Прецизионные измерения распада K°s → π†e†v и парциального отношения BR(K† → π†π°)/BR(K† → μ†v) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

1 Ускорительный комплекс DA<3>NE

2 Основные задачи эксперимента KLOE

3 Экспериментальная установка KLOE

3.1 Дрейфовая камера.

3.2 Электромагнитный калориметр.

3.3 Квадрупольные калориметры

3.4 Система запуска детектора.

3.5 Система сбора данных и "медленного" контроля.

4 Реконструкция треков в дрейфовой камере

4.1 Эффект многократного рассеяния.

4.2 Вычисление матрицы ошибок.

4.3 Алгоритм объединения треков.

5 Измерение распада Ks —* ттеи

5.1 Мотивация.

5.2 Методика измерения вероятности распада Ks itev

5.3 Поиск Ks по взаимодействию Kl в калориметре.

5.4 Отбор распадов Ks —► 7г+7г~.

5.5 Отбор распадов Ks —► irev.

5.6 Эффективность регистрации распада Ks тт+тт~.

5.7 Эффективность регистрации для Ks —>• ттеи.

5.8 Результат и его обсуждение

6 Измерение ВЩК* 7г±тг°)/ВЯ(Х± ^и)

6.1 Мотивация.

6.2 Отбор событий ф^у К+К~.

6.3 Методика регистрации распадов заряженных каонов.

6.4 Выбор триггера

6.5 Отбор событий К* я^я-0 и^-» ^и

6.6 Анализ импульсного спектра вторичных частиц.

6.7 Относительная эффективность отборов.

6.8 Поправка на распад К* —> n^wy.

6.9 Результат и его сравнение с предыдущими данными.

Несмотря на многолетнюю историю, физика каонов остается одним из наиболее привлекательных и бурно развивающихся направлений в современной физике элементарных частиц. Среди наиболее значимых задач необходимо указать проверку СРТ - теоремы, исследование нарушения CP - инвариантности, поиск эффектов, выходящих за рамки "Стандартной Модели", и тестирование киральных методов [1]. Кроме того, важное место в современных экспериментах занимают прецизионные измерения вероятностей распадов нейтральных и заряженных каонов.

Для решения этих проблем были созданы и продолжают создаваться интенсивные пучки каонов на крупнейших ускорителях в FNAL, CERN, КЕК и ИФВЭ. Уникальные возможности предоставляют также электрон-позитронные коллайдеры, работающие в области ф - мезона. К таким ускорительным комплексам следует отнести ВЭПП-2М в Институте Ядерной Физики имени Г.И.Будкера (Новосибирск) [2] и недавно созданный коллайдер нового поколения DA<&NE в LNF (Laboratori Nazionali di Frascati, Италия) [3].

При распаде ф образует коллинеарную пару двух каонов (KgК®), которую удобно использовать для проверки дискретных симметрий. Другой важной особенностью ф - мезона является возможность получения чистого пучка Ks - мезонов, где долгоживущая компонента используется для идентификации события. DA<£NE обладает также рекордной светимостью, характерной для данного типа устройств. Проектная светимость коллайдера сможет дать примерно Ю10 нейтральных каонных пар в год, что позволит исследовать CP, Т и СРТ -инвариантности и достигнуть высокой точности при измерении вероятностей каонных распадов. Отсутствие адронного фона дает значительное преимущество перед экспериментами с фиксированной мишенью.

В Главе 1 настоящей работы кратко описаны задачи и конструкционные особенности комплекса DA<3>NE. DA<J>NE имеет два пересечения пучков. В первом размещен детектор KLOE [4], на котором проведены исследования, описанные в диссертации. Основная задача KLOE состоит в изучении CP - нарушающих распадов нейтральных и заряженных каонов. Основные задачи эксперимента KLOE описаны в Главе 2.

