Слабые адронные нейтральные токи во взаимодействиях антинейтрино высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВВДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СЛАБЫЕ АДРОННЫЕ НЕЙТРАЛЬНЫЕ ТОКИ

1.1. Структура слабого адроиного нейтрального тока

1.2. Глубоко-неупругое рассеяние анти)нейтрино на нуклоне

1.3. Постановка задачи, обзор экспериментальных данных

1.3.1. Правые и левые слабые адронные нейтральные токи • •••••••

1.3.2. Слабые нейтральные токи тяжелых кварков .•••••••

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА, МЕТОДИЧЕСКИЕ

ВОПРОСЫ

2.1. Антинейтринный пучок ускорителя

ФНАЛ.

2.2. 15-футовая пузырьковая камера

2.3. Внешний мюонный идентификатор

2.4. Набор статистики •••••••••

2.5. Просмотр и обмер фотоснимков

2.6. Обработка измерительной информации 39 2.6.1. Геометрическая реконструкция, сборка и редактирование событий

2. б. 2. Обработка данных ВМИ.

Магнитные ленты ЭЕТ и 1)$Т . • 42 2,7« Полный образец событий. Выделение

НТ-взаимодейетвий

2.7,1. Выделение ЗТ-взаимодействий ^ • 45 2.7*2. Взаимодействия электронных анти)нейтрино .•••••••

2.7.3. Фон нейтральных адронов . . . . . 54 2.8. Идентификация нейтральных странных частиц • •••••••••••••

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ПРАВОГО СЛАБОГО ДДР0НН0Г

НЕЙТРАЛЬНОГО ТОКА

3.1. Образцы НТ- и ЗТ-взаимодействий

3.3. . . 69 ЗА.^У'

3.5. Ограничения на киральные константы связи, накладываемые измеренными отношениями • •••••••••• о I о

3.6. Правые константы связи и а^.

глава 4. изучение слабого странного нейтрального тока.

4.1. Образец НТ-взаимодействий

4.2. Рождение нейтральных странных частиц во взаимодействиях НТ

4.3. Оценка доли взаимодействий НТ на странном море нуклона двумя независимыми способами

4.4. Константа связи странного о о о нейтрального тока ~ • * ^

За последние пятнадцать лет в экспериментальной физике элементарных частиц достигнуты заметные успехи. Среди них -открытие слабых нейтральных токов (1973 г.) /1,2/, адронов, содержащих новые типы кварков - с-кварк (1974 г.) /3,4/ и £ -кварк (1977 г.) /5,6/, открытие тяжелого заряженного лепто-на (1975 г.) /7,8/, промежуточных V/ - иг. -бозонов (1983 г.) /9-12/.

Этот период отмечен также интенсивным развитием теоретических представлений о фундаментальных силах природы. Созданы теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика - теория сильных взаимодействий. Появилась надежда на построение универсальной калибровочной теории, объединяющей сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

Слабые нейтральные токи, изучению которых посвящена данная диссертационная работа, сыграли важную роль в этом развитии. Еще в 1967 году, за б лет до их экспериментального обнаружения, ВаЙнберг и Салам /13,14/ предложили калибровочную теорию, объединявшую в единой схеме слабое и электромагнитное взаимодействие в лептонном секторе. Ее перенормируемость была доказана 'т Хоофтом /15,16/ в 1971 году. Наряду с первоначальной моделью теоретиками было предложено большое число ее модификаций. Все они содержали нейтральные токи и до открытия промежуточных векторных бозонов в 1983 году их исследование было единственным способом проверить справедливость той или иной модели.

Усилия, приложенные экспериментаторами для изучения нейтральных токов, позволили установить, что минимальная схема первоначальной модели ближе к природе, чем ее многочисленные усовершенствования. Расширенная Глэшоу, Илиопоулосом и Майани на кварковый сектор /17/, она известна теперь как СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ электрослабых взаимодействий /18/. Проверка всех ее предсказаний занимает сегодня центральное место в экспериментальной физике высоких энергий.

