Поиск процессов прямого рождения С-четных резонансов В е + е- аннигиляции на ВЭПП-2М с детектором СНД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Владимирович

• Васильев, Алексей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Владимирович

Введение

1 Эксперименты на ВЭПП-2М с детектором СНД

1.1 Ускорительный комплекс ВЭПП-2М.

1.2 Детектор СНД.

1.3 Эксперименты МНАО.

1.4 Изучение фоновой загрузки детектора ("наложений")

2 Изучение процесса е+е~ —V тг°77/5,й

2.1 Расчет сечения и моделирование процесса е+е~ —> тг°77/5я

2.2 Отбор событий.

2.2.1 Аппаратный и предварительный отбор событий

2.2.2 Основной отбор событий, фоновые процессы

2.2.3 Учет отбраковки событий в третичном триггере

2.2.4 Анализ спектра инвариантной массы трех фотонов

2.2.5 Эффективность регистрации.

2.3 Аппроксимация сечения.

2.4 Поиск нарушающего С-четность распада ф —у ш-у.

2.5 Оценка систематической ошибки.

3 Поиск прямого рождения аг и Гг-мезонов в е+е~ аннигиляции

3.1 Расчет сечения процессов е+е~ —» аг г]7Г°, е+е~ —f2 —>

7г°7г°.

3.2 Отбор событий.

3.3 Верхние пределы на электронные ширины &2 к {

4 Обсуждение результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поиск процессов прямого рождения С-четных резонансов В е + е- аннигиляции на ВЭПП-2М с детектором СНД»

Метод встречных электрон-позитронных пучков на протяжении десятков лет является одним из наиболее востребованных инструментов исследований в физике элементарных частиц. Его отличительными особенностями по сравнению с другими ускорительными экспериментами (электрон-протонные, протон-протонные, протон-антипротонные, ионные коллай-деры, выведенные пучки) являются высокая степень монохроматичности сталкивающихся пучков, низкий уровень фона, возможность прецизионного изучения эксклюзивных процессов. Традиционные установки со встречными е+е~ пучками позволяют проводить сканирования и измерять сечения электрон-позитронных взаимодействий в широких интервалах энергии сталкивающихся частиц. Например, на установках ВЭПП-2 (ВЭПП-2М) и ВЭПП-4 (ВЭПП-4М) в Новосибирске были получены результаты по е+е~ взаимодействию в области энергии 0,36 < y/s < 1,4 ГэВ и 3 < y/s < 10 ГэВ соответственно, установка ВЕРС в Китае работает в диапазоне энергии 2<х/5<ЗГэВ, LEP (LEP-II) в ЦЕРН (Швейцария) работал при энергии 80 < y/s< 200 ГэВ. Светимость этих установок составляет I/ ~ 1030 см-2с-1.

Новый класс установок со встречными е+ё~ пучками, получивший интенсивное развитие в последнее время, — электрон-позитронные фабрики. Такие установки, как правило, ориентированы на работу в относительно узком интервале энергии сталкивающихся частиц: АЕъеат y/s. Их основное преимущество — высокая светимость, достигающая значений L ~ 10 см с . В настоящее время в области энергии y/s « 777^(1020) с2 работает «^-фабрика DA<Ê>NE во Фраскати (Италия) [1], с 1999 года ведется набор экспериментальной статистики при энергии y/s « тт(4Я)С2 на В-фабриках в SLAC (США) [2] и КЕК (Япония) [3]. Основная цель этих экспериментов — измерение параметров СР-нарушения в системах К- и В-мезонов, спектроскопия семейств кваркониев. Вместе с тем, существует ряд актуальных физических задач, для решения которых важна информация о величине сечения и динамике процессов электрон-позитронной аннигиляции в широком диапазоне энергии начальных частиц, в особенности в области низких и средних энергий < ЮГэВ. К таким задачам, в частности, относятся прецизионное измерение фундаментальных физических констант и параметров Стандартной Модели, изучение сильного взаимодействия при малых энергиях.

Важной величиной, подлежащей учету во многих прецизионных тестах Стандартной Модели, является адронная поляризация вакуума дНайг Возрастающая точность современных экспериментов предъявляет все более высокие требования к точности теоретических расчетов изучаемых процессов и различных поправок к ним. Так, например, в эксперименте £7821 (В]ЧЪ, США) [4] планируется измерение аномального магнитного момента мюона ам = (д^ — 2)/2 с относительной точностью 0,35 ррт [5]. Погрешность расчета а^ в настоящее время определяется, в основном, точностью знания величины адронного вклада в поляризацию вакуума П'16"^ и заметно уступает планируемой экспериментальной точности. Другой пример — прецизионное измерение постоянной тонкой структуры на массе ^-бозона ад£:£)(М|), выполненное в экспериментах на ЬЕР в ЦЕРН. Этот результат позволяет, в частности, установить ограничение на массу бозона Хиггса, для чего требуется знание величины адронного вклада в поляризацию вакуума с точностью лучше 1 % и.

Вычисление поправок, связанных с Л1га(1г; ведется со времени появления квантовой хромодинамики [7]. Тем не менее, в области средних и особенно низких энергий методы, применяемые в пертурбативной КХД, зачастую не позволяют получить необходимую для анализа экспериментальных данных точность расчета. Существует, однако, возможность рассчитать вклад этой области в адронную поляризацию вакуума через дисперсионные соотношения, используя экспериментальные данные о величине полного сечения аннигиляции электрон-позитронной пары в ад-роны. В этом случае точность расчета зависит от экспериментальной погрешности измерения сечения. Так, например, дисперсионный интеграл для расчета адронной поправки aк величине аномального магнитного момента мюона aß на 90 % определяется величиной сечения е+е~ аннигиляции в области энергии 2mir < л/s <2 ГэВ [6]. Другой возможностью определить величину Jlhadr является измерение спектральных функций распадов т-лептона. Расчеты с использованием данных по е+е- аннигиляции и данных по распадам r-лептона, однако, дают различающиеся значения для величины nhadr и требуют уточнения для разрешение этой неопределенности.