Описание детектора и его основных компонентов дано в Главе 3. Детектор был оптимизирован для измерения распадов нейтральных распадов К$ и KLOE состоит из следующих основных компонентов: сверхпроводящего магнита, электромагнитного калориметра, дрейфовой камеры и двух цилиндрических калориметров, расположенных вблизи области взаимодействия и создающие герметичность детектора. Крупнейшая в мире цилиндрическая дрейфовая камера детектора обеспечивает как высокую эффективность регистрации треков заряженных частиц, так и приемлемое импульсное разрешение, не превышающее 0.4%. Электромагнитный калориметр используется как триггер детектора и позволяет регистрировать нейтральную компоненту в широком диапазоне энергий.

Глава 4 посвящена особенностям трековой реконструкции в дрейфовой камере. Алгоритм восстановления треков основан на алгоритме, который ранее был применен в эксперименте ARGUS. Восстановление трека базируется на минимизации х2> который представляется в виде суперпозиции двух членов. Один из них связан с точностью измерения точки трека в дрейфовой камере, второй - с эффектом многократного рассеяния. На этапе распознавания треков неизвестен тип частицы, поэтому представляется невозможным оценить эффекты многократного рассеяния. Это приводит к разрыву трека на несколько частей, что необходимо исправить на этапе восстановления трека. Кроме того, при учете многократного рассеяния обычно используются приближенные методы. В случае заряженных каонов их использование приводит к ухудшению точности восстановления импульса. В нашем случае задача учета многократного рассеяния была решена точно и с использованием корреляционной матрицы ошибок.

Глава 5 содержит результаты измерения вероятности распада Ks —► ттеи. Данный результат используется для проверки правила AS=AQ и является первым шагом на пути к вычислению полулептонной ассиметрии в распадах Ks —► тг+1~и и Ks —+ тт~1+и. Измерение вероятности распада базируется на использовании информации, поступившей как с дрейфовой камеры, так и с калориметра. Разделение электронов и пионов по времени пролета позволило выделить четкий пик, соответствующий искомому распаду. Точность измерения значительно превышает существующее измерение, выполненное в предыдущем эксперименте, и хорошо согласуется с теоретическим предсказанием, основанным на правиле AS=AQ.

В Главе 6 описывается измерение отношения R,г/х = ВЩК* —► 7г±7г°)/ BR{K± —► fj^u), которое может быть использовано для вычисления вероятности распада К± —► 7г±7г°, являющегося одним из важных входных параметров в киральных моделях. В работе описана методика отбора заряженных каонов. е

Импульсное разрешение дрейфовой камеры позволяет выделить четкие пики, соответствующие распадам К^ —► ^и и К± —»• тг^тг0. Статистическая ошибка отношения пренебрежимо мала, и основной вклад вносит систематика. В данном измерении удалось впервые выйти на уровень точности измерения меньшей 1%. В работе также приводится сравнение полученного результата с мировыми данными.

Основные результаты работы изложены в Заключении. г

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Методическая часть диссертации состояла в создании пакета программ, вошедших в состав "медленного контроля" эксперимента KLOE. Контроль параметров детектора во времени основан на программном обеспечении, функционирующем в рамках пакета ROOT на основе объектно-ориентированного программирования и С++.

2. Был создан новый алгоритм реконструкции треков в дрейфовой камере, использующий корреляционную матрицу многократного рассеяния заряженных частиц в магнитном поле. Новая процедура, описанная в диссертации, включала также более точную аппроксимацию угла многократного рассеяния и корректное вычисление матрицы ошибок. Кроме того, был разработан алгоритм объединения фрагментов трека, что привело к значительному росту эффективности реконструкции.

3. Измерена вероятность распада Kg vev.

ITEP „PENN | LE KLOE AR 1

1 . . \ . ) UCLA »• ■ ■ . Г . , , . 1 . . 1., 1. i.

BR(KS = (6.91 ±0.34stat ±0.15syst) x 10~4.

Относительная ошибка измерения составила 5.4%, что в четыре раза меньше, чем в предыдущем эксперименте. Результат в пределах ошибки совпадает с теоретическим предсказанием, основанном на правиле AQ — AS, и может служить для его проверки.

