Процесс e+e- → ηγ в области энергий 0.6-1.4 ГЭВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Бердюгин, Алексей Викторович

• Бердюгин, Алексей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бердюгин, Алексей Викторович

Введение

Глава 1. Ускоритель ВЭПП-2М и детектор СНД.

1.1. Электрон-позитронный комплекс ВЭПП-2М

1.2. Сферический Нейтральный Детектор (СНД).

1.3. Проведение эксперимента.

Глава 2. Моделирование экспериментов на детекторе СНД

2.1. ЮТМОБ

2.2. Основные принципы ЮТМСШ.

2.3. Схема работы ШГМОБ.

2.4. Генераторы параметров частиц для 1Ш1МСШ

Глава 3. Анализ сечения процесса е+е~ —> 777.

3.1. Выделение событий изучаемого процесса.

3.2. Определение эффективности регистрации событий

3.3. Систематические ошибки.

3.4. Параметризация сечения процесса е+е~ —>

3.5. Аппроксимация экспериментальных данных

Глава 4. Анализ матричного элемента распада 77 —» Зтг

4.1. Отбор событий для анализа диаграммы Далитца

4.2. Параметризация матричного элемента распада 77 —>• 37г°

4.3. Определение эффективности регистрации событий

4.4. Аппроксимация экспериментальных данных

Глава 5. Обсуждение результатов.

5.1. Сечение е+е~ —> т/7 и его аппроксимация.

5.2. Результаты по матричному элементу распада г] —> Зтг

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процесс e+e- → ηγ в области энергий 0.6-1.4 ГЭВ»

Эксперименты на встречных электрон-позитронных пучках являются уникальным источником информации о свойствах векторных мезонов. С 1974 по 2000 год в Институте ядерной физики им. Будкера велись эксперименты на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М. Интервал рабочих энергий ВЭПП-2М, 0.36-1.4 ГэВ, перекрывает области рождения р, ш и ф резонансов, а также захватывает часть энергетического диапазона, в котором находятся их возбужденные состояния.

Данная работа посвящена измерению сечения процесса е+е- —> щ в экспериментах с детектором СНД, проводившихся на коллайдере ВЭПП-2М в период с 1996 по 2000 год. В области энергий ВЭПП-2М это сечение, в основном, насыщается вкладами р,ш,ф резонансов и хорошо описывается в рамках модели векторной доминантности (МВД). Это позволяет извлечь из экспериментальных данных значения ширин распадов этих резонансов. Измерения радиационных распадов векторных мезонов р , и , ф тс0/у , 777 проводятся уже более 40 лет в нескольких десятках экспериментов [1]. Однако, дальнейшее улучшение точности измерений вероятностей этих распадов по-прежнему является важным для проверки различных теоретических концепций: кварковой модели, 811(3) симметрии, векторной доминантности [2-4]. В последнее время радиационные распады с конечным состоянием 7/7 исследовались теоретически в контексте линейной сигма модели [5], с использованием правила сумм КХД [6] и в рамках нерелятивистской кварковой модели [7].

Другой интересной теоретической проблемой при высокой точности данных о радиационных распадах векторных мезонов является проблема смешивания г] и ^'-мезонов. При уточнении экспериментальных данных оказалось, что традиционная схема с использованием одного угла смешивания в октет-синглетном базисе не работает. Было разработано описание с помощью более сложной схемы с двумя углами смешивания [8], а также схемы смешивания состояний с определенным кварковым ароматом >== |ии + йй > /\/2, >= >), в которой для описания данных достаточно одного угла (рр [9, 10]. С использованием последней схемы в простой кварковой модели было получено хорошее описание всех радиационных переходов между векторными и псевдоскалярными мезонами из легких кварков [11]. Из экспериментальных данных по распадам р , ш , ф Г)7, полученных в этой работе [12], недавнего измерения КЬОЕ распада ф —► 7/7 [13] и табличных данных по распадам т/ —> рт) , о>7 [1] определено значение угла смешивания <р>р — (42.7 ± 0.7)°. Наличие значительного вклада глюония в волновой функции т/-мезона, провозглашенное в [13], не подтвердилось. Следует отметить, что наметилось противоречие между величиной угла смешивания, полученного по радиационным распадам легких мезонов, и значениями, полученными при более высоких энергиях. Так из недавнего измерения отношения ширин распадов J/ф —»7/7 и З/ф —> 777 [14] следует р>р = (38.8±1.2)° [9], а из анализа переходных форм-факторов для 77* —> г), п' — (рр = (38.0±1.0±2.0)° [15]. Это противоречие еще не анализировалось теоретически.

Первые измерения радиационных распадов легких векторных мезонов были сделаны в 70-х гг. прошлого века методом фоторождения р и ш мезонов (Табл. 1,2); для 0-мезона первые данные получены на выведенных

7г~ пучках в реакции фп и встречных е+е~ пучках (Табл.3). Далее прогресс в точности измерений связан, в основном, с экспериментами на встречных е+е~ пучках.

