Измерение сечения процесса e+e-→π+π-π0π0 в области энергии ниже 1 ГэВ с детектором СНД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Харламов, Алексей Георгиевич

• Харламов, Алексей Георгиевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Харламов, Алексей Георгиевич

Введение.

Глава 1. Ускорительный комплекс ВЭПП-2М.

Глава 2. Детектор СНД.

2.1. Калориметр.

2.2. Система дрейфовых камер.

2.3. Мюонная система.

2.4. Эксперименты с детектором СНД.

Глава 3. Изучение процесса е+е" —>к+лп°п° в области энергий 2Е<1 ГэВ.

3.1. Аппаратный и предварительный отбор событий.

3.2. Кинематическая реконструкция, основной отбор событий.

3.3. Процедура вычитания фона.

3.4. Описание техники Ядерных оценок.

3.5. Эффективность регистрации.

3.6. Аппроксимация сечения.

3 .7. Систематические неопределенности.

3.8. Обсуждение результатов.

Глава 4. Моделирование отклика дрейфовой камеры СНД.

4.1. Детектор СНД и его трековая система.

4.2. Флуктуации первичной ионизации.

4.3. Дрейф и диффузия ионизации.

4.4. Развитие сигнала.

Глава 5. Калибровка дрейфовой камеры детектора СНД.

5.1. Определение расстояния по времени дрейфа.

5.2. Описание алгоритма калибровки.

5.3. Координатное и угловое разрешения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение сечения процесса e+e-→π+π-π0π0 в области энергии ниже 1 ГэВ с детектором СНД»

Предсказания Стандартной модели для аномального магнитного момента мюона ограничиваются сегодня точностью вычисления вклада поляризации вакуума адронами в пропагатор фотона. Поляризацию вакуума адронами условно разделяют на «низкоэнергетическую» и «высокоэнергетическую» часть. «Высокоэнергетическую» часть вычисляют с помощью пертурбативных методов квантовой хромодинамики [1], и эти вычисления хорошо согласуются с экспериментом. К «низкоэнергетической» части обычно относят диапазон энергии < 2 ГэВ и в данной области поляризацию вакуума адронами вычисляют с помощью дисперсионных соотношений, интегрируя

-----экспериментально измеренные зависимости сечения аннигиляции в адрбны от энергии.

На данный момент имеется расхождение предсказаний Стандартной модели для аномального магнитного момента мюона с прямым измерением на уровне достоверности в три стандартных отклонения [1], что является указанием на существование Новой физики. Для проверки значимости расхождения и определения параметров моделей Новой физики требуется улучшить точность расчета аномального магнитного момента в Стандартной модели или улучшить точность прямого измерения. Наибольшую неопределенность —70% в вычисление поляризации вакуума вносит неопределенность измерения сечения процесса е+е~ —>7г+тс", процесс е+е" —>ж+п~ 7г°7Е° дает вклад в ошибку вычисления -15%, оставшиеся 15% вносят сечения других процессов из диапазона до 2 ГэВ. За последние годы достигнут значительный прогресс в измерении сечения е+е" —>тс+7с", в 2009 году свои результаты представили BABAR и KLOE, оба измерения сделаны с помощью метода радиационного возврата [2] и имеют существенно лучшую точность по сравнению с предыдущими измерениями. Точность вычисления магнитного момента мюона после публикации этих измерений, все же не изменилась и осталась на уровне 2007 года [1], но теперь она определяется систематическим расхождением между BABAR и KLOE. После устранения этого расхождения наибольший вклад в ошибку вычисления поляризации вакуума будет вносить процесс е+е" -^т^к-лРк0, изучению которого и посвящена настоящая диссертация.

Попытки применить спектральные функции распада т-лептона в адроны для вычисления поляризации вакуума с помощью гипотезы сохранения векторного тока (CVC) привели к обнаружению нарушения данной гипотезы [1]. Например, отличие вероятности распада т-лептона в от соответствующего предсказания с помощью CVC и сечения е+е" —>ii+it составляет 3.6% на уровне достоверности 4.5а, что вдвое превышает уже "примененную йзоспин-нарушающую поправку. Некоторое отклонение от предсказаний CVC наблюдается и в канале Зяте0, который является изотопическим партнером процессу е+е" —>iz+iz~iz°%0, разница составляет (0.91±0.25)% и соответствует 20% относительному отклонению. Для других каналов, в том числе и е+е" —>7г+7г"7и+71", различие между предсказанием CVC и экспериментом не значимо.