4. Измерено отношение вероятностей двухчастичных распадов каона:

BR^K* 7Г±7Г°)/5Д(/^± t^u) = 0.3356 ± 0.0003s(a( ± 0№22syst

Данный результат уточняет измерение этой величины более чем в 2 раза по отношению к наилучшему эксперименту и согласуется с мировыми данными. Точность измерения определяет систематическая ошибка, которая составляет 0.65%.

В заключении я хочу выразить искреннюю благодарность научному руководителю В.В. Куликову за постановку задач и постоянное внимание на всем этапе работы, Д. Ли-Францини за ценные консультации по всем вопросам, связанными с функционированием эксперимента KLOE. Я также хочу выразить признательность В. Патере за постоянный интерес к работе и множество ценных замечаний в процессе работы над диссертацией. Я хотел бы поблагодарить сотрудников эксперимента KLOE за оказанную помощь и поддержку: Э. Де Лючию, П. Де Симоне, Б. Шиашу, Л. Пассалаква и М. Моулсону. Кроме того, я очень признателен за помощь и постоянные консультации сотрудникам лаборатории N301 С.А. Булычеву, М.А. Мацюку и Е.Н. Турдакиной. Я также хотел бы поблагодарить руководителей эксперимента KLOE С. Бертолуччи и П. Францини за поддержку и гостеприимство, оказанное мне во время моего пребывания в LNF.

Заключение

1. Л.Б. Окунь, Кварки и лептоны, М.: Наука, Физматлит, 1990.

2. В.В. Анашин и др., Электрон-позитронный накопитель-охладитель БЭП, Препринт ИЯФ, 84-114, Новосибирск, 1984.

3. S. Guiducci et al., Status report of DA<5NE, Proc. of the Particle Accelerator Conference, Chicago, IL., USA, 353 (2001).

4. M. Adinolfi it et al., The KLOE experiment at DA<3?NE, Nucl. Phys. A663 (2000) 1103.

5. G. Vignola et al., DA<£NE design criteria and project overview, Published in DA<£NE Workshop, (1998) 11.

6. M. Serio et al., Overview of DA<£NE, the Frascati ^factory, Int. J. Mod. Phys. Suppl. 2A (1993) 115.

7. C. Curceanu et al., The DEAR experiment at DAFNE, Nucl. Phys. A691 (2001) 278.

8. M. Agnello et al., The FINUDA experiment at DAFNE, Nucl. Phys. A626 (1997) 575.

9. K. Hagiwara et al., Review of particle physics. PDG, Phys. Rev. D66 010001 (2002).

10. D. Alesini et al., Luminosity performance of DA<£NE, LNF-02/016 (P) (2002).

11. J. H. Christenson et al., Evidence of the 27r-decay of the meson, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 138.

12. T. Wu, C. Young, Phenomenological analysis of violation of CP invariance in the decay of K°, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 380.

13. G. D. Barr et al. (NA31 Collaboration), A new measurement of direct CP violation in the neutral kaon system, Phys. Lett. B317 (1993) 233.

14. L. К. Gibbons et al., Measurement of the CP violation parameter Re(e'/e), Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 1203.

15. V. Fanti et al. (NA48 Collaboration), A new measurement of direct CP violation in the two pions decays of the neutral kaon, Phys. Lett. B465 (1999) 335.

16. A. Alavi-Harati et al. (KTEV Collaboration), Observation of direct CP violation in Ks,l 7ГТГ, Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 22.

17. J. Lee-Franzini, Status of DA<£NE and KLOE, The DA<SNE Physics Handbook, (1995) 761.

18. A. Aloisio et al (KLOE Collaboration), Measurement of T(Ks -* ir+ir~)/T(Ks —► A0), Phys. Lett. B538 (2002) 21.

19. A. Aloisio et al (KLOE Collaboration), Recent results from KLOE at DA<SNE, Proc. of 8th Conference of the Intersections of Particles and Nuclear Physics, New-York (2003).

