Измерение каонных формфакторов в распаде K-→μ-ūμγ на установке "ИСТРА+" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Дук, Вячеслав Анатольевич

• Дук, Вячеслав Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Дук, Вячеслав Анатольевич

Введение

Глава 1. Теоретическое введение

1.1 Распад К~ —>

1.2 Распад К~ —► уГу^п.

1.2.1 Способы вычисления формфакторов Ру, Ра.

1.2.2 Способы измерения формфакторов Ру,

Глава 2. Экспериментальный обзор и описание установки "ИСТРА+"

2.1 Способы изучения распадов.

2.2 Эксперименты по изучению распада К —» ^г/7.

2.3 Эксперименты по измерению формфакторов Ру, Ра в других распадах

2.4 Общее описание установки "ИСТРА+".

Глава 3. Реконструкция событий и идентификация частиц

3.1 Реконструкция данных.

3.1.1 Калибровка и геометрическая привязка.

3.1.2 Реконструкция пучкового и вторичных треков.

3.1.3 Вершинный фит.

3.1.4 Реконструкция ливней в электромагнитном калориметре.

3.2 Идентификация продуктов распада ^-мезонов.

3.2.1 Идентификация мюонов.

3.2.2 Идентификация фотонов.

3.3 Кинематическая калибровка.

3.3.1 Поправка к импульсу мюона.

3.3.2 Поправка к энергии фотона

3.4 Монте-Карло установки "ИСТРА+".

3.5 Набор физической статистики.

Глава 4. Отбор событий, соответствующих распаду К~ —> ¡jTD^

4.1 Идентификация распада и первичный отбор.

4.2 Триггерная эффективность.

4.3 Выбор основной переменной для наблюдения сигнала.

4.4 Фоновые процессы.

4.5 Возможные подходы к измерению формфакторов в распаде К —» ¡ivy

4.6 Разделение на ж-полосы.

4.7 Установление ограничения на у в ж-полосах

4.8 Выбранный кинематический диапазон.

4.9 Вклады SD и INT в сигнал

4.10 Одновременный фит в ж-полосах.

4.11 Определение статистической ошибки одновременного фита ж-полос

4.12 Число сигнальных событий.

Глава 5. Фитирование спектра и измерение Fy — Fa

5.1 Фит спектра по ж в рамках модели КТВ 0(р4).

5.2 Проверка процедуры одновременного фита.

5.3 Фит спектра по ж в рамках модели КТВ 0(р6).

5.4 Фит спектра по ж в рамках модели LFQM

5.5 Изучение систематических ошибок.

5.6 Окончательный результат.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение каонных формфакторов в распаде K-→μ-ūμγ на установке "ИСТРА+"»

Актуальность исследования

С момента открытия первой элементарной частицы - электрона - прошло уже более ста лет. За это время физика частиц достигла впечатляющих результатов как в теории, так и в эксперименте. Большинство этих достижений легли в основу Стандартной Модели, сформировавшейся в 70-х—80-х годах XX века. Стандартная Модель (СМ) представляет собой объединение квантовой хромодинамики (КХД) и электрослабой теории на основе калибровочной группы ЗТУсК3) х Биь{2) х [/(1) и описывает большинство наблюдаемых явлений в диапазоне энергий до нескольких сотен ГэВ. В то же время СМ содержит в себе ряд недостатков, которые не позволяют считать ее окончательной теорией. Кроме того, КХД имеет сложности с описанием явлений, происходящих при энергиях меньше 1 ГэВ. Это связано с тем, что глюо-ны, являющиеся носителями цветового заряда, взаимодействуют не только с кварками, но и сами с собой, что приводит к появлению конфайнмента -«невылетания» кварков. В результате кварки оказываются «запертыми» в барионах или мезонах и для их описания уже не применимы методы КХД.

Для преодоления этих сложностей было разработано множество эффективных полевых теорий, одной из которых является киральная теория возмущений (КТВ). КТВ является низкоэнергетической реализацией СМ, т.к. ее лагранжиан включает в себя все слагаемые, которые допускаются лежащими в основе теории симметриями. Поэтому КТВ призвана описывать сильные и электрослабые процессы при низких энергиях.

В настоящее время в физике частиц проводятся и проектируются многочисленные эксперименты как по проверке предсказаний СМ, так и по поиску Новой Физики (НФ) за пределами СМ. Эксперименты можно условно разделить на три группы. Во-первых, это опыты при максимально высоких энергиях, предназначенные для прямого наблюдения эффектов НФ и изучения природы спонтанного нарушения симметрии в электрослабом секторе. Во-вторых, эксперименты с космическими лучами и различными типами нейтрино (ускорительные, реакторные, солнечные.). К третьей группе относятся высокоточные эксперименты по поиску отклонений от СМ в редких или запрещенных процессах. В эти процессы могут давать вклад новые частицы столь больших масс, что они не будут напрямую рождаться на коллайдерах.

