Измерение сечений рождения тау-лептонных пар в двухфотонных столкновениях, установление пределов на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона и дополнительные пространственные измерения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Журавлев, Вадим Витальевич

• Журавлев, Вадим Витальевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Журавлев, Вадим Витальевич

1 Введение

2 Экспериментальная установка

2.1 Ускоритель ЛЭП.

2.2 Экспериментальная установка DELPHI.

2.2.1 Время-проекционная камера ТРС.б

2.2.2 Вершинный детектор VD.

2.2.3 Внутренний детектор ID.

2.2.4 Внешний детектор OD

2.2.5 Передние камеры FCA и FCB.

2.2.6 Детектор черепковского излучения RICH

2.2.7 Электромагнитные калориметры

2.2.8 Адронный калориметр.

2.2.9 Мюонные камеры.

2.2.10 Время-пролетная система.

2.3 Триггерная система.

2.4 Сбор и обработка данных.

2.5 Моделирование детектора

3 Измерение сечений рождения тау-лептонных пар в двухфотонных столкновениях

3.1 Физика двухфотонных столкновений.

3.1.1 Кинематика процесса е+е~ —► е+е~1+1~.

3.1.2 Сечение процесса е+е~ —> е+е~1+1~.

3.2 Определение сигнальных событий и Монте Карло генераторы

3.3 Отбор событий.

3.3.1 Отбор данных по состоянию установки.

3.3.2 Отбор треков.

3.3.3 Предварительный отбор двухфотонных событий.

3.3.4 Отбор событий е+е~ е+е~т+т~

3.3.5 Отбор событий е+е~ —► e+e~fi+fj,~

3.4 Измерение ионизационных потерь заряженных частиц.

3.4.1 Эффективность измерения dE/dx.

3.4.2 Калибровка dE/dx

3.5 Оценка уровня остаточного фона.

3.6 Определение эффективности триггерной системы.

3.7 Оценка систематических погрешностей.

3.8 Результаты измерений сечений.

3.9 Усреднение результатов.

4 Установление пределов на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона

4.1 Процедура определения значений электромагнитных моментов

4.2 Чувствительность эксперимента ко вкладу аномальных моментов

4.2.1 Инвариантная масса тау-пары.

4.2.2 Полярный угол.

4.3 Радиационные поправки

4.4 Результаты определения пределов на аномальные моменты.

5 Поиск дополнительных пространственных изменений

5.1 Модель с дополнительными пространственными измерениями

5.1.1 Проблема иерархии.

5.1.2 Модель с субмиллиметровыми дополнительными измерениями

5.2 Дифференциальное сечение процессов е+ е~ —>//.

5.2.1 Учет радиационных поправок.

5.3 Процедура интерпретации данных.

5.4 Результаты интерпретации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение сечений рождения тау-лептонных пар в двухфотонных столкновениях, установление пределов на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона и дополнительные пространственные измерения»

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное определение сечения процесса рождения пар тау-лептонов в двух-фотонных столкновениях в реакции е+е~ —* е+е~т+т~ при энергиях столкновений электронов и позитронов в диапазоне 183 - 206 ГэВ, поиск аномального магнитного и дипольного электрического моментов тау-лептона, а также экспериментальная проверка теории струн с субмиллиметровыми пространственными измерениями.

Исследования, положенные в основу диссертационной работы, были выполнены автором в эксперименте DELPHI в течение 1997-2003 гг.

Научная новизна исследования. Впервые с высокой точностью были измерены сечения рождения пар тау-лептоиов в двухфотонных столкновениях, установлен лучший предел на аномальный магнитный момент тау-лептона, установлен предел на дипольный электрический момент того же порядка, что и другие современные пределы, а также впервые установлен предел на массовый параметр теории струн.

Практическая ценность. Полученные результаты с высокой точностью подтвердили предсказания квантовой электродинамики в четвертом порядке теории возмущений. Полученные пределы на электромагнитные моменты тау-лептона вошли в таблицы Particle Data Group. Объединение результатов, полученных для проверки теорий с дополнительными пространственными измерениями с результатами других экспериментов позволяет исключить значительную область значений параметра теорий.

