Прецизионное измерение времени жизни Л +с и D0 тема автореферата и диссертации по , 01.00.00 ВАК РФ

62 11/93

Прецизионное измерение времени жизни Л+ и В[]

Александр Евгеньевич К-ушниренко

Диссертация

Направлено на Факультет Физики,

Университета Каргени-Меллон, для выполнения требований для получения степени

Доктора Философии

// & У //-/^

7 Л (С/I

Университет Карнеги-Меллон: Декабрь, 2000

Д17779-11

Аннотация

В этой работе представлены новые точные измерения времен жизни частиц Л+ и И0 установкой БЕЬЕХ - экспериментом по адронному образованию очарованных частиц в лаборатории Фермилаб. Используя распады 1630 А+ и распады 10210 В0, измерены времена жизни г[А+] = 198.1 ± 7.0 ± 5.7 18 и т[В°] = 407.9 ± 6.0 ± 4.7 £з.

Посвящается моим Отцу и Матери, которые первыми показали мне удивительный

мир Физики.

Благодарности

Я благодарен моему научному руководителю, профессору Джиму Рас-су, за его руководство и поддержку во время моей исследовательской работы в эксперименте СЕЛЕКС. Как научный руководитель он точно балансировал свободу моего исследовательского поиска и подправлял меня, когда я начинал двигаться в неправильном направлении. Я благодарен ему за дискуссии, в которых мы обсуждали разные эксперименты в области физики высоких энергий, в области физики очарованных частиц, а также когда мы обсуждали мои исследования. В течении всего моего пребывания в аспирантуре он всегда на 100% поддерживал меня, мои проекты, даже когда у них были очень маленькие шансы на успех. Он всегда давал понять, что вещи, которыми я занимался были очень важны для эксперимента, что, конечно, сильно стимулировало мою работу. Я также признателен, что он всегда готов был помочь мне и моей семье в разных жизненных ситуациях.

Я также благодарен доктору Питеру Куперу, который провел бесчисленные часы со мной. С одинаковым энтузиазмом он обсуждал со мной последние физические результаты, помогал мне разобраться в нюансах моего анализа, или разбирая, со мной строки кода, в поисках ошибки. Будучи переполненным идеями или заблудившись в дебрях анализа, я всегда мог прийти к нему в офис, и он каждый раз был очень внимателен и готов помочь. Всегда готовый делиться и обсуждать разные идеи, он научил меня многим тонкостям искусства экспериментальной физики.

У меня было замечательное время, которое я провел, работая в группе обработки данных с Марком Мэттсоном, Майком Прокарио, Жиан-мингом К). Славой Рудь, Суном Янг, Виктором Куршецовым, Николаем. Куропаткиным. Это был бесценный опыт, когда мы вместе работали над созданием программы реконструкции событий, няньча ее как ребенка, наблюдая ее первые шаги, помогая ей расти и в конце концов пытаясь контролировать того монстра, которого мы взрастили, чтобы он не сожрал нас с потрохами, и пытаясь заставить его сделать что-нибудь полезное.

Я благодарен моим коллегам по эксперименту СЕЛЕКС за ту хорошую атмосферу, которая была создана, особенно для аспирантов. Это действительно помогало в исследованиях, что физики руководившие экспериментом следили за тем, чтобы начинающие физики получали необходимый опыт и внимание. Особые благодарности Джо Лаху за его обсуждения гинеронной физики, Линде Стутте за подробные объяснения работы, детектора RICH, Юргену Энгелфриду за обсуждение идей ра-

боты системы сбора данных и триггера, Маурицио Иори за его помощь в анализе времени жизни и Николаю Терентьеву за объяснение деталей работы пропорциональных камер.

Я особенно признателен доктору Леониду Ландсбергу, который удержал меня от слишком сильной специализации в области физики детекторов, убедил меня пойти в аспирантуру и помог мне организовать это.

Я в неоплатном долгу перед моей женой Галиной и моими детьми за их бесконечное терпение и за все жертвы, которые они принесли, чтобы дать мне возможность получить эту степень. Я также хотел бы поблагодарить моих родителей, братьев и родственников за их вдохновление и поддержку.

Работа в эксперименте ЭЕЬЕХ была замечательным опытом. Мне повезло, что я присоединился к эксперименту за год перед тем, как он стал брать экспериментальные данные, что дало мне уникальную возможность пройти через большую часть этапов жизни эксперимента: приготовление к запуску эксперимента, сбор данных, калибровка и выравнивание детекторов, обработка данных и в итоге получение физических результатов. Я встретил новых коллег1, получил бесценный опыт и узнал множество новых вещей. Одним из наиболее важных результатов аспирантуры было желание продолжить исследования в области физики высоких энергий.