Данная работа является одним из таких исследований. В диссертации представлены результаты изучения правого слабого адроиного нейтрального тока и слабого странного нейтрального тока в антинейтринном эксперименте на 15-футовой пузырьковой камере. Конкретный выбор задачи обуславливался, во-первых* тем, что указанные адро иные нейтральные токи наименее изучены и, во-вторых, тем, что именно в этих вопросах антинейтринные эксперименты имеют значительное преимущество перед нейтринными опытами (относительный вклад рассматриваемых нейтральных токов в сечение -взаимодействий в несколько раз больше, чем в сечение \)М -взаимодействий). Для постановки задачи важное значение имело также то, что эксперимент проводился при помощи пузырьковой камеры, обеспечивающей детальную информацию о всех частицах, образованных во взаимодействии антинейтрино.

В диссертацию вошли работы /19-22/, выполненные автором в 1976-1984 годах. Все они были сделаны на основе статистики, полученной в рамках советско-американского сотрудничества четырех институтов: Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), Института теоретической и экспериментальной физики, Института физики высоких энергий (оба - СССР) и Мичиганского университета (США). Основные результаты докладывались на сессиях отделения ядерной физики АН СССР, на международных конференциях, а также опубликованы в виде препринтов и в журналах "Письма в ЖЭТФИ, "Я[дерная Физика", "Pkijsics Leiters

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения* 6 первой главе обсуждена постановка задачи, дан краткий обзор экспериментальных данных по кругу вопросов, затрагиваемых в диссертации. Глава 2 посвящена описанию эксперимента и некоторых вопросов методики, особое внимание уделено процедуре выделения взаимодействий нейтрального тока. В двух последующих главах приведены результаты исследования правого слабого адронного нейтрального тока и слабого странного нейтрального тока. Основные выводы,полученные в диссертации, сформулированы в заключении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации представлены результаты изучения слабых адронных нейтральных токов, основанные на анализе 155 тыс. фотоснимков с 15-футовой пузырьковой камеры. Пузырьковая камера была заполнена тяжелой неон-водородной смесью и экспонировалась в широкополосном пучке антинейтрино высоких энергий ускорителя ФНАЛ. Экспериментальные данные были получены в рамках советско-американского сотрудничества четырех институтов ФНАЛ - ИТЭФ - ИФВЭ - Мичиганский университет.

Большая статистика эксперимента потребовала создания в ИТЭФ современной системы обработки фильмовой информации на основе просмотрово-измерительной аппаратуры с большим увеличением. Автор диссертации принимал непосредственное участие в создании и эксплуатации этой системы, в частности, им был создан важный элемент математического обеспечения, связанный со сборкой и редактированием событий.

Основные физические результаты, полученные автором диссертации, можно сформулировать следующим образом.

I. Измерены три величины, чувствительные к вкладу правого слабого адронного нейтрального тока: а) отношение сечений -vN -взаимодействий с нейтральными и заряженными токами

R. = 6Ç-V N 0,406 + 0,028, б) отношение сечений VKI - и v р -взаимодействий с нейтральными токами

6(vn-,v (vp ^ v = 0,88 + 0,17, в) отношение выходов положительных и отрицательных мезонов в области фрагментации тока с "£>0,2 в "уН-взаимо-действиях нейтрального тока

-^ХУфЫ = 1,02 ± 0,12.

Последнее отношение измерено впервые при высоких энергиях. и

Измерения были сделаны в области 8 < Евид< 30 ГэВ и в>1 ГэВ, где Евид - суммарная энергия адронов события и Р^ ВИд - суммарный импульс адронов, поперечный к направлению пучка. Под V везде подразумевается использованный в опыте антинейтринный пучок с 6%-ной примесью нейтрино.

2. Найдены ограничения на константы связи слабого адрон-ного нейтрального тока "^цй. и ей 1 ^, накладываемые измеренными отношениями & , Ц1^ и .

3. С привлечением результатов нейтринных опытов по измерению левых констант связи и с1и найдены величина правого нейтрального тока и индивидуальные значения квадратов правых констант 0,033 + 0,017 и - 0,002 + 0,017.

4. Впервые при высоких энергиях изучено рождение нейтральных странных частиц в -взаимодействиях, обусловленных нейтральными токами.