Автором была разработана и осуществлена процедура физического анализа данных эксперимента DELPHI. В частности, был проведен отбор событий рождения тау-пар в двухфотонных столкновениях, определение эффективности триггера установки к таким событиям, разработана процедура оценки систематических погрешностей. Полученные результаты и разработанные процедуры использовались другими членами коллаборации DELPHI в дальнейшем физическом анализе.

Результаты, выносимые на защиту:

• Проведена обработка данных DELPHI, полученных при наиболее высоких энергиях столкновений (интегральная светимость - 650 пб-1) и разработан метод отбора событий е+е~ —> е+е~т+т~ .

• Улучшена точность измерения ионизационных потерь для частиц с низким импульсом при помощи разработанного алгоритма калибровки dE/dx и разработан метод определения триггерной эффективности детектора, позволивший уменьшить систематическую погрешность измерения сечения до 3%.

• Измерено сечение процесса е+е —> е+е т+т для энергий в диапазоне 183 - 206 ГэВ с точностью порядка 4%.

• Установлен лучший в мире предел на аномальный магнитный момент тау-лептона и установлен предел на электрический дипольный момент тау-лептона, сравнимый с другими современными пределами.

• Проведена проверка теории струн с дополнительными субмиллиметровыми пространственными измерениями и установлен нижний предел на массовый параметр этой теории.

Структура диссертации. Диссертация состоит из шести глав, в том числе Введения и Заключения.

Во Введении сформулированы цели диссертационной работы, перечислены выносимые на защиту результаты, подчеркнуты их новизна и практическая ценность.

Во второй главе проводится общее описание ускорителя ЛЭП и эксперимента DELPHI. Описывается экспериментальная установка, система сбора данных и программы реконструкции и моделирования детектора.

В третьей главе описывается теория двухфотонных столкновений, приводятся необходимые для физического анализа формулы и определения, описываются Монте Карло генераторы, отбор событий двухфотонных столкновений, а также отбор событий рождения пар тау-лептонов в двухфотонных столкновениях. Описывается процедура калибровки измерения ионизационных потерь, процедура измерения эффективности триггера, а также оценка остаточного фона и систематической погрешности. Далее приводится процедура определения сечений рождения пар тау-лептонов в двухфотонных соударениях.

В четвертой главе описывается формализм, допускающий аномальные электромагнитные моменты заряженного лептона, чувствительность эксперимента к вкладу в сечение рождения пар тау-лептонов, обусловленному аномальными электромагнитными моментами, а также приводится процедура определения аномального магнитного и электрического дипольного моментов тау-лептона.

В пятой главе описывается теория с субмиллиметровыми пространственными измерениями, приводится описание используемых дифференциальных сечений рождения лептонов и процедуры их интерпретации. Особое внимание уделяется вычислению вклада радиационных поправок в дифференциальное сечение рождения лептонов с учетом дополнительных пространственных измерений.

Результаты работы кратко суммируются в Заключении.

Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались автором на международных научных конференциях (в том числе на Рочестерской конференции 2002 г. в Амстердаме), семинарах и рабочих совещаниях коллаборации, а также были опубликованы в виде статей в отечественных и зарубежных изданиях [1] - [7].

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Журавлев, Вадим Витальевич

Выводы и результаты работы

• Автором разработан метод отбора событий рождения пар тау-лептонов в двухфотонных соударениях. В пределах аксептанса метод имеет эффективность от 52% до 56% в зависимости от энергии столкновений при низком уровне остаточного фона 12%).

• Улучшена точность измерения ионизационных потерь для частиц с низкими импульсами с 6.8% до 5.4% при помощи разработанного алгоритма измерения dE/dx . Вклад в систематическую погрешность, связанный с измерением ионизационных потерь составил 2.9%.

Разработан метод определения триггерной эффективности детектора. Вклад в систематическую погрешность, связанный с измерением триггерной эффективности составил 2.8%.