Таблица 1. Данные экспериментов по измерению относительной вероятности распада р^г) 7.

В(р —>• 777) • 104 Процесс Работа

3.6 ± 0.9 выведенные 7 пучки ; Г) —> 77 [16] 4.0 ±1.1 е+е~ 777 ; 77 77 и Зтг0 [17, 18]

12.2 ± 10.6 рр -> тур0 и тг°р° ; ту 77 [19]

3.28 ± 0.44 е+е" ->• 777 ; 77 Зтг0 [20]

3.21 ± 1.40 е+е~ г/7 ; 77 77 [21]

Несмотря на длительную историю изучения процесса е+е~ —» 7/7, распады мезонов риш измерены с невысокой точностью. Это связано, в основном, с недостатком статистики из-за малой вероятности этих распадов, а также с трудностью подавления фона от распадов векторных мезонов в другие каналы и электродинамических процессов. Так, например, исследования процесса е+е~ —»777 в области р, ш мезонов с последующим распадом 77 —»7Г+7Г~7Г° до сих пор не проводились. С распадом ф —» 777 ситуация иная — на данный момент точность измерения его вероятности определяется систематическими погрешностями экспериментов.

Наилучшая точность измерения вероятностей распадов р , ш , ф —> 777 получена в последних экспериментах на встречных е+е~ пучках с детек

Таблица 2. Данные экспериментов по измерению относительной вероятности распада и —> 777.

В (си —»777) • 104 Процесс Работа

З.О^'д выведенные 7 пучки ; 77 —;► 77 [16]

7.3 ± 2.9 е+е~ г/7 ; 77 -> 77 и Зтг0 [17, 18] 8.3 ±2.1 выведенные 7Г~ пучки ; 7г~р —> от ; т] —► 77 [22, 23]

6.6 ± 1.7 рр —> 77а; и 7г°а; ; 77 —> 77 [19]

0.7 5.5 рр г]ш и 7г°а; ; 77 —> 77 [24]

5.10 ± 0.80 е+е~ 777 ; 77 -»• Зтг0 [20]

4.44^ е+е" 777 ; г] 77 [21] торами КМД-2 [20, 21, 32] и СНД [31, 33, 34]. Достигнутая точность составляет порядка 15% для распадов р , о; —» 777 и около 2% для ф —> 777, причем последний результат был получен усреднением более 10 измерений с точностью порядка 5%.

Как уже говорилось выше, задача извлечения из экспериментальных данных по сечению е+е~ —> 777 вероятностей распада р, ш и ф мезонов является модельно зависимой. Это касается и других адронных процессов. Поэтому в последних экспериментах на ВЭПП-2М с детекторами СНД и КМД-2 ставилась задача представить экспериментальные данные в виде таблиц, показывающих зависимость измеренных адронных сечений от энергии. Это, в частности, позволяет вычислить модельно-независимым образом вклад от процесса в адронную поляризацию вакуума, нужный

-7

Таблица 3. Данные экспериментов по измерению относительной вероятности распада ф -»• 777.

В(ф —» 777) • Ю2 Процесс Работа 7.3 ±1.8 выведенные 7Г пучки ; тг~р —фп ; ту —> 77 [25]

2.7 ±0.7 е+е~ 7/7 ; г) 77 [26]

1.5 ±0.4 е+е-777 ; 77 ^ 77 [27]

1.35 ± 0.29 выведенные 7 пучки ; 77 —> 77 [16]

0.88 ± 0.20 е+е~ ->• 777 ; 77 ->• 77 [28]

1.30 ±0.06 е+е" ->• 7/7 ; 77 ->• 77 [29]

1.30 ±0.07 е+е~ -»• 777 ; г) 77 и Зтг0 [18]

1.18 ±0.11 е+е-^ 777 ; ?77Г+7Г-7Г0 [30]

1.246 ± 0.062 е+е" 777 ; 77 Зтг0 [31]

1.18 ± 0.07 е+е" 777 ; 77 тг+тг-уг0 [32]

1.338 ± 0.053 е+е" 7/7 ; 77 77 [33]

1.259 ± 0.066 е+е" 777 ; 77 тг+тг"^0 [34]

1.287 ± 0.064 е+е" 777 ; 77 Зтг0 [20]