В России только в ИЯФ СО РАН (Новосибирск) проводятся эксперименты на встречных е+е" пучках. В мире имеется несколько центров, где проводятся подобные эксперименты, но ни один из них не покрывает диапазона энергий 2Е < 2 ГэВ. Измерения в данном диапазоне проводились в эксперименте BABAR (США, Стэнфорд) на В-фабрике РЕР-2(энергия 10.58 ГэВ Y(4S)-резонанс), где силами «Новосибирской» группы был развит метод радиационного возврата [3]. К сожалению, точность измерений в диапазоне 2Е < 2 ГэВ оказалась недостаточной и не были измерены все необходимые сечения. Например, доминирующее сечение е+е" BABAR так и не опубликовал. Подобная американской В-фабрика (КЕКВ) находится в Японии (Тсукуба) и имеет большую светимость [4]. К сожалению, измерения сечений методом радиационного возврата при энергии 2Е < 2 ГэВ там не производятся.

В последнее время метод радиационного возврата активно применяется на ср-фабрике DAFNE в Италии (Фраскатти). Эта установка работает на энергии 1.02 ГэВ в области ф-резонанса и методом радиационного возврата покрывает диапазон 2Е < 1 ГэВ. На этой установке планируется расширение диапазона энергий до 2.5 ГэВ, что потребует глубокой модернизации ускорителя и, возможно, будет реализовано через 5-7 лет. Недавно построенная в Китае (Пекин) с-т фабрика может достичь наименьшей энергии 2 ГэВ, а метод радиационного возврата, по-видимому, не будет здесь столь успешным, как на В-фабриках, из-за меньшей светимости.

Сечения процессов е+е" —+к+ж~л°л°, е+е~ —>л+к'л+л в диапазоне энергии 0.98 -1.38 ГэВ были измерены с точностью ~ 8% [5] на коллайдере ВЭПП-2М в "НовосибирскетЗ диапазоне" "энергий нижёТ ГэВ экспериментальные данные о" процессе е+е" —достаточно скудны [б]. Немного лучше в этом интервале энергии изучен канал е+е" —>л+л'л+л', в работе [7] достигнута точность измерения сечения ~ 12% и впервые измерена величина Вг(р —»л+л~ л+л~), в работе [8] точность измерения сечения составила ~ 10 %. Совместный анализ сечений е+е" —>7t+7c"7c+7t:" и е+е" —>л+л'к°л° позволит определить константы связи р-мезона с четырьмя тс-мезонами.

Эффективные лагранжианы, используемые для расчетов процессов с участием я-мезонов, содержат множество различных многопионных вершин [9]. Значения констант связи в этих вершинах не известны и могут быть установлены из эксперимента. Удобными для извлечения этих констант являются многопионные распады легких векторных мезонов р, со —> 4л, 5л, так как импульсы пионов в таких процессах не велики по сравнению с массами, это позволяет пренебречь поправками от высших производных и петель в эффективный лагранжиан [9]. Вероятности распада р, со —> 5л чрезвычайно малы [9] и их трудно измерить в современных экспериментах. Как было показано в [10], распад р —> 4л должен быть достаточно интенсивным Вг~10"4, измерения в заряженном канале дают Вг(р —> л+л'л+л") = (1.8±0.9±0.3)-10"5 [7].

В нейтральном канале %+-кп\0 измерения отсутствуют. Киральные теории предсказывают Вг(р —> к+к'к°к°) = (0.5 - 0.9)* 10"5 [9].

Особый интерес представляет распад ш —> к+тск°71°, запрещенный сохранением изоспина в сильных взаимодействиях. Верхний предел на относительную вероятность этого распада равен Вг(со —> п+пж°п°) < 2% [11]. Теоретические предсказания вероятности этого распада, к сожалению, отсутствуют. Хотя, исходя из достаточно большой величины распада Вг(ю —>• кку) = (6.7±1.1)-10"5 [9] и Br(co—> tcV) = (1.70±0.27) %, можно ожидать Вг(ю —> ti+%'ti0%0) ~ 10~4 - 10"5 (в предположении механизма со —> асо с распадом со—>

7с+7г").