• Впервые с высокой точностью измерены сечения процесса е+е —► е+е~т+т~ для энергий в диапазоне 183 - 206 ГэВ. Измеренные сечения согласуется с предсказанием Стандартной Модели. Усредненное для всех энергий отношение наблюдаемых и ожидаемых сечений составило

RLEP2 = 0.96 ± 0.04.

Среднее сечения для ЛЭП-2 составило

TLEP2 = 429 ± 17 пб, что соответствует усредненной по интегральной светимости энергии 197.1 ГэВ. Сечение, предсказываемое Стандартной Моделью для этой энергии, составляет 447.7 ± 0.3 пб.

• Установлен лучший в мире предел на аномальный магнитный момент тау-лептона

-0.052 <ат< 0.013, 95% CL и установлен предел на электрический дипольный момент тау-лептона, сравнимый с другими современными пределами dT\ < 3.7 • 10~16 е • cm, 95% CL.

Оба предела получены в кинематический области, дополнительной к ранее полученным пределам.

• Проведена проверка теории струн с дополнительными субмиллиметровыми пространственными измерениями и установлен предел на массовый параметр этой теории

Ms > 0.79 ТэВ, А = +1 (95% CL), Ms > 0.73 ТэВ, А = -1 (95% CL).

Благодарности

Автор искренне благодарен А.Г.Ольшевскому за руководство и помощь в проделанной работе и за разъяснение многих теоретических вопросов.

Автор искренне благодарен И.Р.Бойко за помощь в проделанной работе и плодотворные дискуссии по ряду вопросов.

QQ

6 Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Журавлев, Вадим Витальевич, 2004 год

1. DELPHI Collaboration, J.Abdallah, ., V.Zhuravlov et al, Eur. Phys. J. C35 (2004) 159-170

2. И.Р.Бойко и В.В.Журавлев "Рождение тау-пар в двухфотонных столкновениях и пределы на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона", Письма в ЭЧАЯ, т.2 N4(127)-2005

3. V.Zhuravlov, "Study of Tau-pair Production in Untagged Photon-Photon Collisions at LEP and Limits on the Anomalous Electromagnetic Moments of the Tau Lepton", DELPHI 2002-09 CONF 550

4. V.Zhuravlov "Properties of tau lepton", in proc. of International Conference on High Energy Physics, 24-31 July, 2002, Amsterdam, Nethelands.

5. DELPHI Collaboration, J.Abdallah, ., V.Zhuravlov et al, "Measurement and Interpretation of Fermion-Pair Production at LEP Energies above Z Resonance", submitted to E. Phys. J. C.

6. A. Behrmann, ., V. Zhuravlov et al, , "Results on Fermion-Pair Production at LEP running near 183 and 189 GeV", 99-138 HEP'99 CONF 325

7. V.Zhuravlov, "Limits on the size of extra dimensions from LEP experiments." in proc. of 2nd Tropical Workshop on Particle Physics and Cosmology: Neutrino and Flavor Physics, San Juan, Puerto Rico, 1-6 May 2000.

8. DELPHI Collaboration, Nucl. Instr. Meth. A303 (1991) 233-276 DELPHI Collaboration, Nucl. Instr. Meth. A378 (1996) 57-100

9. DELPHI Collaboration, Nucl. Instr. and Meth. A515 (2003) 782-799

10. G.Darbo and B.W.Heck, Nucl. Instr. Meth. A257 (1987) 567

11. R.Brun, J.Zoll, "ZEBRA users guide", CERN Program Library (1994)

12. DELANA users guide", DELPHI note 89-44 (1989)

13. DELSIM, DELPHI Event Generator and Detector Simulation Users Guide", DELPHI note 89-15 (1989)

14. OPAL Collaboration, R. Akers et al, Zeit. Phys. C60 (1993) 593.

15. Collaboration, M. Acciarri et al, Phys. Lett. B407 (1997) 341; L3 Collaboration, "Muon-Pair and Tau-Pair Production in Two-Photon Collisions at LEP" CERN-EP/2003-080 (2003)