Актуальность данных о сечении электрон-позитронной аннигиляции в адроны и величине R = а(е+е~ hadr)[сг(е+е~ /i+/¿~) обусловила широкий экспериментальный интерес к изучению процессов аннигиляции на протяжении десятков лет. Накоплено большое количество данных в разных диапазонах энергии. В области малых и средних энергий весомый вклад внесли эксперименты, выполненные на установках ACO, DCI (Орсэ, Франция), ADONE (Фраскати, Италия), SPEAR, DORIS, PETRA, PEP, ВЭПП-2, ВЭПП-4, CESR и других. Заметный прогресс в повышении точности измерения адронных сечений и величины R в последние годы связан с работами детекторов КМД-2 [8,9] и СНД [10,11,12,13,14,15,16] на коллайдере ВЭПП-2М (Новосибирск), установке ВЕРС(Пекин, Китай) [17]. Вместе с тем, современные экспериментальные данные о величине и поведении адронных сечений в ряде диапазонов энергии либо отсутствуют или недостаточно подробны, либо имеют большую ошибку, либо плохо согласуются между собой. В целом, точность существующих данных недостаточна, и требуются дополнительные измерения адронных сечений.

В последнее время в связи с появлением высокопродуктивных установок, е+е~ фабрик [1,2,3], и планами дальнейшего увеличения их светимости широко обсуждается [18,19,21,20,22] возможность использования для измерения сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны реакции е+е~ -» jfSM 4- hadrons. (0.1)

Здесь 7/5Д — фотон, излученный одной из начальных частиц: электроном или позитроном. В англоязычной литературе для обозначения такого процесса используются термины Initial State Radiation (ISR, излучение начальных частиц) или Radiative Return (RRy радиационный возврат). При реакции (0.1) аннигиляция е+е~ пары и рождение адронной системы происходят при энергии, мёньшей исходной энергии в системе центра масс начальных частиц.

Предложенный метод измерения сечений электрон-позитронной аннигиляции в адроны (0.1) открывает перед экспериментаторами новые возможности. Наиболее важная из них — одновременное проведение измерения сечения во всем спектре инвариантных масс адронной системы, от порога ее рождения до энергии в системе центра масс исходных лепто-нов. Такая экспериментальная постановка позволяет исключить ряд факторов, сопутствующих традиционным постановкам с проведением сканирований. К их числу относятся необходимость перенастройки и оптимизации режимов работы коллайдера при смене рабочей точки по энергии, потребность в регулярном проведении прецизионного измерения энергии пучков, необходимость учета при анализе данных факторов, к которым приводят изменения характеристик детектора и коллайдера по ходу выполнения экспериментальной программы со сканированием. Отсутствие или уменьшение влияния указанных факторов в ISR-подходе, при использовании реакции (0.1), позволяет исключить ряд ситематиче-ских погрешностей.

Вместе с тем, метод радиационного возврата (0.1) обладает рядом особенностей. Во-первых, сечение такого процесса существенно уступает по величине сечению "прямого" рождения адронной системы в электрон-позитронной аннигиляции. Так, например, согласно оценкам в работе [20], количество </>(1020)-мезонов, рожденных на В-фабриках за один экспериментальный год (с интегральной светимостью 100 фб-1), на порядок уступает количеству (^-мезонов, произведенных во время экспериментов на ВЭПП-2М в 1998 году [23]. Другой особенностью процесса (0.1) является пикованность углового распределения излученного начальной частицей фотона 7/5л в области малых углов с осью пучков 9: примерно половина фотонов излучается при в < 1°. Поскольку возможности регистрации частиц под малым углом с осью пучков у большинства детекторов ограничены, возможны две постановки эксперимента: с регистрацией и без регистрации излученного начальной частицей фотона у[ЗЛ. Первый вариант более предпочтителен с точки зрения анализа данных, так как "жестко" фиксирует кинематику события, связывая инвариантную массу адронной системы т^г и энергию "меченого" фотона тХа<1г = ~ 2Я7/мЛ/г); преимущество второго варианта — большая экспериментальная статистика.

Важной частью КЛ-подхода является разработка методов расчета сечений процессов вида (0.1) и, в частности, вычисления радиационных поправок к ним, которые обеспечивали бы требуемую точность при проведении измерений. Под радиационными поправками для экспериментов по е+е~ аннигиляции в современном подходе принято понимать отличие процесса, описываемого борновской, "голой" диаграммой, и реального взаимодействия. Основными источниками радиационных поправок являются излучение реальных фотонов и е+е~ пар начальными частицами, а также внутренние петли электронных линий и вершины (лептонная поляризация вакуума), излучение конечных частиц, адронная поляризация вакуума для фотонного пропагатора. Необходимость в улучшении учета радиационных поправок в традиционных экспериментах по измерению адронных сечений в е+е~ аннигиляции возрастала по мере повышения точности измерений. Разработанные к настоящему времени методы расчета радиационных поправок для борновских аннигиляционных диаграмм позволяют учитывать поправки, связанные с излучением начальных частиц, с точностью < 1 % для области энергии л/е> ~ 1 ГэВ [24,25,26]. Тем не менее, даже такая высокая точность в значительной степени определяет систематическую погрешность измерения сечения в наиболее прецизионных экспериментах. Так, например, в недавней работе по измерению форм-фактора 7Г-мезона с детектором КМД-2 на ВЭПП-2М [8] точность расчета радиационных поправок составила 0,4% при полной систематической ошибке 0,6%. Универсальные и сравнимые по точности формулы для процессов вида (0.1) отсутствуют; точность, которую может обеспечить применение для таких процессов расчетов на основе работ [24,25,26], зависит от условий применения (экспериментальной постановки) и подлежит специальному изучению для конкретного случая [18,19,21,22].