20. J. Lee-Franzini, P. Franzini, CP-violation in the K-system, LNF-97/032 (P) (1997).

21. A. Aloisio et al. (KLOE Collaboration), A general purpose detector for DA<£NE, LNF-92/019 (IR) (1992).

22. M. Adinolfi et al. (KLOE Collaboration), The KLOE Drift Chamber, Nucl. Instrum. Meth. A461 (2001) 25.

23. M. Adinolfi et al. (KLOE Collaboration), The tracking detector of the KLOE experiment, Nucl. Instrum. Meth. A488 (2002) 51.

24. M. Adinolfi et al. (KLOE Collaboration), The KLOE Electromagnetic Calorimeter, Nucl. Instrum. Meth. A494 (2002) 326.

25. M. Adinolfi et al. (KLOE Collaboration), The QCAL Tile Calorimeter of KLOE, Nucl. Instrum. Meth. A483 (2002) 649.

26. M. Adinolfi et al. (KLOE Collaboration), The KLOE Drift Chamber VCI 2001, Nucl. Instrum. Meth. A478 (2002) 138.

27. G. Bencivenni et al., The KLOE Central Drift Chamber, Nucl. Instr. Meth. A419 (1994) 320.

28. G. Finocchiaro et al., The KLOE Drift Chamber, Nucl. Instr. Meth. A360 48 (1995) 48.

29. V. Golovatyuk et al., Single-electron longitudial diffusion in helium-isobutane gas mixture, Nucl. Instr. Meth. A394 (1997) 97.

30. P. De Simone, Cell responce parametrization, KLOE Note 98 (1994).

31. G. Cabibbo et al., The calibration of the space-time relations of the KLOE Drift Chamber, KLOE Note 175 (2001).

32. M. Antonelli et al., Measurements of light yield, attenuation length and time responce of long samples of 'blue' scintillating fibers, Nucl. Instr. Meth. A370 (1996) 367.

33. M. Adinolfi et al., Calibration and reconstruction performances of the KLOE Electromagnetic Calorimeter, Nucl. Instr. Meth. A461 (2001) 344.

34. M. Adinolfi et al. (KLOE Collaboration), The trigger system of the KLOE experiment, Nucl. Instrum. Meth. A492 (2002) 134.

35. F. Bossi et al., Trigger efficiency determination on decays, KLOE Memo 222 2001.

36. A. Aloisio et al., Data acquisition and monitoring for the KLOE detector, Nucl. Instrum. Meth. A516 (2004) 288.

37. M. Adinolfi al., Novel DAQ and trigger methods of the KLOE experiment, KLOE Memo 213 (2000).

38. M. Martemianov, F. Murtas, KLOE Online Presenter, KLOE Memo 236 (2001).

39. F. Ambrosino et al., The Event Classification procedures, KLOE Memo 225 (2000).

40. A. Antonelli et al., A short description of the track reconstruction program with the KLOE drift chamber, KLOE Note 157 (1996).

41. F. Ambrosino et al., Current status of the track reconstruction using KLOE drift chamber, KLOE Memo 177, (1999).

42. K.W. Edwards et al., The ARGUS Vertex Drift Chamber, Nucl. Instrum. Meth. A252 (1986) 384.

43. M. Incagli, The KLOE Vertex Finder Algorithm, KLOE Memo 147 (1998).

44. A. Antonelli et al., Description of the track fit procedure using the drift chamber of the KLOE experiment, KLOE Memo 141 (1998).

45. H. Olsen et al., Electron scattering without atomic or nuclear excitation, Rev. Mod. Phys. 36 (1974) 381.

46. G. Lynch, O. Dahl, Approximations to multiple Coulomb scattering, Nucl. Instrum. Meth. B58 (1991) 6.

47. G. Lutz, Optimum track fittin g in the presence of multiple scattering, Nucl. Instrum. Meth. A273 (1988) 348.

48. V. Kulikov, M. Martemianov, A study of the KLOE track fit in a presence of multiple scattering, KLOE Memo 270, 2002.

49. R. Gluckstern, Uncertainties in track momentum and direction, due to multiple scattering and measurement errors, Nucl. Instrum. Meth. A 24 (1963) 381.

