.I.Eidelman, V.N.Ivanchenko, e+e~ annihilation into hadrons and exclusive tau decays., Phys. Lett. B257 (1991) 437.

12. R.M.Carey, W.Earle,., I. Logashenko et al., New measurement of the anomalous magnetic moment of the positive muon, Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 1632.

13. M. Gourdin, E. de Rafael, Nucl. Phys. BIO (1969) 667.

14. M.Davier, A.Hocker, Improved determination of a(M|) and the anomalous magnetic moment of the muon., Phys. Lett. B419 (1998) 419.

15. Дж.Д.Бьёркен, С.Д.Дрелл, Релятивистская квантовая теория. М. Мир, 1983.

16. J.Augustin, D.Benaksas, J.Buon et al., 7г+7г~ production in e+e~ collisions and p — lo interference., Nuovo Cimento Lett., v.2 (1969) 214.

17. В.Л.Ауслендер, Г.И.Будкер, Е.В.Пахтусова и др., Исследование р-мезонного резонанса на встречных электрон-позитронных пучках., Ядерная физика, т.9 (1969) 114.

18. Фейнман Р., Взаимодействие фотонов с адронами., М., Мир, 1975.19