Как и в традиционных е+е~ экспериментах, при использовании метода радиационного возврата одной из важных задач является измерение светимости. Данные о светимости используются при измерении сечения для нормировки количества зарегистрированных событий изучаемого процесса, что предполагает высокую, <1 %, точность измерения светимости в прецизионных экспериментах. Обычно для определения светимости используют процессы, которые точно описываются в рамках квантовой электродинамики и надежно измеряются детектором. Наиболее распространено использование процесса упругого рассеяния электрона и позитрона (ВЬаЬЬа-рассеяние) на большие углы, процесса двухбайтовой аннигиляции е+е~ пары, а также реакции е+е~ —> При ГЗЯ-подходе удобно использовать дифференциальную светимость, "приходящуюся" на определенный диапазон инвариантных масс рождающейся в 18Г1-процессе (0.1) адронной системы А т^агопв- Дифференциальная светимость определяется из обычной светимости I¿(б), измеренной в эксперименте, и расчитанной по квантовой электродинамике вероятности И^7^, М^Г0П5) аннигиляции е+е~ пары за счет излучения Ш-фотонов при энергии § € АтЫгш5: А /¿(т^^)/Л тШгт8 = тНайгопв • Другая возможность — использование для нормировки процесса е+е~ —>■ Сечение этого процесса с высокой точностью рассчитывается в рамках КЭД, а большинство современных детекторов эффективно регистрируют и измеряют параметры мюонов в конечном состоянии. При этом, в силу кинематической схожести этого процесса с изучаемым (0.1), исключается ряд систематических ошибок, связанных с постановкой эксперимента.

Первые предварительные экспериментальные результаты по измерению адронных сечений при помощи реакции (0.1) получены на детекторах КЬОЕ [27,28,29] и ВаВаг [30]. Работы КЬОЕ основаны на статистике, соответствующей интегральной светимости 16,4 пб-1 при энергии у/Ц « т^(1020)с2) и посвящены измерению форм-фактора 7г-мезона. В работе ВаВаг на основе 22 фб-1 при энергии & ту^с2 рассмотрено несколько конечных состояний с инвариантной массой до нескольких ГэВ/с2. Результаты измерений качественно согласуются с современными экспериментальными данными по а в некоторых диапазонах энергии имеют наименьшую среди всех результатов статистическую ошибку. Эти работы демонстрируют перспективность использования метода радиационного возврата на электрон-позитронных фабриках для измерения сечений и спектроскопии легких мезонов при полной проектной интегральной светимости.

В представленной работе проведено измерение сечения процесса е+е~ тг°77/5л, М^) < 950МэВ/с2 (0.2) в диапазоне энергии -^/«=0,984-1,38 ГэВ с детектором СНД. Здесь М^о^ — инвариантная масса системы (тг07). Как следует из кинематики процесса (0.2), в пренебрежении радиационными поправками, кроме 7/5Д, М(7р07) = — массе отдачи ¡БЯ-фотона. Основной методической целью этой работы является экспериментальное изучение методики измерения адронных сечений при помощи реакции (0.1) и перспектив ее использования, в том числе с детектором СНД [31] в экспериментах на ВЭПП-2000 [32]. Другой целью работы является проверка квантовой электродинамики и модели векторной доминантности при описании процессов электрон-позитронной аннигиляции в адроны в области энергии уГв <1 ГэВ.

Процесс (0.2) обладает рядом особенностей, которые делают актуальным его изучение на детекторе СНД. Во-первых, у этого процесса достаточно большое, масштаба сотен пикобарн, сечение в области энергии, где набрана значительная часть экспериментальной статистики с детектором СНД. Во-вторых, в связи отсутствием заряженных частиц нет излучения в конечном состоянии, что облегчает описание изучаемого процесса. В-третьих, детектор СНД, обладая хорошо гранулированным электромагнитным калориметром с высоким угловым и энергетическим разрешением, оптимизирован для эффективного изучения нейтральных конечных состояний. В четвертых, процесс (0.2) является фоновым для многих процессов с нейтральными частицами в конечном состоянии, изучаемых в экспериментах с СНД, в том числе для выполнявшегося в данной работе поиска редких процессов прямого рождения С-четных мезонов в е+е~ аннигиляции [33] (см. главу 3). Наконец, применяемые в настоящей работе методы анализа в силу кинематической схожести событий могут быть использованы при изучении реакций двухфотонного рождения нейтральных частиц и для измерения методом радиационного возврата сечений других процессов как при анализе данных, записанных в экспериментах с детектором СНД на ВЭПП-2М, так и в новых экспериментах, планируемых на коллайдере ВЭПП-2000.

Основной целью настоящей работы является поиск процессов прямого рождения С-четных мезонов М+ в электрон-позитронной аннигиляции в реакциях вида: е+е~ 7*7* -> М+, где М+ = £2(1270), а2(1320). Исследование таких процессов служит инструментом для изучения лептон-ных распадов — одной из разновидностей электромагнитных распадов С-четных мезонов.