50. V. Kulikov, M. Martemianov, Correlation matrix for a multiple scattering in a magnetic field and its implementation in the track fit for the KLOE drift chamber, KLOE Memo 277 (2002).

51. R. Akhmetshin et al., Observation of Kg semileptonic decays with CMD2-detector, Phys. Lett., B456 90 (1999).

52. R.P. Feynman, M. Gell-Mann, Theory of the Fermi Interaction, Phys. Rev. 109 193 (1958).

53. JI. Окунь, Некоторые замечания о составной модели элементарных частиц, ЖЭТФ, 34 469 (1958).

54. L. Maiani, CP and СРТ violation in neutral kaon decays, The DA<£NE Physics Handbook, 1 (1992).

55. D.E. Groom et al., Parobability: In review of particle physics, Eur. Phys. J., C15 1 (2000).

56. A. Angelopoulos et. al, Measurement of the Ks — Kl mass difference using semilep-tonic decays of tagged neutral kaons, Phys. Lett., B444 38 (1998).

57. B. Sechi-Zorn et. al, Measurement of the beta decay and an improved test of the AS = AQ selection rule, Phys. Rev., D8 12 (1973)

58. P. Bloch et al., New limit on the AS = AQ in the Ke4 decay, Phys. Lett., B60 393 (1976).

59. Г.А. Аксенов и др., Проект детектора КМД-2 для ВЭПП-2М, Препринт ИЯФ, 85-118, Новосибирск, 1985.

60. G. Cabibbo, Т. Spadaro, KL(crash) tag related studies, KLOE Memo 210 (2000).

61. G. Cabbibo, T. Spadaro, KL(crash) tag efficiency studies, KLOE Memo 224 (2000).

62. M. Palutan et al., Measurement of тг+тг")/T(KS ttV) with KLOE 2000 data, KLOE Note 174 (2002).

63. V. Cirigliano et al., К —► жтг phenomenology in the presence of electromagnetism, Eur. Phys. J., C18 83 (2000).

64. A. Aloisio et al. (KLOE Collaboration), Measurement of the branching fraction for thy decay Ks тгей, Phys. Lett., B535 37 (2002).

65. A. Pich, Chiral Perturbation Theory, Rep. Prog. Phys. 58, 563 (1995). J.Gasser, H.Lewtwyler, Chiral perturbation theory: expansions in the mass of the strange quark, Nucl. Phys., B250 465 (1985)

66. C. Cheshkov, Nonleptonic kaon decays: theory vs. experiment, Int. J. Mod. Phys., A17 3827 (2002).

67. M.D. Scadron, Kaon Weak Decays in Chiral Theories, Mod. Phys. Lett., A14, 1273 (1999).

68. I-H. Chiang et al., K+ decay in flight, Phys. Rev., D6, 1254 (1972).

69. T. Usher et al., A precision measurement of the branching ratio BR(K+ ir+n°)/BR(K+ д+1/Д Phys. Rev., D45 3961 (1992).

70. A.O. Waisenberg et al., Measurement of the branching ratios for K+2, К^з and K'eз decays using a magnetic spectrometer with streamer chambers, Nucl. Phys., B115 55 (1976).

71. M.E. Zeller et al, if* Meson Branching-Ratio Measurement, Phys. Rev., 182 1420 (1969).

72. L.B. Auerbach et al., Measurement of the Branching Ratios of K+2, K+3, and ДГ+з, Phys. Rev., 155 1505 (1967).

73. G. Saracino, Identification of ф -»■ K+K~ events in KLOE, KLOE Memo 161 (1998).

74. Y. Akiba et al, A study of the radiative decay K+ Phys. Rev., D32 2911 (1985).

75. M. Martemianov, Study of Ks, K*-decays at ^-resonance with the KLOE detector, Proc. of the 10th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, Publ. by World Scientific Publishing Co., Singapore, 114 (2001).