Всем моим коллегам по эксперименту ЯЕЬЕХ - Спасибо!

Оглавление

1 Изучение Времен жизни Очарованных Частиц 15

1.1 Ранние дни спектаторной модели............... 16

1.1.1 Сложность состоит в нелептонных распадах..... 17

1.1.2 У меньшение Гд?^ (£>+): Интерференция Паули .... 18

1.2 Разложение по массе тяжелого кварка........................19

1.2.1 Спектроскопия............................................20

1.2.2 Времена полураспада....................................22

1.2.3 Предположение о кварк-адрониом дуализме.....23

1.3 Предсказания НС^Е..............................................24

1.3.1 Скорости полулептонных распадов для мезонов . . . 24

1.3.2 Разница времен жизни /..........................25

1.3.3 Соотношение времен жизни £>+/£)0....................25

1.3.4 Времена жизни очарованных барионов................29

1.3.5 Времена жизни С и В частиц ..........................31

1.4 Заключение........................................................34

2 Эксперимент БЕЬЕХ 35

2.1 Физическая программа ЭЕЬЕХ..................................35

2.1.1 Программа по физике чарма............................35

2.1.2 Программа физики неочарованных частиц......37

2.2 Установка ЗЕЬЕХ................................................38

2.2.1 Обзор установки..........................................38

2.2.2 Координатная система детекторов ЭЕЬЕХ и спектрометров ..................................................39

2.2.3 Анализирующие магниты................................39

2.2.4 Пучковый спектрометр..................................39

2.2.5 Вершинный спектрометр................................44

2.2.6 Спектрометр М1..........................................46

2.2.7 Спектрометр М2.....................48

2.3 Триггер и система сбора данных ...........................51

2.3.1 Онлайн Фильтр........................56

2.4 Набор данных в эксперименте SELEX и данные с чармом . 57

2.4.1 Улучшение характеристик Детектора.........57

3 Измерительная процедура 60

3.1 Техники фитирования времени жизни........................60

3.1.1 Оптирование фона........................................61

3.1.2 Коррекция аккеентанса..................................63

3.1.3 Расплывание разрешающей способности..............63

3.1.4 Окончательный выбор фитирующей функции .... 64

3.2 Вычисления эффективности..................65

3.2.1 Формулировка задачи....................................65

3.2.2 Недостатки обычного Монте-Карло..........66

3.2.3 Другой способ подсчета общей эффективности ... 66

3.2.4 Сокращение эффективностей, вносимйх детекторами, расположенными вниз по пучку....................68

3.2.5 Приведенное собственное время............68

3.2.6 Изменения в вычислениях эффективности......70

3.3 Эффективность индивидуального события....................71

3.3.1 Явные обрезания..........................................71

3.3.2 Вторичные взаимодействия в мишенях................75

3.3.3 Эффективность оффлайнового кода реконструкции 75

3.4 Реализация метода................................................78

3.4.1 Вычисление эффективности индивидуального события ..........................................................79

3.4.2 Генерация набора переигранных событий..............80

3.4.3 Вычисление веса каждого события....................81

3.4.4 Вычисление минимального собственного времени tmin для каждого события..................81

3.4.5 Вычисление полной эффективности....................82

3.4.6 Процедура фитирования................83

3.5 Обсуждение метода.......................84

3.5.1 Проверка процедуры ....................................84

3.5.2 Преимущества, недостатки и нерешенные вопросы . 85

3.5.3 Заключение................................................87

4 Систематические ошибки 88

4.1 Отражение масс..................................................88

4.1.1 D+ - А+ отражение без разделения р/К..............91

4.1.2 Подавление отражения масс при использовании информации от детектора RICH............................93

4.2 Фон, производимый другим чармом............................95

4.3 Неправильное измерение первичной вершины........ 95

4.4 Систематика, вызванная вычитанием фона ......... 99

4.5 Систематика вызванная неопределенностью на начальное значение времени жизни....................101

4.6 Систематика из-за подсчета эффективности.........103

4.6.1 Время жизни для различных независимых наборов событий..........................103

4.6.2 Стабильность времени жизни при изменении критериев отбора........................104

4.6.3 Время жизни для разных мишеней..........105

4.6.4 Время жизни для различных мод распада......106

4.6.5 Время жизни для различных импульсов чарма . . . 107

4.6.6 Время жизни для различных множественностей треков в событии ......................108