Электромагнитные распады адронов представляют большой интерес как важный источник информации о структуре адронных систем и свойствах их взаимодействия с фотонами. Эти распады являются более простыми и поддаются более определенной теоретической интерпретации с использованием методов квантовой электродинамики, нежели чисто ад-ронные взаимодействия, особенно в области низких энергий. Эта особенность превращает электромагнитные распады в полезный и востребованный инструмент по проверке различных теорий и подходов по описанию физики легких адронов.

Одно из основных применений исследований таких распадов — изучение электромагнитных форм-факторов, характеризующих пространственное распределение зарядов и "намагниченность" мезонов, то есть их электромагнитную структуру. Испускаемый при распаде мезона фотон с виртуальностью q2 "содержит" информацию о строении этого мезона на размерах г2 ~ • Из сравнения экспериментального спектра по величине о2 изучаемого распада и рассчитанного по квантовой электродинамике для бесструктурного (точечного) мезона можно определить его пространственную электромагнитную структуру — форм-фактор Р(д2).

Спектр моделей, в которых рассчитываются электромагнитные форм-факторы мезонов, достаточно широк. Одной из наиболее распространенных при описании распадов легких мезонов в области малых передач д (по сравнению с характерным адронным масштабом) является модель векторной доминантности (МВД) и ее обобщения, в которых взаимодействие фотонов с адронами происходит через виртуальные векторные мезоны. При расчете в рамках МВД в области малых значений д2 форм-фактор имеет наклон <1¥^2)/<1д2 и 1/А2, где 1/А ~ 1/тр(770) характеризует размер, "ответственный" за наблюдаемый электромагнитный распад мезона. Подробный обзор предсказаний моделей форм-факторов для различных радиационных распадов приведен в работе [34].

Для изучения электромагнитных форм-факторов нейтральных мезонов существуют разные экспериментальные возможности. Одной из наиболее эффективных является изучение спектров инвариантной массы лептонных пар в конверсионных распадах вида М+ —1+1~7. К настоящему времени в такой экспериментальной постановке проведены, например, измерения форм-факторов для процессов 1г°,г) —> е+е~7, 77,77/

7 в широком интервале переданных импульсов во времениподобной области < д2 < 1ГэВ2, результаты которых, в целом, согласуются с расчетами в МВД. Другой возможностью для изучения электромагнитных форм-факторов служат процессы двухфотонного рождения мезонов на е+е" пучках вида е+е~ —е+е~7*7* —>■ е+е~М+, е+еМ1ьА^,., которые позволяют проводить измерения в пространственноподобной области (д2 <0) и, таким образом, дополняют данные, доступные из конверсионных распадов. К сожалению, возможности современных е+е~ установок пока недостаточны для прецизионного измерения электромагнитных форм-факторов легких мезонов в двухфотонных процессах, а 77-коллайдеры — инструмент будущего. е

Рис. 1: Диаграмма, описывающая процесс прямого рождения С-четного резонанса М+ в электрон-позитронной аннигиляции.

Поиск и исследование процессов прямого рождения С-четных мезонов в е+е~~ аннигиляции (рис. 1) — процессов, обратных лептонным распадам мезонов — является еще одной экспериментальной возможностью для изучения электромагнитной структуры этих мезонов. Распады С-четных мезонов М+ на лептонную пару М+ —>> 1+1~ представляют собой электромагнитные процессы четвертого порядка, тесно связанные с электромагнитными процессами второго и третьего порядков: двухфотонными М+ 77 и конверсионными М+ —)• 1+1~у распадами. Амплитуда распада М+ —У 1+1~ состоит из мнимой (X) и действительной (У) частей. Мнимая часть амплитуды выражается с использованием соотношения унитарности через амплитуду двухфотонного распада мезона М+ —77 и определяет нижнюю границу относительной вероятности распада М+ на лептонную пару, называемую унитарным пределом. Действительная часть амплитуды распада М+ -» 1+1~ описывает структуру вершины М+ —7*7*. При расчетах в предположении точечной вершины распада величина действительной части амплитуды логарифмически расходится, поэтому необходимо ввести обрезание, определяемое структурой вершины М+ -> 7*7*-перехода — форм-фактором F(q\\ g2; m2M+).

Полная величина относительной вероятности лептонного распада Счетного мезона М+ описывается выражением:

В(М+ /+Г) - В(М+ 1+Г) • f 1 + . (0.3) unit \ | У | /

В унитарном пределе вероятность лептонного распада тензорного мезона примерно в 1/а2 ~104 раз меньше вероятности его двухфотонного распада. В частности, для легких тензорных мезонов /2(1270) и а2(1320), используя соотношение унитарности из работы [35] и современные экспериментальные данные по их двухфотонным ширинам [36], можно получить оценку нижней границы электронной ширины:

Г(а2(1320) -> е+е~) = ?а2Г(а2(1320) 77) « 1 • 102эВ (0.4) unit 9

Г(/2(1270) е+е~) = ? а2 Г(/2(1270) 77) « 3 • НГ2эВ (0.5) unit 9

Для вероятности распадов скалярных и псевдоскалярных мезонов на е+е~ пару из-за малой массы электрона дополнительно есть сильное подавление по спиральности (те/М+)2 Это обстоятельство выделяет тензорные состояния среди других легких С-четных мезонов, делая попытки их поиска в е+е~ экспериментах наиболее перспективными.