5. По суммарной множественности нейтральных странных частиц и по множественности К°-мезонов в области фрагментации тока ("£> 0,3) найдены две оценки константы связи слабого странного нейтрального тока ^ = Ъ^: °»45 ± °»17 и = °»22 ±

Усредненное по двум измерениям значение константы равно 0,30 ± 0,11.

Полученные результаты согласуются с результатами других опытов и с предсказаниями стандартной модели электрослабых взаимодействий.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность научному руководителю, кандидату физико-математических наук Горичеву Петру Алексеевичу за большую помощь, постоянное внимание и полезные советы как при выполнении работы, так и при подготовке диссертации.

Автор благодарен профессору Шевченко В.Г. за внимание и поддержку данной работы.

В диссертацию вошли работы, выполненные автором в Институте теоретической и экспериментальной физики совместно с Асратяном А.Э., Ефременко В.И., Клигером Т.К., Колгановым В.З., Кручининым С.П., Кубанцевым М.А., Махлюевой И.В., Федотовым A.B. Всем им автор глубоко благодарен.

Автор благодарит физиков Института физики высоких энергий, Национальной ускорительной лаборатории им. Э.Ферми и Мичиганского университета за их вклад в вошедшие в диссертацию работы»

Автор признателен Глотовой Э.В. и Дубковой A.A. за помощь в работе с программой кинематического анализа.

Настоящая работа не могла бы быть выполнена без большого творческого вклада сотрудников лаборатории просмотра и обмера фильмовой информации ИТЭФ (рук. Каспин А.И.), отдела автоматизации физических экспериментов (рук. Федотов О.П.), а также отдела средств вычислительной техники (рук. Авдеев Н.Ф.), которым автор искренне признателен.

1. Search for elastic muon-neutrino electron scattering/ F.J.Hasert, H.Faissner, W.Krenz et al. - Phys. bett.,1973, V.46B, И 1, p.121-124.

2. Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment/ F.J. Hasert, S.Kabe, W.Krenz et al. Phys. bett., 1973, V.46B, H 1, p.138-140.

3. Experimental observation of a heavy particle J / J.J. Aubert, U.Becker, P.J.Biggs et al. Phys. Rev. Lett.,1974, v.33, U 23, p.1404-1406.

4. Discovery of a narrow resonance in e+e~ annihilation/ J.-E.Augustin, A.M.Boyarski, M.Breidenbach et al. -Phys. Rev. Lett., 1974, v.33, H 23, p.1406-1408.

5. Observation of a dimuon resonanse at 9.5 GeV in 400 GeV proton-nucleus collisions/ S.W.Herb, D.C.Hom, L.M.Lederman et al.- Phys. Rev. Lett., 1977, v.39, H 5, p.252-255.

6. Observation of structure in the T region/ W.R.Innes,

7. J.A.Appel, B.C.Brown et al. Phys. Rev. Lett., 1977, v.39, Л 20, p.1240-1242.

8. Evidence for anomalous lepton production in e+e~ annihilation/ M.L.Perl, G.S.Abrams, A.M.Boyarski et al. Phys. Rev. Lett., 1975, v.35, ÏÏ" 22, p.1489-1492.

9. Properties of anomalous eji events produced in e+e~ annihilation/ M.L.Perl, G.F.Feldman, G.S.Abrams et al. -Phys. Lett., 1976, V.63B, N 4, p.466-470.

10. Experimental observation of isolated large transverseenergy electrons with associated missing energy at -JIT = 540 GeV/ G.Arnison, A.Astbury, B.Aubert et al. Phys. Lett., 1983, V.122B, N 1, p.103-116.

11. Observation of single isolated electrons of high transverse momentum in events with missing transverse energy at the CERH pp collider/ M.Banner, R.Battiston, Ph.Bloch et al.-Phys. Lett., 1983, V.122B, N 5,6, p. 476-485.

12. Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95 GeV/c2 at the CERH SPS collider/ G.Arnison, A. Astbury, B.Aubert et al. Phys. Lett., 1983, v.126B, И 5, p.398-410.

