Определение энергии в системе центра масс в прецизионных экспериментах на ВЭПП-4М тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Богомягков, Антон Викторович

• Богомягков, Антон Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Богомягков, Антон Викторович

Введение

1 Описание установок ВЭПП-4М и КЕДР

1.1 Коллайдер ВЭПП-4М.

1.2 Детектор КЕДР

2 Резонансная деполяризация как метод определения средней энергии

2.1 Прецессия спина.

2.2 Измерение частоты прецессии спина.

2.3 Определение средней энергии частиц по измеренной частоте прецессии спина

2.3.1 Влияние зависимости коэффициента уплотнения орбиты от энергии.

2.3.2 Влияние вертикальных искажений орбиты.

2.3.3 Влияние продольного поля.

2.4 Ширина спинового распределения и точность определения частоты прецессии спина

2.4.1 Ширина спинового распределения.

2.4.2 Боковые резонансы.

2.4.3 Влияние величины поля деполяризатора.

2.4.4 Точность измерения частоты обращения и частоты деполяризатора.

3 Зависимость средней энергии от параметров накопительного кольца

3.1 Дрейф частоты обращения.

3.2 Влияние вертикальных магнитных полей отдельных элементов

3.2.1 Отдельный корректор.

3.2.2 Среднеквадратичные искажения горизонтальной орбиты

3.2.3 Локальные искажения орбиты.

3.2.4 Таблицы влияния отдельных элементов.

3.2.5 Смещения квадрупольных линз и элементов периодичности.

3.2.6 Мониторирование параметров ускорителя.

3.3 Установление магнитного поля после цикла.

4 Определение энергии в системе центра масс встречных пучков

4.1 Инвариантная масса.

4.2 Зависимость энергии пучков от азимута.

4.2.1 Азимутальное распределение потерь энергии на излучение.

4.2.2 Азимутальное распределение импеданса вакуумной камеры.

4.2.3 Влияние коллективного поля пучков.

4.3 Отличия средних энергий электронов и позитронов в режимах калибровки и светимости.

4.3.1 Разведение пучков по вертикали в паразитных местах встречи

4.3.2 Разведение пучков в техническом промежутке и скью-секступоль

4.3.3 Наклон резонатора.

4.4 Средневзвешенная по светимости энергия взаимодействий.

4.4.1 Хроматизм оптических функций.

4.4.2 Вертикальная дисперсионная функция разного знака для электронов и позитронов.

5 Проведение экспериментов по прецизионному измерению масс на ВЭПП-4М

5.1 Описание поляриметра

5.2 Описание деполяризатора.

5.2.1 Измерение пульсаций ведущего поля.

5.3 Получение поляризованных пучков

5.4 Описание калибровки энергии в экспериментах.

5.5 Сканирование 3[Ф- и Ф(25)- мезонов.

5.6 Численные значения ошибок и поправок в экспериментах по измерению масс <//Ф- и Ф(25)- мезонов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение энергии в системе центра масс в прецизионных экспериментах на ВЭПП-4М»

В 2002 году в ИЯФ СО РАН на коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР были завершены эксперименты по высокоточному измерению масс 7/Ф- и Ф'- мезонов [1]. По сравнению с мировыми данными на время проведения экспериментов [2] значения масс были измерены примерно в три раза точнее, и в десять раз точнее по сравнению с предыдущими измерениями на ВЭПП-4 с детектором ОЛЯ [3] (новые значения масс: М//ф = 3096.917 ± 0.010 ± 0.007 МэВ, МФ/ = 3686.111 ± 0.025 ± 0.009 МэВ). Для достижения и обоснования подобной точности потребовалось провести тщательное как теоретическое, так и экспериментальное изучение всех возможных ошибок и поправок эксперимента.

Успешное проведение прецизионных экспериментов на встречных пучках требует знания средней энергии взаимодействия частиц с высокой точностью. Для этого проводится абсолютная калибровка энергии пучка в ускорителе, затем, по кинематическим соображениям, рассчитывается средняя энергия взаимодействия частиц в системе центра масс. В результате, точность определения энергии взаимодействия определяется ошибками абсолютной калибровки энергии и погрешностями расчета средней энергии взаимодействия.

Наиболее точным способом абсолютной калибровки энергии является метод резонансной деполяризации, основанный на одновременном измерении частоты прецессии спина и частоты обращения частиц в накопителе. Теоретическая возможность определения энергии частиц таким способом была осознана в конце 60-х годов. В середине 70-х и начале 80-х в ИЯФ СО АН СССР на накопителе ВЭПП-2М этот метод был впервые реализован и применён в эксперименте по прецизионному измерению масс Ф-мезона [4, 5, 6, 7] и ./^-мезонов [8]. Затем подобные эксперименты были проведены на ускорителе ВЭПП-4 в отношении масс <//Ф-, Ф'-, Т-, Т'- и Т^-мезонов [3, 9] ив 1993 году была измерена масса ^-бозона на ускорителе ЬЕР [10]. В Таблице 1 приведены результаты экспериментов с калибровкой энергии методом резонансной деполяризации.