Экспериментальное изучение лептонных распадов С-четных мезонов в связи с их чрезвычайно малой относительной вероятностью сопряжено со значительными трудностями. К настоящему времени получены достоверные экспериментальные данные лишь по двум распадам псевдоскалярных мезонов: 77 —> и 7г° —У е+е~. Их относительные вероятности измерены с точностью около 15 % [36] и 8% [37] соответственно, а полученные значения переходных форм-факторов невелики (|Х|2/|У|2 < 0,5), и, в основном, согласуются с предсказаниями модели векторной доминантности.

Единственная попытка измерения электронных ширин легких Счетных мезонов в экспериментах по их прямому рождению на е+е~ пучках (рис. 1) была предпринята с Нейтральным Детектором [38] на коллайдере ВЭПП-2М [39] более 15 лет назад. При анализе использовались экспериментальные данные, записанные в области энергии 0,5 < л/в < 1,4 ГэВ с интегральной светимостью 19 пб-1. Поиск процессов с рождением скалярных ао(980), £о(980), ^(1300) и тензорных а2(1320), £2(1270) мезонов осуществлялся в каналах с их распадами на тг°г), 7г07г° с четырьмя фотонами в конечном состоянии. В результате анализа данных не был обнаружен сигнал от искомых процессов, и были установлены верхние пределы на относительные вероятности электронных распадов мезонов, которые на 2-3 порядка для тензорных мезонов (0.4) и на 5-6 порядков для скаляров превышают расчеты в унитарном пределе [40,41].

Настоящая работа продолжает поиск процессов прямого рождения тензорных мезонов на встречных е+е~ пучках. Как и в экспериментах с детектором НД, для поиска используются реакции с чисто нейтральными, четырехфотонными конечными состояниями: е+е~ —» а2(1320) —»• 777Г0, (0.6) е+е~ /2(1270) 7г°7г° (0.7) с последующими распадами псевдоскалярных мезонов на два фотона: г), 7г° —)■ 77. Большой объем экспериментальной статистики, записанной с детектором СНД в области энергии д/з ~ гпаъ^с2, высокая эффективность регистрации детектором многофотонных событий, чистые фоновые условия для процессов с нейтральным конечным состоянием позволяют надеяться на существенное улучшение результатов НД и, возможно, первое обнаружение процессов прямого рождения С-четного мезона в е+е~ аннигиляции.

Несмотря на достаточно разные физические задачи, решаемые в настоящей работе при изучении процессов (0.6, 0.7) и (0.2), эти реакции имеют близкую структуру. Во всех процессах происходит аннигиляция е+е~ пары на два фотона, виртуальных или реальных, и вне зависимости от промежуточной динамики процессов (0.6, 0.7, 0.2) рассматривается четырехфотонное конечное состояние. Возможность прецизионного изучения процессов с большим количеством фотонов в конечном состоянии является отличительной особенностью детектора СНД, основной частью которого является уникальный калориметр на основе кристаллов Ка1(Т1) (см. подробнее разд. 1.2). Исследование таких процессов, в частности радиационных распадов ф —» ао(980) 7, Го(980) 7, 777,7г°7 [11,14,42,43,44], распада ф К3К£ [45], аннигиляции е+е~ —>• о;7г° —7г°7г1)7 [10,12], стало одной из наиболее важных экспериментальных задач, успешно решенных и решаемых с детектором СНД. В этой связи изучение многофотонных процессов с относительной большой величиной сечения, в частности, реакции (0.2), служит источником информации о фоне, позволяет получить дополнительные, независимые данные о систематических эффектах, усовершенствовать методику анализа данных.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе дано описание ускорительного комплекса ВЭПП-2М и Сферического Нейтрального Детектора, на котором были получены использованные в настоящей работе данные. Рассмотрено проведение экспериментов в области энергии выше (^-мезонного резонанса, обработка экспериментальных данных. Проведено изучение фоновой загрузки детектора при проведении эксперимента, описана процедура учета фоновой загрузки при обработке моделирования в анализе данных СНД.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Васильев, Алексей Владимирович

Основные результаты, полученные в настоящей работе, состоят в следующем:

1. Проведены эксперименты с детектором СНД на электрон-позитрон-ном коллайдере ВЭПП-2М по изучению процессов электрон-пози-тронной аннигиляции в области энергии выше резонанса $(1020) до 1,4 ГэВ в системе центра масс с полной интегральной светимостью Ix ~ 9пб-1. Осуществлена предварительная обработка ("перекачка") экспериментальных данных и их подготовка для физического анализа.

2. Изучено влияние фоновой загрузки детектора ("наложений") от частиц, выбывающих из пучков, на регистрацию событий и их реконструкцию. Разработана и используется в анализе данных СНД процедура учета фоновых срабатываний детектора.

3. Измерено сечение процесса радиационного возврата е+е~ —> 7r°77,SR, М(„-о7) < 950 МэВ , (7,sr — излученный начальным электроном фотон) в интервале энергии 0,98 ГэВ< y/s <1,38 ГэВ. Величина сечения в области резонанса $(1020) составила а — (0,427 ± 0,033 ± 0,030) нб. Результат измерения согласуется с расчетами по квантовой электродинамике и модели векторной доминантности. Продемонстрирована перспективность метода радиационного возврата для измерения адронных сечений в е+е~ аннигиляции, в том числе на ВЭПП-2М и ВЭПП-2000.

4. Установлен верхний предел на относительную вероятность нарушающего С-четность распада $(1020) —\ и>у: В(ф сиу) < 9,1 • 10~3 на уровне достоверности 90 %. Полученный результат в 6 раз улучшает существующее экспериментальное ограничение.