В настоящей работе разработана методика выделения событий процесса е+е~ —>к+к~110т10 в области энергии ниже 1 ГэВ, измерено сечение этого процесса, разделены механизмы реакции (юл;0, а^), аппроксимировано сечение в модели векторной доминантности и измерена вероятность распада р—»7i:+7u"7i07u0. Также при непосредственном участии автора была создана трековая система (ТС) детектора СНД для экспериментов на ВЭПП-2000, описана геометрия ТС в системе GEANT, разработано моделирование физических процессов, происходящих при прохождении заряженных частиц через ТС, разработана процедура калибровки трековой системы.

Материалы диссертации докладывались на Сессии отделения ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» в 2008 г. (Москва), на международной конференции «From cp to \|/» в 2009 г. (Пекин) на международной конференции «Quarks in Hadrons and Nuclei» в 2007 г. (Эриче, Италия), на других международных и всероссийских конференциях и опубликованы в научных журналах и препринтах ИЯФ.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Харламов, Алексей Георгиевич

Заключение

В настоящей работе получены следующие результаты: в эксперименте с детектором СНД измерено сечение процесса е+е" —>ж+ж~ ж°ж° в области энергии 2Е < 1 ГэВ, причем в области энергии 2Е < 920 МэВ сечение измерено впервые. При энергии 920 МэВ наблюдается порог реакции е+е~ —> со7i°—>7E+7E~7i°7T° и выше порога данный промежуточный механизм доминирует в сечении процесса е+е" —> 7c+7t"7i°7i°. Сечение с вкладом данного механизма растет и при энергии 1 ГэВ составляет около 4 нб. В области 920< 2Е < 980 МэВ наше измерение имеет наилучшую сегодня точность и согласуется с предыдущими измерениями;

разделены механизмы промежуточных состояний реакции +е" —» ж+ж'ж°ж°. Выделен механизм промежуточного состояния от0. Сечение за вычетом механизма с07с° определяется в основном промежуточным состоянием а.\Ж. Наши измерения не противоречат модели а^—>• ж+ж'ж°ж°; измерена вероятность распада р—>ж+ж~ж°ж°: Вг(р—>:л;Ь7^;~ 7uу})=(1.60±0.74±0.18)xl0~5, что соответствует ширине Г=2.49±1.15±0.28 КэВ. Верхний предел на вероятность распада со—> ж+ж'ж°ж° был улучшен на 2 порядка по сравнению с предыдущими измерениями и составил Вг(со —► ж+ж~ ж°ж°) < 2x10"4 на уровне достоверности 90%, что соответствует Г(со —> ж+ж'ж°ж°) < 1.7 КэВ; при непосредственном участии автора была создана новая трековая система детектора СНД. В 2009 году трековая система СНД была установлена в вакуумном промежутке ускорителя и показала устойчивую работу. В настоящее время детектор СНД работает в непрерывном режиме и набирает статистику. Автором была разработана калибровка трековой системы по космическим событиям и событиям упругого электрон-позитронного рассеяния. Разрешение дрейфовой камеры, измеренное по событиям процесса е+е" —» е+е" составило 150 мкм, а в минимуме ~80 мкм, что согласуется с проектными параметрами. Автором так же была разработана программа моделирования отклика дрейфовой камеры, учитывающая флуктуации ионизации, диффузию ионизации при дрейфе в электрическом поле, флуктуации газового усиления и другие эффекты, влияющие на разрешение.

В заключение я хочу выразить глубокую благодарность моим научным руководителям за неоценимую помощь в работе над данной диссертацией. Также благодарю всех коллег по работе, особенно Д.А. Букина, А.А. Короля, А.Е. Образовского, взаимодействие с которыми было всегда плодотворным и полезным. Оеобую благодарность я выражаю В.П.- Дружинину и-М.Н. Ачасову, наставления и советы которых значительно ускорили и улучшили качество данной работы. Проект СНД, как и данную маленькую его часть, было бы невозможно реализовать без постоянного внимания и существенной поддержки заведующего лабораторией С.И. Середнякова, за что ему огромное спасибо. Очень полезны и конструктивны были консультации Н.Н. Ачасова, А.А. Кожевникова и А.В. Киселева и критические замечания С.И. Эйдельмана. Отдельную благодарность я выражаю всему коллективу ВЭПП-2М и в особенности Ю.М. Шатунову и И.А. Коопу, а также руководству Института ядерной физики за то, что сделали возможным проведение данной работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Харламов, Алексей Георгиевич, 2010 год

1. М. Davier, S. Descotes-Genon, et. al. Reevaluation of the hadronic contribution to the muon magnetic anomaly using new eV —► 7tV cross section data from BABAR, Eur.Phys.J.C56:305-322,2008 arXiv:0908.4300. arXiv:0906.5443

2. KLOE Collaboration (F. Ambrosino et al.), Measurement of o(e+e~—*тс+тСу(у)) and the dipion contribution to the muon anomaly with the KLOE detector, Phys. Lett. В 670 285 (2009).