В экспериментах на ВЭПП-4М, проведенных с 2001 по 2005 год, достигнутая точность измерения энергии частиц составила ~ 10~6, что почти на порядок точнее, чем в предыдущих экспериментах и на два порядка меньше, чем энергетический разброс в пучке (<7Е/Е ~ 3 ч- 5 • 10~4) [И].

Абсолютная калибровка энергии пучков методом резонансной деполяризации определяет среднюю энергию по ансамблю частиц и вдоль замкнутой орбиты. Однако, для расчета средней энергии взаимодействия частиц в системе центра масс, необходимо знать средние энергии пучков именно в месте встречи, а также распределения частиц в пучках по энергии, по координатам и углам.

По физическим и техническим причинам часто невозможно провести калибровку энергии во время набора статистики, поэтому набор статистики чередуется заходами на калибровку энергии. Такая временная схема эксперимента требует изучения стабильности энергии пучков (определяемой параметрами ускорителя) и возможности предсказания энергии по измеряемым параметрам накопительного кольца (ведущее поле, температура магнитов и

Таблица 1.

Частица Данные эксперимента, МэВ Относительная точность эксперимента Относительная точность калибровки энергии Детектор Год

К± 493.670 ± 0.029 6- 10"5 Эмульсия 1979

К0 497.669 ± 0.030 6 • 10~5 3 • 10"5 КМД 1979 и> 781.78 ±0.10 1 • 10"4 КМД

Ф 1019.52 ±0.13 1 ■ 10~4 1 • 10"4 ОЛЯ 1978

J/Ф 3096.93 ±0.09 3- 10"5 3 • 10"5 ОЛЯ 1980

Ф' 3686.00 ±0.10 3•10"5 3 • 10"5 ОЛЯ 1980 т 9460.57 ±0.12 1•10"5 (7-=-30) • 10"6 МД-1 1984 т 9459.57 ±0.13 1•10"5 (5-МО) • 10"6 CUSB 1984 у/ 10023.6 ± 0.5 5- 10"5 (7 ч- 30) • 10~6 МД-1 1984

10023.1 ±0.64 6- 10~5 2 • 10"5 ARGUS & Crystall Ball 1984

10355.3 ±0.5 6 • 10"5 (7 4-30) • 10"6 МД-1 1984

Z 91190.3 ±4.4 5- 10"5 2 • 10"5 LEP 1993

J/ф 3096.917 ±0.012 4 • 10""6 1 • 10"6 КЕДР 2002 ф' 3686.111 ±0.027 7•10"6 1 • 10"6 КЕДР 2002 т.д.). Эти новые задачи требуют постоянного контроля, записи, анализа существенных параметров ускорителя, а также изучения влияния различных элементов и параметров накопительного кольца на энергию пучка.

Во время проведения экспериментов особое внимание обращается на получение поляризованных пучков. Принципиальные сложности могут сделать невозможным получение поляризованных пучков на энергии эксперимента, поэтому пучки приготавливаются на какой-то удобной энергии, а затем режим работы ускорителя с пучком перестраивается к нужному значе9 нию энергии при соблюдении необходимых условий для сохранения поляризации пучка. При любых изменениях магнитного поля ускорителя возникает вопрос о релаксации поля и энергии, о воспроизводимости значения энергии, и поэтому проводится изучение этих вопросов.

Настоящая диссертация посвящена определению средней энергии взаимодействия пучков в системе центра масс в прецизионных экспериментах по измерению масс Л/Ф-, Ф'-, Ф"-мезонов, проведению калибровки энергии методом резонансной деполяризации, численным расчетам и оценкам ошибок и поправок в определении средней энергии взаимодействия.

Также рассмотрены и решены задачи, связанные с контролем, записью и анализом параметров ускорителя, проведено изучение влияния различных элементов ускорителя на энергию пучка, сформулированы требования на стабильность элементов и параметров ускорителя. Результаты, полученные в диссертационной работе, позволили уточнить величины систематических ошибок в экспериментах по измерению масс 3/Ф-, Ф;- мезонов, в которых массы этих частиц были определены примерно в три раза точнее по сравнению с мировыми данными.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Богомягков, Антон Викторович

Заключение

Диссертация посвящена определению энергии в системе центра масс в прецизионных экспериментах на ВЭПП-4М. Автором выполнены теоретические и экспериментальные исследования эффектов, определяющих точность калибровки энергии методом резонансной деполяризации и точность определения энергии в системе центра масс. Основные результаты диссертационной работы перечислены ниже:

1. Уточнены величины систематических ошибок и поправок в экспериментах по измерению масс «//Ф- и Ф'- мезонов. Проведенные исследования позволили определить массы этих частиц примерно в три раза точнее по сравнению с мировыми данными.