5. Проведен поиск процессов прямого рождения тензорных С-четных мезонов а2(1320) и Í2(1270) в электрон-позитронной аннигиляции. Установлены верхние пределы на величины относительной вероятности распадов а,2 и Гг-мезонов на электрон-позитронную пару: В(о2 е+е~) < 5,2 • 10~9, В(/2 е+е~) < 5,7 • 10~10 на уровне достоверности 90%. Полученные результаты в 45 и 15 раз улучшают современные экспериментальные ограничения на электронные ширины &2 и Гг-мезонов соответственно.

В заключение я благодарю всех своих коллег, сотрудников Института, без участия которых выполнение настоящей работы было бы невозможно, и прежде всего руководителя команды Сферического Нейтрального Детектора, моего научного руководителя и учителя Сергея Ивановича Середнякова за постоянное внимание, поддержку и руководство работой. Благодарю своих старших коллег, ведущих физиков группы СНД Владимира Прокопьевича Дружинина, Владимира Николаевича Иванченко и Сергея Вячеславовича Бурдина, постоянное общение с которыми позволило мне приобрести большой опыт и бесценные знания, приобщиться к искусству проведения современного эксперимента в физике высоких энергий. Я благодарен за многолетнюю совместную работу, многочисленные полезные обсуждения и неоценимую помощь своим коллегам: Владимиру Борисовичу Голубеву, Зурабу Карловичу Силагадзе, Елене Валентиновне Пахтусовой, Александру Дмитриевичу Букину, Михаилу Николаевичу Ачасову, Александру Аркадьевичу Королю, Дмитрию Александровичу Букину, Вячеславу Валерьевичу Шарому, Сергею Владимировичу Кошубе и многим другим, всем тем, кто создавал детектор СНД и участвовал в экспериментах с ним. Проект СНД не был бы реализован без поддержки и постоянного внимания заведующего объединенной лабораторией Вениамина Александровича Сидорова, научного руководства Института. Особую благодарность выражаю всей команде комплек

- 109 са ВЭПП-2М, обеспечившей на протяжении многих лет успешное проведение экспериментов, и прежде всего Юрию Михайловичу Шатунову, Ивану Александровичу Коопу и Петру Михайловичу Иванову. Я признателен также Владимиру Романовичу Трошеву, Александру Евгеньевичу Бондарю и Семену Исааковичу Эйдельману за их участие и полезное сотрудничество. Благодарю Ольгу Феликсовну Литвинову за помощь в редактировании рукописи.

При подготовке настоящей рукописи использовалась издательская система LATEX [70].

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Васильев, Алексей Владимирович, 2003 год

1. KLOE Collaboration. // LNF-92/019 (1.) (1992); LNF-93/002 (IR) (1993).

2. The BABAR detector. J ВaBar Collaboration. // Nucl. Instr. and Meth. A 479 (2002) 1.

3. The Belle Detector. / Belle Collaboration. // Nucl. Instr. and Meth. A 479 (2002) 117.

4. Improved measurement of the positive muon anomalous magnetic moment. / H. N. Brown, G. Bunce, R. M. Carey et al. // Phys. Rev. D 62 (2000) 091101.

5. Проект детектора КМД-2М. / В. M. Аульчепко, Р. Р. Ахметшин, В. Ш. Банзаров и др. // Препринт ИЯФ 2001-45, Новосибирск, 2001.

6. Confronting Spectral Functions from e+e~ Annihilation and r Decays: Consequences for the Muon Magnetic Moment. / M. Davier, S. Eidelman, A. Hooker and Z. Zhang. (/ hep-ph/0208177.

7. Pion form factors from possible high-energy electron-positron experiments. / N. Cabibbo and R. Gatto. // Phys. Rev. Lett. 4 (1960) 313.

8. Electron-Positron Colliding Beam Experiments. / N. Cabibbo and R. Gatto. 11 Phys. Rev. 124 (1961) 1577.

9. R. R. Akhmetshin, E. V. Anashkin, M. Arpagaus et al (CMD-2 Collaboration). // Phys. Lett. В 466 (1999) 392.

10. Процесс e+e~ —У 7Г°7Г°7 при энергии ниже 1.0 ГэВ. / М. Н. Ачасов, К. И. Белобородое, А. В. Бердюгин и др. // Письма в ЖЭТФ, том 71, №9 (2000) 519.

11. The е+е~ ->• 7Г°7Г°7 process below 1.0 GeV. / М. N. Achasov, К. I. Beloborodov, А. V. Berdyugin et al. // JETP Letters, vol. 71, №9 (2000) 355.

12. Experimental study of the e+e~ -» 7r°7 process in the energy region y/s=0.60-0.97GeV. / M. N. Achasov, K. L Beloborodov, A. V. Berdugin et al. // Phys. Lett. В 559 (2Ь003) 171, hep-ex/0302004.

13. Изучение процесса e+e~ —» 7г°7 в области энергии -\/i=0.6-1.0 ГэВ. / М. N. Achasov, К. I. Beloborodov, А. V. Berdyugin et al. // Preprint Budker INP 2001-54, Novosibirsk, 2001.

14. Measurements of the parameters of the 0(1020) resonance through studies of the processes e+e~*K+K~, К$Кь, and 7г+7г~7г°. / M. N. Achasov, К. I. Beloborodov, A. V. Berdyugin et al. // Phys. Rev. D-63 (2001) 072002.