3. BABAR Collaboration (B. Aubert et al.), Precise measurement of the e+ e- to pi+ pi- (gamma) cross section with the Initial State Radiation method at BABAR, arxiv:0908.3589 (2009).

4. BABAR Collaboration (B. Aubert et al.), Study of e+ e" —> 7г+тс"тс° process using initial state radiation with BABAR, Phys.Rev.D70:072004,2004

5. Belle Collaboration, The Belle detector, A. Abashian et al., Nucl. Instr. And Meth. A 479, 117(2002).

6. M.N. Achasov et al, Analysis of e+e~ ->■ 7г+7г~7г+тг~ and e+e~ ■я-+тг~7г°7г о

7. Processes in the Energy Range of = 0.98-1.38 GeV in Experiments with a Spherical Neutral Detector, J. Exp. Theor. Phys., 96, 789 (2003)

8. L.M. Kurdadze et al, Study of the reaction e+ e" —» n+n'A° at 2E up to 1.4 GeV, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 43, 497 (1986)

9. R.R. Akhmetshin et al., Cross section of the reaction e+ e—► -к+п-п+к- below 1 GeV at CMD-2, Phys. Lett. В 475, 190 (2000).

10. В.Aubert et al, The, e+ e" -> tcVtcV, K+IC tcV, and K+K"K+K" Cross Sections at Center-of-Mass Energies 0.5 4.5 GeV Measured with Initial-State Radiation, Phys.Rev. D 71, 052001 (2005) arXiv:hep-ex/0502025vl.,

11. N.N. Achasov and A.A. Kozhevnikov, Role of the al1260 resonance in multipion decays of light vector mesons, Phys. Rev. D 71, 034015 (2005)

12. Banyai, V. Rittenberg, The р—>4п Vertex in Chiral Dynamics, Phys. Rev. 184, 1903(1969)

13. W.M. Yao et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics, J.Phys.G: Nucl.Part.Phys. 33,1 (2006)

14. JI.M. Курдадзе, М.Ю. Лельчук, E.B. Пахтусова и др., Результаты эксперимента с детектором ОЛЯ на ВЭПП-2М, Ядерная физика т.40 (1984) 451.

15. V.B. Golubev, V.P. Druzhinin, V.N. Ivanchenko et al., The neutral detector at VEPP-2M, Nucl. Instr. And Meth. 227 (1984) 467.

16. L.M. Barkov, G.A. Blinov, B.I. Hazin et al. Nucl. Instr. And Meth. 204 (1983) 379

17. M.N. Achasov et al, Spherical neutral detector for VEPP-2M collider, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 449, 125 (2000)

18. A.V. Bozhenok, V.N. Ivanchenko, Z.K. Silagadze., Transverse energy profile of electromagnetic shower, Nucl. Instr. And Meth. A379 507 (1996).

19. Status of the experiments with SND detector at e + e collider VEPP-2M. M.H. Ачасов, М.Г. Бек, П.М. Бесчастнов и др. // Препринт ИЯФ 96-47, Новосибирск, 1996

20. First Physical Results from SND Detector at VEPP-2M. / M.N. Achasov, M.G. Beck, K.I. Beloborodov et al. // Preprint Budker INP 97-78, Novosibirsk, 1997.

21. Experiments at VEPP-2M with SND detector. / M.H. Ачасов, B.M. Аульченко, C.E. Бару и др. // Препринт ИЯФ 98-65, Новосибирск, 1998.

22. New data from SND detector in Novosibirsk. / M.N. Achasov, V.M. Aulchenko, K.I. Beloborodov et al. // Talk given at HADRON99, Beijing, August 24-28, 1999. Nucl. Phys. A675 391c (2000)

23. Recent results from SND detector. / M.N. Achasov, K.I. Beloborodov, A.V. Berdugin et al. // Talk given at XXIII International Workshop on HEP&FT. Protvino. June 24-27 2000.