13. Evidence for Z° *e+e~ at the CERH pp collider/ P. Bagnaia, M.Banner, R.Battiston et al. Phys. Lett., 1983, V.129B, H 1,2, p.130-140.

14. Weinberg S. A model of leptons. Phys. Rev. Lett., 1967, v.19, Я 21, p.1264-1266.

15. Glashow S.L., Iliopoulos J., Maiani L. Weak interactions with lepton-hadron symmetry. Phys. Rev., 1970, v.D2,1. H 7, p.1285-1292.

16. Окунь Л.Б. Лептоны и кварки, М,, Наука, 1981.

17. Рождение нейтральных странных частиц в vN -взаимодействиях, обусловленных нейтральными токами/ В.В.Аммосов,

18. A.Э.Асратян, В.А.Гапиенко, Г.С.Гапиенко, П.А.Горичев, А.Г. Денисов, В.И.Ефременко, В.Г.Заец, Г.К.Клигер, В.И.Клюхин,

19. B.З.Колганов, В.И.Корешев, С.П.Кручинин, М.А.Кубанцев, И.В.Махлюева, П.В.Питухин, В.И.Сиротенко, Е.А.Слободюк, З.У.Усубов, А.В.Федотов, В.Г.Шевченко, В.И.Шекелян -Письма в Ш, 1984, том 39, вып. 4, стр. 176-179.

20. G.S.Gapienko, V.A.Gapienko, V. I.KLyukhin, V.I.Koreshev, P.V.Pitukhin, V.I.Sirotenko, E.A.Slohodyuk, Z.U.Usuhov, V.G.Zaets Preprint ITEP-10, Moscow, 1984; Phys. Lett,, 1984, v. 140B, Ы 1,2, p. 127-129.

21. Sehgal L.M. A determination of the neutral current coupling constants from inclusive and semi-inclusive neutrino data. Phys. Lett., 1977, V.71B, IT 1, p.99-102.

22. Hung P.Q., Sakurai J.J. Complete experiments to determine neutral current couplings. Phys. Lett., 1976, v.63B,1. H 3, P.295-300.

23. Buras A.J., Gaemers K.J.F. Energy dependence of neutral and charged current cross-sections from asymptotic free« dom. Phys. Lett., 1977, V.71B, И 1, p.106-110.

24. Field R.D., Feynman R.P. A parametrization of the properties of quark jets. Bucl. Phys., 1978, V.B136, N 1,p.1-76.

25. Determination of the neutral to charged current inclusive cross-section ratio for V and V interactions in the "Gargamelle" experiment/ J.Blietschau, H.Deden, F.J. Hasert et al, Hucl. Phys., 1977, V.B118, li 3,4, p.218-236.

26. Measurement of the neutral-current interactions of high energy neutrinos and antineutrinos/ P.Wanderer, A.Benve-nuti, D.Cline et al. Phys. Rev., 1978, v.D17, 17,p.1679-1692.

27. Neutral-current coupling in high energy neutrino interactions/ F.S.Merritt, B.C.Barish, J.F.Bartlett et al. -Phys. Rev., 1978, V.D17, N9, p.2199-2205.

28. Measurement of the neutral to charged current cross section ratio in neutrino and antineutrino interactions/

29. M.Holder, J.Knobloch, J.May et al. Phys. Lett., 1977, V.71B, N 1, p.222-226.

30. Geweniger 0. New measurements of the neutral to charged current cross section ratio. In: "Neutrino-79", Intern. Gonf. on neutrinos, weak interactions and cosmology, Bergen, 1979, v.2, p.392-396.

31. Geweniger C. Results on semileptonic neutral currents. -In: Proc. of Intern. Conf. on High Energy Physics, Brighton, 1983, p.216-218.

32. Analysis of neutral-current events in the CERN 200 GeV narrow-hand beam/ M. Jonker, J.Panman, F.Udo et al. In: "Neutrino-79", Intern. Conf. on neutrinos, weak interactions and cosmology, Bergen, 1979, v.2, p.371-382.