15. The process e+e~ о;7Г° ->• 7Г°7Г°7 up to 1.4 GeV. / M. N. Achasov, К. I. Beloborodov, A. V. Berdyugin et al // Phys. Lett. В 486 (2000) 29-34; hep-ex/0005032.

16. Study of the process e+e" —У 7г+7г~7г° in the energy regioni/s from 0.98to 1.38 GeV. / M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, К. I. Beloborodov et al // Phys. Rev. D 66 (2002) 032001; hep-ex/0201040.

17. Исследование процессов e+e~ —» 47г в области энергии 0,98-1,38 ГэВ с детектором СНД. / М. Н. А часов, С. Е. Бару, К. И. Белобородое и др. // Препринт ИЯФ 2001-34, Новосибирск, 2001.

18. Measurements of the Cross Section for e+e~ —» hadrons at Center-of-Mass Energies from 2 to 5 GeV. / J. Z. Bai et al (BES collaboration). //Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 101802; hep-ex/0102003.

19. Hadronic Cross Sections in Electron-Positron Annihilation with Tagged Photon. / A. B. Arbuzov, E. A. Kuraev, N. P. Merenkov and L. Trentadue. // hep-ph/9804430.

20. Measuring cr(e+e~ -4 hadrons) using tagged photon. / S. Binner, J. H. Kühn, K. Melnikov. // Phys. Lett. В 459 (1999) 279; hep-ph/9902399.

21. Spectroscopy at B-factories using hard photon emission. / M. Benayoun, S. I. Eidelman, V. N. Ivanchenko and Z. K. Silagadze. // Mod. Phys. Lett. A, Vol. 14, №37 (1999) 2605.

22. Scanning of hadron cross-section at DAFNE by analysis of initialstate radiative events. / M. Konchatnij, N. P. Merenkov. // hep-ph/9903383.

23. The radiative return at small angles: virtual corrections. / Johann H. Kühn, Germán Rodrigo. // Eur. Phys. J. C25 (2002) 215; hep-ph/0204283.

24. Experiments at VEPP-2M with SND detector. / M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, S. E. Baru et al. // Preprint Budker INP 98-65, Novosibirsk, 1998.

25. Hard photon emission in e+e~ reactions. / G. Bonneau, F. Martin. // Nucl. Phys. В 27 (1971) 381.

26. Quasi-real electron method in high energy quantum electrodynamics. / V. N. Baier, V. S. Fadin and V. A. Khoze. // Nucl. Phys. В 65 (1973) 381.

27. О радиационных поправках к сечению однофотонной аннигиляции е+е~-пары большой энергии. / Э. А. Кураге, В. С. Фадин. // Ядерная физика, т. 41, вып. 3 (1985) 733.

28. Measuring the hadronic cross section at KLOE using the radiative return. / A. Aloisio, F. Ambrosino, A. Antonelli et al (The Kloe Collaboration). // Contributed Paper to "Lepton Photon 2001" Conference, Rome, July 23-28 2001; hep-ex/0107023.

29. Measurement of hadronic cross section at KLOE. / The Kloe Collaboration presented by В. Valeriani. // hep-ex/0205046.

30. SND Upgrade. / G. N. Abramov, M. N. Achasov, V. M. Aulchenko et al. I/ Invited talk at "e+e- Physics at Intermediate

31. Energies Workshop", SLAC, Stanford, California, April 30 -May 2, 2001, hep-ex/0105093.

32. Проект модернизации детектора СНД для экспериментов на ВЭПП-2000. / Г. Н. Абрамов, В. М. Аульченко, М. Н. Ачасов и др. // Препринт ИЯФ 2001-29, Новосибирск, 2001.

33. Project of a new electron-positron collider VEPP-2000. / Yu. M. Shatunov et al. // Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, p. 439.

34. Search for direct production of a2(1320) and f2(1270) mesons in e+e~ annihilation. / M. N. Achasov, S. E. Ваги, К. I. Beloborodov et al. // Phys. Lett. В 492 (2000) 8; hep-ex/0009048.

35. Электромагнитные лептонные распады и структура легких мезонов. / JI. Г. Ландсберг. // Успехи физических наук, том 146, вып. 2 (1985) 185.

36. О возможности изучения на встречных электрон-позитронных пучках резонансов с положительной зарядовой четностью. / А. И. Вайнштейн, И. Б. Хриплович. )} Ядерная физика, т. 13, вып. 3 (1971) 620.

37. Review of Particles Physics / Particle Data Group. // The European Physical Journal C, V.3, №1-4 (1998).

38. Measurement of the branching ratio of n° ~¥ e+e~ using Кl —> 37r° decays in flight. / E799-Il/KTeV Collaboration. // Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 922; hep-ex/9903007.

39. The Neutral Detector at VEPP-2M. / V.B.Gohbev, V. P. Druzhinin, V. N. Ivanchenko et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 227 (1984) 467.

40. Верхние пределы электронных ширин С-четных мезонов г)Г, fo(975), f2(1270), f0(1300), а0(980), а2(1320). / П. В. Воробьев, В. Б. Голубев, С. И. Долинский и др. // Ядерная физика, т. 48, вып. 2(8) (1988) 436.

41. Summary of experiments with the Neutral Detector at the e+e~ storage ring VEPP-2M. / S. I. Dolinsky, V. P. Druzhinin, M. S. Dubrovin et al// Phys. Rept. 202 (1991) 99.

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

43. New data from SND detector in Novosibirsk. / M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, К. I. Beloborodov et al. // Talk given at the Eigth International Conference on Hadron Spectroscopy, Beijing, August 24-28, 1999; Nucl. Phys. A 675 (2000) 391.