1.373 ± 0.086 е+е" 777 ; 77 77 [21] для расчета аномального магнитного момента мюона и бегущей константы электромагнитных взаимодействий. Наиболее полные данные по сечению е+е~ —»■ 777 в области энергий ВЭПП-2М были получены в эксперименте КМД-2 [20]. В этой же работе было получено первое экспериментальное свидетельство о наличии распада р' —> 777. При более высоких энергиях имеются данные только в двух энергетических точках: измерены вероятность распада З/ф —»777 [1] и сечение е+е~ —»777 при 2Е = 10.58 ГэВ [35]. Сечение реакции е+е~~ —>• 777 в системе центра масс е+е~ пары может быть параметризовано следующим образом: d cos 6 АЕ3 где Е — энергия электрона, р и 0 — импульс и полярный угол фотона, F(Q2) — формфактор для перехода 7* —» 777, Q - четырех-импульс виртуального фотона (Q2 = 4Е2 для реакции е+е~ —> 7/7). Этот же формфактор но при Q2 < 0 был измерен в работах [36-38] в реакции е+е~ —» e+e~r], а при 4т2ц < Q2 < т2 — в распаде 77 —> [39]. Значение F(0) фиксируется из распада 77 —^ 2-7 [1]. Описание переходного формфактора во всем диапазоне изменения переданного импульса является еще нерешенной теоретической задачей. Одна из попыток такого описания с использованием модели векторной доминантности была предпринята в работе [40].

Относительно большая 104) статистика зарегистрированных в эксперименте распадов ф —» 777 —> 37г°7 позволяет исследовать динамику распада 77 —> Зтг0. Распределение событий 77 —» 37Ги по диаграмме Далитца в однопетлевом приближении киральной теории возмущений предсказывается равномерным [41, 42]. Однако при учете взаимодействия пионов в конечном состоянии [43, 44] матричный элемент данного распада может быть записан в виде

2ос1 Р2

3 ^ \rrirj - Зтжо) р2тах ' где Е{ — энергия г-го пиона в системе покоя 77-мезона. Введенный таким образом параметр р представляет собой расстояние до центра диаграммы Далитца, ртах — максимальное значение р. Результаты измерений параметра а, существовавшие на момент опубликования нашей работы [45], приведены в таблице 4. Теоретические предсказания [43, 44] давали значение а - 0.01.

Таблица 4. Значения а полученные в предыдущих экспериментах. а Число событий

С.Ва^п ^ а1. [46] -0.32 ±0.37 192

Б.АИе е! а1. [47] -0.022 ± 0.023 5- 104

А.АЬе1е et а1. [48] -0.052 ±0.020 9.8 • 104

Данная работа посвящена измерению на е+е~ коллайдере ВЭПП-2М с детектором СНД процесса е+е~ —> 777 в диапазоне энергий 0.6 -Ь 1.4 ГэВ для двух каналов распада ту-мезона г) —» 37г° и г] —> 7г+тг—7г°, и анализу матричного элемента распада 77 —>■ 37г°.

Диссертация состоит из введения, 5-х глав и заключения. В первой главе описывается детектор СНД, параметры накопителя ВЭПП-2М и эксперименты, проведенные с детектором СНД на ВЭПП-2М. В следующей

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Бердюгин, Алексей Викторович

Заключение

В представленной работе получены следующие результаты:

1. Разработаны подпрограммы генерации параметров частиц, рождающихся в электрон-позитронном взаимодействии и в распадах нестабильных частиц. Подпрограммы являются составной частью пакета 1Щ1МСЮ2, разработанного в ИЯФ для моделирования экспериментов по физике высоких энергий, и используются в программе СЕАГга для экспериментов на ВЭПП-2000.

2. Измерено сечение процесса е+е~ —»777 в каналах распада 77 —> 37г° и г) —> 7г+7г-7г° в области энергий 0.60 -ь 1.38 ГэВ. Полученные данные согласуются с результатами предыдущих измерений, при этом имеют лучшую точность.

3. Измеренное сечение хорошо описывается моделью векторной доминантности с вкладами р(770), о;(783), ф{ 1020), ¿/(1465). В результате аппроксимации данных получены следующие параметры р, ш и ф мезонов: а. В(р 777) = (2.82 ± 0.30 ± 0.17) • Ю-4, наиболее точное измерение; б. В (и —> 7/7) = (4.33 ± 0.44 ± 0.17) • Ю-4, наиболее точное измерение; в. фаза интерференции (рш = (6.9 ± 7.7 ± 2.3)°, первое измерение;

- 92 г. В(ф ->• 777) = (1.364 ± 0.023 ± 0.044) • 10~2, наиболее точное измерение; д. фаза интерференции <рф = (166 ± 18 ± 8)°, первое измерение.

4. Измерен параметр а = —0.010 ± 0.021 ± 0.010, характеризующий неравномерность заполнения диаграммы Далитца для распада 77 —» Зтг0.

В заключение я выражаю признательность всем своим коллегам, принимавшим участие в создании детектора СНД и в проведении экспериментов, за совместную работу и многочисленные плодотворные обсуждения, Ю.М.Шатунову и всем сотрудникам ВЭПП-2М, обеспечившим работу накопителя, коллегам из группы КМД-2 за полезные советы. Особую благодарность хочется выразить своему научному руководителю В.П.Дружинину за руководство работой и С.И.Середнякову за поставленные задачи, постоянное внимание и поддержку данной работы.

- 93