Одним из направлений этой деятельности является изучение редких распадов Т^-мезонов. Несомненные достоинства данной техники - относительная простота получения (/^-мезоны являются самыми легкими и самыми дол-гоживущими из частиц, включающих в себя кварки 2-го поколения), сравнительно небольшое количество каналов распада (и, соответственно, их интерпретация), возможность прецизионных измерений с точностью до и выше.

Радиационные распады /•('-мезонов (распады, содержащие фотон в конечном состоянии) относительно просты в описании. Как уже упоминалось, для таких процессов применяются вычисления в рамках эффективных теорий, таких как киральная пертурбативная теория. КТВ дает количественные предсказания для радиационных каоных распадов, поэтому эти распады позволяют проверять предсказания данной модели. Помимо этого радиационные распады могут быть чувствительны к Новой Физике.

Цель исследования

Основной целью данной работы является экспериментальное измерение разности векторного и аксиального формфакторов Ру иР^в радиационном распаде К~ —» у.

Научная новизна исследования

В ходе выполнения работы разработаны новые методика и критерии отбора событий распада К~ —> уГй^7. В частности, разработана процедура кинематической калибровки на основе двухчастичного распада К~ —» 7г~7г°. Использование процедуры максимизации значимости сигнала позволило определить область наилучшего выделения сигнала. Для надежного отделения сигнала от фона разработан метод одновременного фитирования трех гистограмм. Полученная статистика является рекордной для изучаемого распада. Впервые измерен вклад интерференционного члена в дифференциальную ширину распада. Определены знак и абсолютное значение разности форм-факторов Fv—Fa, которое сравнивается с различными теоретическими предсказаниями.

Полученные в данной работе результаты и методы анализа представляют значительный интерес для текущих экспериментов по изучению редких распадов легких мезонов - ОКА (ИФВЭ, Протвино), NA62 (ЦЕРН, Швейцария), KLOE (Фраскати, Италия), а также для планируемых экспериментов на сильноточном протонном ускорителе JPARC в Японии.

Личный вклад

Автор разработал программу анализа данных, набранных в эксперименте "ИСТРА+", для выделения распада К~ —► 7, а также распада К~ —> 7г~7г°, используемого для дополнительной кинематической калибровки. В рамках общей методики анализа данных автор разработал процедуру кинематической калибровки; применил значимость сигнала для наложения эффективных ограничений на кинематические переменные; с помощью процедуры одновременного фита определил количество сигнальных событий; измерил вклад интерференционного члена INT- в дифференциальную ширину распада; определил знак и абсолютную величину разности формфакторов Fv~Fa', исследовал полученный результат на предмет систематических ошибок и получил величины этих ошибок; провел сравнение с предсказаниями теории.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 95 страницах печатного текста, содержит 84 рисунка, 2 таблицы и состоит из введения, пяти глав и заключения. Список литературы включает в себя 43 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Дук, Вячеслав Анатольевич

Заключение

Перечислим основные результаты, полученные в диссертации.

1. Разработаны методы отбора событий, соответствующих распаду К~ —> fjTPp'y, что позволило выделить распад в ранее не изученном кинематическом диапазоне. Разработаны методы анализа, позволившие отделить сигнал от фона. Число сигнальных событий составило около 22 тыс. Это самая большая статистика в мире для изучаемого распада.

2. Впервые наблюдена деструктивная интерференция INT" в распаде К~ 7. В выбранном кинематическом диапазоне ее вклад составил ~ 3%.

3. Измерена разность векторного и аксиального формфакторов Fy — Fa'-Fv-Fa = 0.21 ± 0.04(siai) ± 0.04(sysi). Результат на ~ 2.8а выше, чем теоретическое значение, полученное в рамках КТВ 0(р4).

4. Проведено сравнение с предсказанием КТВ 0(р6) (Fy = Fy(Q) [1 + A(1 — rc)], F^const). Измерен параметр A: A=4.0±1.0(stat)±1.3(syst). Отклонение от предсказаний КТВ 0(р6) составило 2.2<т.

5. Проведено сравнение экспериментальных данных с предсказаниями модели LFQM. Наблюдается различие на уровне ~ За.

В заключение автор хотел бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю з.д.н. д.ф.-м.н. В. Н. Болотову и чл.-корр.РАН д.ф.-м.н. В.Ф.Образцову (ИФВЭ) за постоянное внимание к работе и критические замечания. Автор благодарен сотрудникам ЛФЭЧ ОФВЭ ИЯИ РАН А.А.Худякову, А.И.Макарову, В.А.Лебедеву, А.Ю.Полярушу, сотрудникам ИФВЭ С.А.Акименко, В.И.Романовскому, А.П.Филину, О.Г.Чикилеву, О.П.Ющенко, сотруднику ЛЯП ОИЯИ д.ф.-м.н. Б.Ж.Залиханову за плодотворное сотрудничество и ценные обсуждения на разных этапах работы, а также сотрудникам ОТФ ИЯИ РАН Д.С.Горбунову, С.В.Демидову,

Д.Г.Левкову, А.Г.Панину, В.А.Рубакову, Г.И.Рубцову, С.М.Сибирякову за творческую атмосферу и доброжелательность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Дук, Вячеслав Анатольевич, 2011 год