33. Experimental study of neutral-current and charged-current neutrino cross sections/ M.Jonker, J.Panman, F.Udo et al. Phys. Lett., 1981, V.99B, N 3, p.265-270.

34. Neutral current vun and VMp cross sections fromr rhigh-energy neutrino interactions in deuterium/ T.Kafka, W.A.Mann, S.Sommars et al. Phys. Rev. Lett., 1982, v.48, N 14, p.910-914.

35. Characteristics of neutral-current interactions induced by neutrinos/ J.Marriner, A.Barbaro-Galtieri, P.Bosetti et al. Phys. Rev., 1983, V.D27, N 11, p.2569-2579.

36. Cross sections for neutrino and antineutrino neutral current interactions/ P.C.Bosetti, H.Deden, M.Deutschmann et al. Phys. Lett., 1978, V.76B, N 4, p.505-511.

37. Measurement of the ratios of neutral-current to charged-current cross sections of neutrino and antineutrino interactions in He/ P.C.Bosetti, P.Fritze, H.Grassier et al. Hucl. Phys., 1983, V.B217, H 1, p.1-10.

38. Measurement of the neutral current coupling constants in neutrino and antineutrino interactions with deuterium/ D.Allasia, C.Angelini, A.Baldini et al. Phys. Lett., 1983, V.133B, H 1,2, p.129-134.

39. Cross sections and scaling-variable distributions of neutral- and charged-current neutrino-nucleon interactions from a low-energy narrow band beam/ C. Bait ay, H.French, M.Hibbs et al. Phys. Rev. Lett., 1980, v.44, H 14, p.916-919.

40. Ratio of neutral-current to charged-current cross sections for inclusive neutrino interactions in hydrogen/ P.A.Harris, J.P.Berge, D.V.Bogert et al. Phys. Rev. Lett., 1977, v.39, H 8, p.437-440.

41. Strength of the antineutrino-proton neutral-current interactions/ M.Derrick, P.Gregory, L.G.Hyman et al. -Phys. Rev., 1978, v.D18, H 1, p.7-15.

42. Measurement of the neutral-current-to-charged-current cross-section ratio for antineutrino-proton inclusive scattering/ D.D.Carmony, T.S.Carman, V.E.Barnes et al. -Phys. Rev., 1982, V.D26, H 11, p.2965-2972.

43. Measurement of the ratio of neutral to charged current cross sections of neutrino interactions in hydrogen/

44. J.Blietschau, H,Grassier, W.Krenz et al. Phys. Lett., 1979, V.88B, N 3,4, p.381-386.

45. Determination of neutral to charged current cross section ratio for neutrino interactions on proton/ U.Armenize, M.Calicchio, O.Erriquez et al. Phys. Lett., 1983, V.122B, N5,6, p.448-454.

46. Cross-section ratio 6(vn)/6(vp) for charged-current and neutral-current interactions below 10 GeV/ P.P. Jacques, M.Kalelkar, P.A.Miller et al. Phys. Rev., 1981, V.D24, N 5, p.1067-1070.

47. Kluttig H., Morfin J.G., van Doninck W. An analysis of the Gargamelle freon data concerning pion production by the weak neutral current. Phys. Lett., 1977, v.71B,1. N 2, p.446-450.

48. The structure of the weak neutral current: an analysis of the hadronic energy distribution from neutrino and antineutrino interactions/ H.Deden, M. Deutschmann, P.Fritze et al. Hud. Phye., 1979, V.B149, N 1, p.1-12.

49. Measurement of the elastic scattering of neutrinos and antineutrinos by protons/ A.Entenberg, J.Horstkotte, W.Kozanecki et al. Phys. Rev. Lett., 1979, v.42, N 18, p.1198-1201.

50. On the isospin properties of the weak neutral current/ G.H.Bertrand Coremans, P.Musset, A.Comtet et al. -Phys. Lett., 1976, V.61B, H 2, p.207-209.

51. Detection of weak neutral current using fission on deuterons/ E.Pasierb, H.S.Gurr, J.Lathrop et al. Phys. Rev. Lett., 1979, v.43, IT 2, p.96-99.