2. Проведены экспериментальные и теоретические исследования влияния различных факторов на точность определения МРД средней энергии, а именно: a) зависимости коэффициента уплотнения орбиты от энергии; b) вертикальных искажений орбиты; c) локальных вертикальных и горизонтальных искажений орбиты; (с1) продольного поля детектора; е) ширины распределения спиновых частот;

3. Рассчитаны вклады в ошибку определения энергии в системе центра масс от следующих эффектов: хроматизм оптических функций в месте встречи, дисперсия разного знака в месте встречи для электронов и позитронов, зависимость сведения пучков в месте встречи от тока пучков, азимутальная зависимость энергии пучка;

4. Сформулированы требования на стабильность магнитов ВЭПП-4М и проведено изучение зависимости энергии пучка от параметров ускорителя.

В заключение автор глубоко благодарен научному руководителю доктору физико-математических наук Г.М. Тумайкину и кандидату физико-математических наук С.А. Никитину, совместная работа с которыми во многом определила результаты исследований, представленные в диссертации.

Автор благодарит В.А. Киселева, Д.Н. Шатилова, В.В. Смалюка, Е.Б. Левичева, С.Е. Карнаева за помощь и советы в проведении экспериментов на ускорителе.

Автор выражает искреннюю благодарность В.Е. Блинову, А.Г. Шамову, Г.В. Карпову, И.Б. Николаеву, А.П. Чабанову, В.В. Петрову, Ю.А. Пупкову, С.И. Мишневу за совместную плодотворную работу.

Автор признателен Ю.М. Шатунову, В.И. Тельнову за критические дискуссии и советы по вопросам, составляющим тему диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Богомягков, Антон Викторович, 2007 год

1. V.M. Aulchenko et al., "New precision measurement of the J/psi and psi-prime meson masses" ,Phys. Lett. В 573 (2003) 63-79.

2. S.Eidelman et al., "Review of particle physics" Particle Data Group], Phys. Lett. В 592, 1(2004).

3. A. A. Zholentz et al., "High precision measurement of the psi and psi-prime meson masses", Phys. Lett. В 96 (1980) 214.

4. Ю.М. Шатунов, "Прецизионные эксперименты с поляризованными пучками в накопителях", диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. Новосибирск 1987.

5. А.Д. Букин и др., "Метод абсолютной калибровки энергии пучков в накопителях. Измерение массы ^-мезона", Труды 5 Международного симпозиума по физике высоких энергий и элементарных частиц, Дубна, 1975, стр. 138-147.

6. Я.С. Дербенёв и др., "Радиационная поляризация: получение, управление, использование", Новосибирск, 1976, Препринт ИЯФ 76-112.

7. А.Д. Букин, "Поиск распада ср —> 7г+7г", Ядерная физика. 27 (1978) 985-989.

8. L.M. Barkov, et al., "The Charged Kaon Mass Measurement", Nucl. Phys. В 148 (1979) 53.

9. A.S. Artamonov, et al., "A high precision measurement of the upsilon, upsilon-prime and upsilon-prime-prime meson masses" Phys. Lett. В 137 (1984) 272.

10. L. Arnaudon et al., "Measurement of the mass of the Z boson and the energy calibration of LEP", Phys. Lett. В 307 (1993) 187.

11. V.E. Blinov et al., "Absolute calibration of particle energy at VEPP-4M", NIM A 494 (2002) 81-85.

12. A. Bogomyagkov et al., "Precise Energy Measurements in Experiments on VEPP-4M Collider" ,PAC05, Knoxville USA 1138-1140.

13. V.V. Anashin et al., "VEPP-4M collider: status and plans", proceedings of EPAC 1998, y.l, p. 400.

14. L.H. Thomas, "The Kinematics of an electron with an axis", Philosophical Magazine, 3 (1927) 1.

15. V. Bargmann, L. Michel, V.L. Telegdi, "Precession of the polarization of particles moving in a homogeneous electromagnetic field", Phys. Rev. Lett. 2 (1959) 435.

16. V. Blinov et al., "New experiments with polarized beams at VEPP-4M", proceedings of EPAC 2002, p. 1954.

17. B.H. Байер, В.M. Катков, В.M. Страховенко, "О влиянии поляризации на эффекты внутреннего рассеяния электронов в накопителях", ДАН СССР, 241 N4 (1978).

18. В.Е. Блинов и др., "Измерение энергии пучка в е+е~" коллайдере ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации. Готовится к печати.