4.6.7 Время жизни для разричных критериев отбора Ljo 108

4.6.8 Время жизни дя различных минимальных расстояний до ближайшей мишени...............109

4.6.9 Время жизни для различных значений критерия отбора Lmax.........................НО

4.6.10 Время жизни для различных минимальных энергий яНО

4.6.11 Обобщение систематики, связанной с эффективностью ............................Hi

4.6.12 Другая систематика...................111

4.7 Обобщение систематики.....................113

4.8 Независимые проверки подсчета эффективности......113

4.8.1 Измерение времени жизни D+.............113

4.8.2 Предсказание распределения по г распадов Ks. . . .114

4.8.3 Выходы чарма для одинаковых мишеней.......115

5 Результаты измерения времени жизни 128

А Реконструкция треков в режиме онлайн

в спектрометре М2 133

А.1 Улучшение скорости кода....................135

А. 1.1 Оценка размера поискового коридора.........136

А. 1.2 Другие методы повышения скорости.........138

А.2 Оценка качества трека.....................139

А.З Поисковые комбинации для режима онлайн.........139

Список иллюстраций

1.1 Спектаторная диаграмма распадов.............. 16

1.2 Диаграммы, которые влияют на нелептонные распады D0. 18

1.3 Интерференция Паули в D4" распаде............. 19

1.4 Сходства между изотопами и частицами с тяжелыму кварками ................................ 20

1.5 Df —» т+ит лептонный распад................. 26

1.6 Кабиббо подавленный распад Df................ 26

1.7 WA/WS диаграммы в распадах D+, D0............ 28

1.8 Экспериментальное измерение отношений времен жизни Df/D°. Particle Data Group значение [1] объединяет результаты до 1998. Недавние результаты опубликованы Е791 |2J, CLEO [3]. Также предварительные результаты FOCI'S [4]

и Е781 [5]. Заштрихованная область показывает теоретическую область предскааний [6, 7]...............30

1.9 Сравнение экспериментальных измерений с теоретическими вычислениями времен жизни с и Ь частиц. Черные коробочки показывают экспериментальные результаты усредненные Particle Data Group [8]. Вертикальный размер коробочки показывает ошибку измерения. Красные линии показывают теоретические вычисления [7], у которых большие ошибки, но они не показаны, так как в большинстве случаев теоретики их не указывают..............33

2.1 Схематический вид спектрометра SELEX и вершинной области ..............................................................40

2.2 Схематичный вид спектрометра SELEX (Не в масштабе). . 41

2.3 Схематичный чертеж пучкового гиперонного магнита [9]. . 42

2.4 Схематичный чертеж пучковых TRD. Разделение Е"/тг~ происходило с использованием числа хитов в пучковых TRD. 43

2.5 Пучковый и вершинный кремниевые детекторы [9]............44

2.6 Типичное разрешение вершинного детектора [9].......45

2.7 Схематичный чертеж камер Ml PWC.............46

2.8 Расположение трех ЬАББ станций [10].............47

2.9 Первый чертеж показывает схематичное расположение ЬАвБ

станций, стоящих в последовательности: двухсторонний, два односторонних и еще один двухсторонний детектор. На втором рисунке показано разрешение одностороннего детектора [11]...........................47

2.10 Схематичный чертеж М2 PWC камер.............49

2.11 еД разделение при использовании электронного TRD . . . 50

2.12 Схематичный чертеж детектора RICH............. 50

2.13 К/ж разделение при энергии 95-105 GeV. [12].........51

2.14 Радиус кольца (верхний) и разделение (нижний) для различных частиц. Две горизонтальные линии на нижнем чертеже показывают достигнутое разрешение для одно- и многотрековых событий соответственно. [12]............ 52

2.15 Упрощенная картина измерения в счетчиках взаимодействий, использующих амплитуду сигнала [13]. Если амплитуда. сигнала больше, чем порог, то множественность полагалась быть большей, чем 3. Длинные хвосты спектров

амплитуды происходят из-за флуктуаций ионизационных потерь Ландау. Объединение информации от двух счетчиков сильно уменьшало эффект флуктуаций Ландау.....53

2.16 Схематичный чертеж триггерных элементов эксперимента ЭЕЬЕХ............................... 54

2.17 Схематичный чертеж Триггера и системы сбора данных ЭЕЬЕХ...............................55

3.1 Иллюстрация распределения собственного времени для сигнальной (красный) и фоновой областей (голубой).......61

3.2 Зачем использовать приведенное собственное время? Чтобы сделать меньше затемненный "неопределенный диапазон''. 70