16. H.Euler, Ann.Physik 26 (1936) 398

17. R.Karplus and M.Neuman, Phys.Rcv 83 (1951) 776;

18. H.Kolanowski, "Two-Photon Physics at e+e~ Storage Rings", Springer Tracts in Modern Physics 105 (1985)

19. V.M. Budnev et al., Phys. Rep. 15 (1975) 181.

20. Л.Д.Лаидау и Е.М.Лифшиц, Сов.Физ. 6, (1934) 244

21. V.N. Baier and V.S.Fadin, Lett.Nuovo Cim. 1 (1971) 481 V.N. Baier and V.S.Fadin, Zh.ETF 61 (1971) 476

22. F.A. Berends, P.H. Daverveldt, R. Kleiss, Сотр. Phys. Comm. 40 (1986) 271.

23. S. Jadach, J. Kiihn, Z. W§s, Сотр. Phys. Comm. 64 (1991) 275.

24. F.A. Berends, P.H. Daverveldt, R. Kleiss, Сотр. Phys. Comm. 40 (1986) 285.

25. T. Sjostrand et al., Сотр. Phys. Comm. 135 (2001) 228.

26. E. Accomando and A. Ballestrero, Сотр. Phys. Comm. 99 (1997) 270;

27. E. Accomando, A. Ballestrero and E. Maina, Сотр. Phys. Comm. 150 (2003) 166.

28. S.L.Glashow, Nucl.Phys. B22 (1961) 579; S.Weinberg, Phys.Rev.Lett 19 (1967) 1264;

29. A.Salam, in Proc. og 8-th Nobel Symp., p367, ed N.Svartholm, (Almqvist and Wikscll) Stockholm, 1968

30. P.J. Mohr, B.N. Taylor, J. Phys. Chem. Ref. Data 28 (1999) 1713; P.J. Mohr, B.N. Taylor, Rev. Mod. Phys. 72 (2000) 351.

31. Muon g-2 Collaboration, G.W. Bennett et al., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 101804.

32. M.A. Samuel, G. Li, R. Mendel, Phys. Rev. Lett. 67 (1991) 668; erratum ibid. 69 (1992) 995.

33. L3 Collaboration, M. Acciarri et al., Phys. Lett. B434 (1998) 169.

34. OPAL Collaboration, K. Ackerstaff et al., Phys. Lett. B431 (1998) 188.

35. BELLE Collaboration, K. Inami et al., Phys. Lett. B551 (2003) 16.

36. G.A. Gonzalez-Sprinberg, A. Santamaria and J.Vidal, Nucl. Phys. B582 (2000) 3.

37. R. Escribano, E. Massd, Phys. Lett. B395 (1997) 369.

38. D.J. Silverman, G.L. Shaw, Phys. Rev. D27 (1983) 1196.

39. F. del Aguila, M. Sher, Phys. Lett. B252 (1990) 116.л f

40. ARGUS Collaboration, H. Albrecht et al, Phys. Lett. B485 (2000) 37.

41. F. Cornet and J. Illana, Phys. Rev. D53 (1996) 1181.

42. F. Cornet, private communication,

43. J. Illana, "Estudio de las propiedades electromagneticas del boson W у del lep-ton tau en procesos de dos fotones", doctoral thesis (in Spanish), University of Granada, (1995).

44. Particle Data Group, K.Hagivara et al, Phys. Rev. D66 2002

45. N.Arcani-Hamed et al, Phys. Lett. B429 (1998) 263. N.Arcani-Hamed et al., Phys.Rev. D59 (1999) 086004.

46. T.Kaluza, "On the problem of unity in physics", Sitzungs-ber.Preuss.Akad.Wiss.Berlin (Math. Phys.) (1921) 966.

47. O.Klein, "Quantum theory and five-dimensional theory of relativity.", Z.Phys.37 (1926), 895, 1926; Surveys High Energ.Phys.5 (1986) 241-244.

48. I.Antoniadis et al, Phys. Lett. B436 (1998), 257.

49. J.L.Hewett, Phys. Rev. Lett. 82 (1999), 4765.

50. J.L.Hewett and T.G.Rizzo, Phys. Rev. D56 (1997), 5709.

51. D.Bardin et al, Comput. Phys. Commun. 133 (2001) 229.

52. M.Skrzypek, Acta Phys. Polon. 22 (1992) 135.