19. Я.С. Дербенёв, A.M. Кондратенко, "Релаксация и равновесное состояние поляризации электронов в накопителях", ДАН СССР, 217 N2 (1974) 6669.

20. Ya.S. Derbenev, et al., "Accurate calibration of the beam energy in a storage ring based on measurement of spin precession frequency of polarized particles", Part. Accel. 10 (1980) 177-180.

21. I.A. Koop, et al., "Investigation of the spin precession tune spread in the storage ring", proceedings of 8th Int. Symp. on High Energy Spin Physics, 1023 (1988).

22. A.V. Bogomyagkov, S.A. Nikitin, A.G. Shamov, "Influence of the vertical closed orbit distortions on accuracy of the energy calibration done by resonant depolarization technique", готовится к печати в NIM.

23. Я.С. Дербенёв, А.Н. Скринский, "Фазовые эффекты взаимодействия встречных сгустков в жесткофокусирующих накопителях", препринт ИЯФ 71-72(1972).

24. A.M. Кондратенко, "Поляризованные пучки в накопителях и циклических ускорителях" докторская диссетрация. Новосибирск 1982.

25. R. Assmann, J.P. Koutchouk, "Spin Tune Shifts due to Optics Imperfections", CERN SL/94-13 (AP).

26. A.V. Bogomyagkov, S.A. Nikitin, A.G. Shamov, "Influence of the vertical closed orbit distortions on accuracy of the energy calibration doneby resonant depolarization technique", proceedings of RUPAC 2006, Novosibirsk, MOAP02, pp. 153-155.

27. S.A. Nikitin, "Influence of Errors in KEDR Detector Field Compensation on the Spin Tune Shift and the Beam Polarization Lifetime in VEPP-4M Collider at Energy of Tau Lepton Production Threshold", proceedings of RUPAC 2006, Novosibirsk, MOAPOl.

28. Я.С. Дербенев, "Взаимодействие пучков заряженных частиц", кандидатская диссертация. Новосибирск 1968.

29. С.А. Никитин, "Расчет деполяризатора с поперечным полем для прецизионных экспериментов на вэпп-4м", препринт ИЯФ 2005-54(2005).

30. A.W. Chao, М. Tigner, handbook of accelerator physics and engineering, 1998.

31. А.А. Коломенский, A.H. Лебедев, Теория циклических ускорителей, Москва 1962.

32. V. Kiselev, V. Smaluk, "Experimental study of impedances and instabilities at the VEPP-4M storage ring", proceedings of EPAC98, 1005-1007.

33. V. Kiselev, V. Smaluk, "Measurement of local impedance by an orbit bump method", Nucl. Instr. and Meth. A 525 (2004) 433-438.

34. F. Zimmerman and Tor 0. Raubenheimer, "Longitudinal space charge in final focus systems for linear colliders", SLAC-PUB-7304 (1997).

35. V.E. Blinov et al., "Analysis of errors and estimation of accuracy in the experiment on precise mass measurement of J/psi, psi' mesons and tau lepton on the VEPP-4M collider", NIM A 494 (2002) 68-74.

36. V.V. Danilov et al., "Longitudinal Beam-Beam Effects for an Ultra-High Luminosity Regime", proceedings of РАС 1991, p. 526.

37. O. Anchugov et al., "Record-high Resolution Experiments on Comparison of Spin Precession Frequencies of Electron Bunches Using the Resonant Depolarization Technique in the Storage Ring", proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland 2787-2789.

38. C.A. Никитин, "Исследование спиновых деполяризующих факторов и схем получения продольной поляризации в электрон-позитронном накопителе" кандидатская диссертация, Новосибирск 1995.

39. J.Z. Bai, et al., "Measurement of the mass of the tau lepton", Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 3021.

40. J.Z. Bai, et al., "Measurement of the mass of the tau lepton", Phys. Rev. D53 (1996) 20-34.

41. Э.А. Кураев, B.C. Фадин, "О радиационных поправках к сечению одно-фотонной аннигиляции е+е~-пары большой энергии", Ядерная Физика. 41, 733 (1985).

42. S.A. Nikitin, I.B. Nikolaev, "Dependence of the Electron Beam Polarization Effect in the Intra-beam Scattering Rate on the Vertical Beam Emittance", proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland 1184-1186.

43. A. Grigoriev et al., "Measurement of Beam Polarization in VEPP-3 Storage Ring using Internal Target-based Moeller Polarimeter", proceedings of EPAC, 2004, p. 2730.127

44. S.A. Nikitin, E.L. Saldin, M.V. Yurkov, "Calculation Of The Depolarizing Effect Of The Field Imperfections In Electron Positron Storage Rings", Nucl. Instr. and Meth. A 216 N3 (1983) 317-328.