24. A.N. Skrinsky and Yu.M. Shatunov, Прецизионные измерения масс элементарных частиц на накопителях с поляризованными пучками, So v. Phys. Usp. 32, 548 (1989)

25. В.П. Дружинин, Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Изучение процессов е+е~—>аж° и е+е"-^-л:0710у в области энергий ниже 1.4 ГэВ. (ИЯФ им. Г.И. Будкера, Новосибирск, 2000)

26. A. Hocker, P. SpecKmayer, J. Stelser, F. Tegenfeldt, H. Voss, K. Voss, TMVA Toolkit for Multivariate Data Analysis with ROOT arXiv physics/0703039, http:// tmva.sf.net

27. K.S. Granmer "Kernel Estimation in High Energy-Physics". Сотр. Phys; Comn. 136, 198(2001) arXiv: hep-ex/0011057vl.

28. W. Verkerke, D. Kirkby, The RooFit toolkit for data modeling. arXiv physics/0306116

29. R.R. Akhmetshin et al., ai( 1260)71 dominance in the process e+ e" —> 4% at energies 1.05-1.38 GeV , Phys. Lett. В 466, 392-402 (1999)

30. M.N.Achasov et al, Процесс $e+e-\to\omega\piA0$ вблизи $\phi$ резонанса,, JETP (2000) Vol. 90, pp. 927-938

31. Yu.M. Shatunov et al., Prepared for 7th European Particle Accelerator Conference (EPAC 2000), Vienna, Austria, 26-30 June 2000. Published in "Vienna 2000, EPAC 00" 439.

32. G.Ecker and R.Unterdorf, Four-pion production in ее annihilation, Eur. Phys. J. C24:535, 2002

33. R.Plant, M.Birse, Q 4n in chirally symmetric models, Phys. Lett. B365:292, 1996

34. Э.Кураев, С.Эйдельман, З.Силагадзе, е —> 4ж decay, Phys.Lett. В346:186, 1995

35. К. Amako et al. Geant4 User's Guide for Application Developers. CERN Geneva, Switzerland, April 2001

36. B. Smirnov. Modeling of ionization produced by fast charged particles in gases. Preprint submitted to Elsevier Science 1 August 2005.

37. S.F. Biagi. Monte Carlo simulation of electron drift and diffusion in counting gases under the influence of electric and magnetic fields. NIM A421 (1999) 234-240.

38. R. Veenhof, GARFIELD A Drift Chember Simulation Program. NIM A419 (1998) 726.

39. W.W.M. Allison, J.H.Cobb, Relativistic Charged Particle Identification by Energy Loss,Ann. Rev. Nucl. Instr. Part. Sci. 30 (1980) 253

40. T.Holsten. Energy Distribution of Electrons in High Frequency Gas Discharges. Phys.Rev. 70 (1946) 367

41. E. Mathieson, N. El Hakeem. Calculation of electron transport coefficients in counting gas mixtures. NIM 159 (1979) 489-496

42. F.Sauli, Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, CERN 77-09. Geneva, 1977.

43. G.D. Alkhazov. Statistics of electron avalanches and ultimate resolution of proportional counters. NIM 89 (1970) 155-165.

44. Alex F.Bielajew. Fundamentals of the Monte Carlo method for neutral and charged particle transport. The University of Michigan, Department of Nuclear Engineering and Radiological Sciences.

45. Г.Н. Абрамов, В.М.Аульченко, М.Н.Ачасов и др., Проект модернизации детектора СНД для экспериментов на ВЭПП-2000.

46. П.В. Филатов, Расчет электрических полей в ячейке ТС СНД. Квалификационная работа на соискание степени бакалавра. Новосибирск, 2004.

47. Харламов А.Г. Параметризация изохрон в дрейфовой ячейке ТС СНД. Квалификационная работа на соискание степени бакалавра. Новосибирск, 2004.49. http://alice.web.cern.ch

48. Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Б^дкера Сибирского отделения Российской Академии Наук1. НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

49. Середняков Сергей Иванович- доктор физико-математических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Буд-кера СО РАН, г. Новосибирск

50. ОФФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Федотович1. Геннадий Васильевич

51. Кожевников Аркадий Алексеевич1. ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:- доктор физико-математических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Буд-кера СО РАН, г. Новосибирск- доктор физико-математических наук, Институт математики им. С.Л. Собалева СО РАН, г. Новосибирск

52. Научно-исследовательский институт ядерной физики Томского политехнического университета, г. Томск