3.3 Набросок эффективности индивидуального события .... 71

3.4 Иллюстрация явных обрезаний применявшихся для выбора набора событий с очарованными частицами........72

3.5 Фоновые события, подавляемые обрезанием s2........73

3.6 Подавление вторичных взаимодействий........................77

3.7 Процедура проверки.......................85

4.1 Отражение D+ и D+ на спектр масс A(t из Монте-Карло . 90

4.2 Д, сигнал в наборе событий А+, информация от детектора RICH не использовалась для разделения р от К+......92

4.3 Эффект от применения разделения р/К+ детектором RICH на сигналы Л+ и D+ ф7г+. Результаты фитов просуммированы в Таблице 4.2...................... 93

4.4 Фоны индуцированные для распадов D0 и Л+......... 96

4.5 Систематика из-за неправильного измерения первичной вершины. Второй распад чарма в событии систематически сдвигает наблюдаемое положение первичной вершины......97

4.6 Систематика, вызванная неправильным измерением первичной вершины. Наблюдалась небольшая корреляция между taec и tprirri • Мы использовали те же пределы фиксирования, как и в фитировании времени жизни. Обратите внимание на большую разниц}' в масштабе двух осей. Мы установили границу, равную среднему значению наклона плюс одно стандартное отклонение..................98

4.7 Систематика, связанная с фоном: Время жизни для различных боковых полос. Измерялось RMS 5 точек. Ожидаемое RMS изучалось с использованием событий, сгене-ририванных Монте-Карло (Рисунок 4.8). Систематическая ошибка была извлечена путем использования формулы в (4.4)............'....................100

4.8 Систематика, вызванная фоном: Сравнение ожидаемого и наблюдаемого RMS времени жизни для различных боковых полос фона. Ожидаемое RMS было получено из 100 MC наборов событий и определяется чисто статистическими флуктуациями в боковых полосах. Нет указаний на дополнительную систематику в сигнале Л+ Наблюдаемое RMS для времени D0 превышает ожидаемое значение, и следовательно систематическая ошибка была присвоена . . 102

4.9 Итеративная процедура вычисления времени жизни.....117

4.10 Систематика, связанная с эффктивностью: время жизни для чарма из разных мишеней. Два верхних графика показывают вычисления эффективности для мишеней 2 и 5 для Л+ (слева) и D0 (справа). Нижний график показывает времена жизни для 5 различных мишеней. 6-я точка - это время жизни для всего набора частиц из всех мишеней, и он показан для сравнения. Как для Л+, так и для 1)° фит независимых измерений имел х2/п4/' < 1. В этом анализе

нет указания на систематику..................118

4.11 Сис тематика, связанная с эффективностью: время жизни В0, В0 для различных мод распада. Верхние графики показывают эффективности для двух мод распада и для зарядов сопряженных мод. Общий фит всех четырех мод показан на нижнем графике. Он также включает сравнение 2-х и 4-х частичных мод распада. Подледная точка "АН" показывает время жизни для всего набора событий. Результаты этого анализа просуммированы в Таблице 4.7 . . 119

4.12 Систематика, связанная с эффективностью: Время жизни для различных хР ~ ^моп дИапазонов. Определения

РЬеат

оолаегей даны в Таблице 4.8. Верхние графики показывают эффективности для диапазонов хР номер 3 и номер 5. Первые точки 1-5 соответствует независимым измерениям в различных областях хр. 6-я точка показывает время жизни для всего набора частиц. В этом анализе указаний на систематику не было обнаружено...............120

4.13 Время жизни для событий с различной множественностью в первичной вершине. Определения диапазонов множественности даны в Таблице 4.10. Первые 5 точек соответствуют первым пяти независимым измерениям. 6-я точка соответствует времени жизни для всего набора событий и она приведена для справки. Небольшая систематика была обнаружена для А+............................121

4.14 Систематика, связанная с эффективностью: время жизни для различных значений критерия выбора Ь/а. Искривленные линии показывают коридор разрешенных флукту-аций, используя (4.10).......................122

4.15 Систематика, связанная с эффективностью: время жизни для различных критериев отбора расстояния до мишени. Искривленные линии показывают коридор разрешенных флуктуаций, вычисленный с помощью уравнения (4.10). . . 123

4.16 Систематика, связанная с эффективностью: время жизни для различных критериев отбора Ьтах. Первые 4 точки соответствуют 4 различным значениям критерия отбора, которые использовались в этом анализе. Последняя точка соответствует полному набору событий. Неявный критерий отбора Ьтах = 8.4 сп1 использовался в полном набо