44. Review of experimental results from SND detector. / M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, К. I. Beloborodov et al. // Talk given at the IX International Conference on Hadron Spectroscopy, Protvino, Russia, August 25 September 1, 2001; hep-ex/0109035.

45. Upper limit on the Ks 37г° decay. / M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, A. V. Berdyugin et al // Phys.Lett. В 459 (1999) 674.

46. The 75 kG superconducting wiggler for the electron-positron storage ring VEPP-2M. / V. V. Anashin, I. B. Vassermann, A. M. Vlasov et al. // Preprint Budker INP 84-123, Novosibirsk, 1984.

47. A Cryogenic Magnetic Detectorfor storage ring experiments. / L. M. Barkov, G. A. Blinov, V. S. Okhapkin et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 204 (1983) 379.

48. Spherical Neutral Detector for VEPP-2M Collider. / M. N. Achasov, V. M. Aulchenko, S. E. Baru et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 449 (2000) 125; hep-ex/9909015.

49. Сферический нейтральный детектор (СНД) для электрон-позитрон-ного накопителя ВЭПП-2М. / В. М. Аульченко, М. Н. Ачасов, С. Е. Вару и др. // Препринт ИЯФ 99-16, Новосибирск, 1999.

50. Data acquisition system and triggers for the detectors in INP. / V. M. Aulchenko, B. 0. Baibusinov, S. E. Baru et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 409 (1998) 639.

51. Первичный триггер детектора СНД на ВЭПП-2М. / Д. А. Букин, Ю. С. Великжанин, В. Б. Голубее и др. // Препринт ИЯФ 98-29, Новосибирск, 1998.

52. The SND calorimeter first level trigger. / D. A. Bukin, Т. V. Dimova, V. P. Druzhinin et al. // Nucl. Instr. and Meth. A 379 (1996) 545.

53. HBOOK User Guide Version 4. / R. Brun, D. Lienart. // CERN Program Library Y 250 (1988).

54. PAW — physics analysis workstation. / R. Brun et al. 11 CERN Program Library Q 121 (1989).

55. Function minimization and error analysis. / F. James, M. Roos. // CERN Program Library D 506 (1989).- 117

56. Архив экспериментальных данных. / А. А. Король. // Препринт ИЯФ 94-62, Новосибирск, 1994.

57. СОСНА — пакет программ для структурирования экспериментальных данных. / В. Н. Иванченко. // Препринт ИЯФ 94-25, Новосибирск, 1994.

58. Гистограммная программа GIST. / А. Д. Букин, В. Н. Иванченко. // Препринт ИЯФ 93-81, Новосибирск, 1993.

59. Пакет программ аппроксимации сечений в эксперименте СНД. / А. В. Боженок, Д. А. Букин, В. Н. Иванченко и др. 11 Препринт ИЯФ 99-103, Новосибирск, 1999.

60. UNIMOD2 the universal Monte Carlo code. / A. D. Bukin, N. A. Grozina, V. N. Ivanchenko, K. Hanfigen. // Preprint Budker INP 92-93, Novosibirsk, 1992.

61. Status of the experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M in Novosibirsk. / M. N. Achasov, M. G. Beck, P. M. Beschastnov et al ¡I Preprint Budker INP 96-47, Novosibirsk, 1996.

62. Experiments with the SND Detector at the e+e" Collider VEPP-2M in Novosibirsk. / M. N. Achasov, К. I. Beloborodov, A. V. Berdyugin et al. II Proceeding of the Seventh International Conference on Hadron Spectroscopy, Upton, NY, August 1997.

63. Изучение процессов e+e~ —» а;7г° и e+e~ —7г°7г°7 в области энергии ниже 1.4 ГэВ. / В. П. Дружинин. // Диссертация на соискание ученой степени доктораа физико-математических наук, Новосибирск, 2000.

64. Проблема $ —w-смешивания. / Н. Н. Ачасов, М. С. Дубровин, В. Н.- 118

65. Иванченко и др. // Ядерная физика, т. 54, вып. 4(10) (1991) 1097.

66. Transverse energy profile of electromagnetic shower. / A. V. Bozhenok, V. N. Ivanchenko, Z. K. Silagadze. // Nucl. Inst, and Meth. A 379 (1996) 507.

67. Possible three-photon couplings. / C. L. Basham and P. K. Kabir. // Phys. Rev. D, Vol. 15, Ml (1977) 3388.

68. Production Properties and Decay Modes of the ф Meson. / J. S. Lindsey, G. A. Smith. If Phys. Rev. 147 (1966) 913.

69. Search for rare ф decays in 7г+7г~7 final state. / R. R. Akhmetshin, G. A. Aksenov, E. V. Anashkin et al (CMD-2 Collaboration). // Phys. Lett. В 415 (1997) 452.

70. First observation of the ф —> 7Г+7Г~ decay. / R. R. Akhmetshin, E. V. Anashkin, M. Arpagaus et al. (CMD-2 Collaboration). // Phys. Lett. В 462 (1999) 371; hep-ex/9907005.

71. С Violation in Electromagnetic Interactions / H. S. Mani and R. Ramachandran. // Phys. Rev. D, Vol. 7, №5 (1973) 1491.

72. О возможности изучения электромагнитных свойств нейтральных пионов в экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках. / А. А. Бельков, Э. А. Кураев, В. Н. Первушин. // Ядерная физика, т. 40, вып. 6(12) (1984) 1483.

73. Издательская система LATEX-2e. / И. А. Котельников, П. 3. Че-ботаев. // Сибирский хронограф, Новосибирск, 1998.