52. Evidence for Ч7 production Ъу neutrinos via neutral currents/ H.Abramowicz, J.G.H. de Groot, J.T.He et al. -Phys. Lett., 1982, V.109B, Л 1,2, p.115-118.

53. Experimental study of differential cross sections d6/dy in neutral current neutrino and antineutrino interactions/ M.Jonker, J.Penman, F.Udo et al. Phys. Lett., 1981, V.102B, НГ 1, p. 67-72.

54. The external muon identifier for the Fermilab 15-ft bubble chamber/ R.J.Cence, F.A.Harris, S.I.Parker et al. -Hucl. Instr. Meth., 1976, v. 138, IT 2, p.245-254.

55. Система обработки фильмовой информации на базе стола "АИСТ"/ Б.М.Бобченко, В.С.Веребрюсов, Т.Ф.Гордеева и др. Тезисы первого всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях, Душанбе, 1980, стр. 260-262.

56. HYDRA system manual, CERIT, Geneva, 1973.

57. Программа геометрической реконструкции событий антинейтринного эксперимента в 15-футовой пузырьковой камере FHAL/ Ю.П.Арпишкин, Т.С.Буданова, Е.А.Гребенников и др. -Препринт ИТЭФ-135, Москва, 1978.

58. Study of inclusive neutral currents with the Fermilab broad band antineutrino beam in 15-foot bubble chamber/ J.P.Berge, D.Bogert, F.A.Dibianca et al. In:

59. Neutrino«^", Proc. of the Intern, Conf, on neutrino physics and neutrino astrophysics, Moscow, 1978, v. 2, p, 180-186.

60. The production of )ie-events in antineutrino-nucleon interactions/ J.P.Berge, D.Bogert, R.Endorf et al. -Phys. Lett., 1979, V.81B, U 1, p.89-92.

61. Observation of y.+e+ events in antineutrino-nucleon interactions/ V.V.Ammosov, A.G.Denisov, P.F.Ermolov et al. Phys. Lett., 1981, V.106B, U 1,2, p.151-154.

62. Search for a charm changing neutral current in antineutrino interactions/ V.Efremenko, A.Fedotov, P.Gorichev et al. Phys. Lett., 1979, V.88B, H 1,2, p.181-184.

63. P.A.Gorichev, V.S.Kaftanov et al. Phys. Lett., 1979, v.84B, IT 4, p.511-514.

64. Quark jets from antineutrino interactions (II). Inclusive particle spectra and multiplicities in the quark o'ets/ J.P.Berge, D.Bogert, R.Endorf et al. Hucl. Phys., 1982, V.B203, H 1, p.1-15.

65. Inclusive charge d-current antineutrino-nucleon interactions at high energies/ V.Y.Ammosov, A.G.Denisov, G.S.Ga-pienko et al. Hucl. Phys., 1982, V.B199, H" 3, p.399-423.

66. Buras A.J., Gaemers K.J.F. Simple parametrizations ofоparton distributions with Q dependence given by asymptotic freedom. Nucl. Phys., 1978, V.B132, H" 3, p.249-267.

67. Inclusive interactions of high-energy neutrinos and antineutrinos in iron/ J.G.H. de Groot, T.Hansl, M.Holder et al. Z. Phys. C, 1979, v.1, IT 2, p. 143-162.

68. Opposite sign dimuon events produced in narrow "band neutrino and antineutrino beams/ M.Holder, J.Knobloch, J.May et al. Phys. Lett., 1977, V.69B, N 3, p.377-384.

69. Measurement of SU(3) symmetry violation in the quark jet/ V.V.Ammosov, A.H.Amrakhov, A.G.Denisov et al. Phys. Lett., 1980, V.93B, N 1,2, p.210-212.

70. Inclusive K° and a electropro duct ion/ I.Cohen, R.Erickson, F.Messing et al. Phys. Rev. Lett., 1978, v.40, IT 25, p. 1614-1617.

71. Experimental study of opposite-sign dimuons produced in neutrino and antineutrino interactions/ H.Abramowicz, J.G.H. de Groot, J.Knobloch et al. Z. Phys. C, 1982, v. 15, IT 1, p. 19-31.