1. V.A.Duk, et al., Extraction of kaon formfactors from K~ —> 7 decay at 1.TRA+ setup, Phys.Lett. В 695 (2011) 59-66.

2. V.A.Duk, et al., Extraction of kaon formfactors from K~ —> decay at ISTRA+ setup, INR preprint 1254/2010.

3. O.G.Tchikilev, et al., Measurement of the INT- term in radiative decay K~ /¿-P„7, IHEP-2008-27.

4. V.A.Duk, Recent results from ISTRA+ experiment, Moscow 2006, ICHEP 777-781.

5. V.A.Duk, Study of radiative decay K~ —> at ISTRA+ setup, Proceedings of the 14th international Seminar Quarks-2006 vol.2 pp.383-385.

6. V.A.Duk, Study of K~ ¡Tv».7 decay at ISTRA+ setup, PoS KAON09:036,2009.

7. V.Cirigliano, I.Rosell, Phys.Rev.Lett. 99 (2007) 231801.

8. C.Lazzeroni, et al., Test of lepton flavour universality in K+ —> 1+щ decays, CERN-PH-EP-2011-004.

9. F.Ambrosino, et al., Eur. Phys. J. G64 (2009) 627-636.

10. K.Nakamura, et al., Particle data group, J.Phys. G 37 (2010) 075021.

11. D.A.Bryman, et al., Physics Reports 88 (1988) 151.

12. P. Baenst, J.Pestieau, И Nuovo Cimento 53A (1968) 407.

13. J.Bijnens, G.Ecker, J.Gasser, Semileptonic kaon decays in 2nd DAPHNE physics handbook, INFN-LNF (1995) 315.

14. Y.Akiba, et al., Phys.Rev. D32 (1985) 2911.

15. S.C.Adler, et al., Phys.Rev.Lett. 85 (2000) 2256-2259.

16. F.L.Bezrukov, D.S.Gorbunov, Yu.G.Kudenko, hep-ph/0302106.

17. F.L.Bezrukov, D.S.Gorbunov, Yu.G.Kudenko, hep-ph/0304146.

18. C.Q.Geng, et al., Nucl.Phys. B684 (2004) 281-317.

19. C.-H. Chen, et al., Phys.Rev. D77 (2008) 014004.

20. S.Adler, et al., Measurement of the K+ —► ir+i/v branching ratio, Phys.Rev. D77 (2008) 052003.

21. M.Abe, et al., Search for T-violating transverse muon polarization in K+ —» 7rV+zy/z decay using stopped kaons, Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 4253.

22. V.A.Baranov, et al., Precise measurement of the 7r+ —>• -K°e+ue branching ratio, PSI R-05-01.1.

23. V.N.Bolotov, et al., IHEP preprint 8-98.

24. G.Anelli, et al., CERN-SPSC-2005-013.

25. J.K.Ahn, et al., Experimental study of the decay K® —> iPvv, Phys.Rev.D 81 (2010) 072004.

26. G.A.Akopdzhanov, et al., Study of K± —> e±i/7r° decay at the KMN setup, Phys.Atom.Nucl. 71 (2008) 2074-2086.

27. G.S.Bitsadze, et al., A new upper limit for the branching ratio of the K% e+e~ decay, Phys.Lett.B 167 (1986) 138.

28. V.N.Bolotov, et al., IHEP preprint 95-111.

29. V.V.Barmin, et al., Sov.J.Nucl.Phys. 47 (1988) 643.

30. V.S.Demidov, et al., Sov.J.Nucl.Phys. 52 (1990) 1006-1011.

31. A.O.Weissenberg, et al., Estimate of the probability of K+ —> ¿¿+iyy, Phys.Lett. 48B (1974) 474-478.

32. K.S.Heard, et al., Phys.Lett. 55B (1975) 324.

33. J.Heintze, et al., Nuclear Physics B149 (1979) 365.

34. A.A.Poblaguev, et al., Phys.Rev.Lett. 89 (2002) 061803.

35. H. Kalmar, et al., New method for constructing multiwire chambers, Nucl. Instr. and Meth. A307 (1991) 279.

36. E. Gushin, et al., Fast beam chambers of the setup ISTRA-M, Nucl. Instr. and Meth. A351 (1994) 345.

37. V.N.Bolotov, et al., INR preprint n-0428.

38. A.Lednev, Separation of the overlapping electromagnetic showers in the cellular GAMS type calorimeters, Preprint IHEP-93-153.

39. R. Brun, et al., GEANT detector description and simulation tool, CERN-DD/EE/84-1.

40. I. Ajinenko, et al., Study of the K~ 7i°e~Pe decay, Phys. Lett. B574 (2003) 14.

41. I. Ajinenko, et al., Study of the K~ —► decay, Phys. Atom. Nucl. 66 (2003) 105.

42. O.P.Yushchenko, et al., Phys.Lett. B581 (2004) 31.

43. F.James, M.Roos, CERN-DD-75-20.