Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электрон-позитронный накопитель ВЭПП-2М 6
ГЛАВА 2. Нейтральный детектор 8
2.1 Конструкция нейтрального детектора 8
2.2 Координатные камеры 11
2.3 Электроника нейтрального детектора 21
2.4 Триггер 24
2.5 Монитор светимости 26
ГЛАВА 3. Эксперимент и обработка данных 28
3.1 Эксперимент на ВЭПП-2М 28
3.2 Обработка записанной информации 29
ГЛАВА 4. Моделирование 32
ГЛАВА 5. Энергетическое и пространственное разрешение нейтрального детектора 35
ГЛАВА 6. Определение интегральной светимости по кванто-воэлектродинамическим процессам 39
ГЛАВА 7. Теория процесса ВКЭ 45
ГЛАВА 8. Экспериментальные результаты 52
8.1 Отбор экспериментальных событий 52
8.2 Сравнение характеристик ВКЭ с расчетом по КЭД .. 57
ГЛАВА 9. Обсуждение результатов 64
9.1 Сравнение полного сечения и угловых распределений ВКЭ с расчетом по КЭД 64
9.2 Процесс ВКЭ и проверка КЭД 64
9.3 Поиск тяжелого электрона (ТЭ) 67
9.4 Сравнение сечений ВКЭ на электроне и позитроне. 68
Заключение 70
Литература 72
- Конструкция нейтрального детектора
- Обработка записанной информации
- Энергетическое и пространственное разрешение нейтрального детектора
- Сравнение характеристик ВКЭ с расчетом по КЭД
Введение к работе
Как известно, электромагнитное поле, создаваемое заряженной частицей, движущейся с ультрарелятивистской скоростью, описывается суммой эквивалентных квазиреальных фотонов [I]. Поэтому при столкновении двух таких частиц возможен процесс комптоновского рассеяния фотона электромагнитного поля одной из них на встречной частице. Настоящая работа посвящена изучению этого явления на встречных электрон-позитронных пучках накопителя ВЭПП-2М. Впервые процесс комптоновского рассеяния квазиреальных фотонов наблюдался в экспериментах на накопителе со встречными электрон-позитронными пучками АСО в 1973 г. [23 . В этой работе, при исследовании процесса е+е~"-*- у у , было найдено 16 странных событий, в которых были зарегистрированы только некол-линеарные электрон и фотон, плоскость разлета которых, тем не менее, была практически компланарна с пучком. Эти события не могли быть объяснены конверсией одного из фотонов в веществе перед камерами. Явление было объяснено с помощью описанного выше механизма и названо виртуальным Комптон-эффектом (ВКЭ). В дальнейшем около 150 событий ВКЭ было зарегистрировано на АШЕ[з] .
Кинематика ВКЭ изображена на рис.1. Один из электронов излучает квазиреальный фотон, отклоняется на малый угол ос ^1/ , где У - Лоренц-фактор начального электрона, и, вследствие этого, не попадает в телесный угол детектора. Излученный квазиреальный фотон сталкивается с другим электроном, частицы рассеиваются на большие углы и попадают в детектор. Поперечный импульс квазиреального фотона - порядка т/с, где m - масса электрона, поэтому угол между пучком и плоскостью разлета электрона и фотона мал. В то же время продольный импульс квазиреального фотона мо-
Рисі.
р. - р - импульсы начальных и конечных электронов и позитронов, к - импульс фотона, ш - угол раскомпланарности.
^О-ЕЭ-фе
Нейтральный Ъетектор
Рис.2. Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М.
жет быть произвольным в пределах от EQ/c, где EQ - энергия пучка, до некоторого минимального значения, зависящего от телесного утла детектора (в противном случае конечные частицы не попадут в детектор). Поэтому угол расколлинеарности А 0 (рис.1) может быть большим, ( Д9 = 7Ґ- 0е - 9).
Процесс ВКЭ часто не регистрируется в детекторах на встречных е+е~ пучках, так как условия запуска триггера в этих случаях требуют отсутствия заряженных частиц в нейтральных событиях и присутствия как минимум двух - в событиях с заряженными частицами. В настоящем эксперименте, проведенном на накопителе ВЭПП-2М в диапазоне энергии 2EQ = 1000 f 1048 МэВ с нейтральным детектором, было зарегистрировано около 10000 событий ВКЭ, что позволило изучить характеристики этого процесса в деталях. На основе полученных в работе экспериментальных данных было проведено сравнение полного видимого сечения и дифференциальных распределений с предсказаниями КЭД и получены ограничения на параметры нарушения КЭД Л± в иной области, по сравнению с традиционными экспериментами по проверке КЭД в процессах е+е~-*- е+е"", е+е""-~ /4+ДС , е+е~-*. yy . Было проведено сравнение ВКЭ на электроне и позитроне как по угловым распределениям, так и по полным видимым сечениям. Отсутствие статистически значимых различий свидетельствует о СРГ-инвариантности электромагнитных взаимодействий. Анализ наблюдаемого распределения по инвариантным массам системы е* позволил понизить верхнюю границу константы связи гипотетического тяжелого или "возбужденного" электрона.
Основное содержание диссертации изложено в работах [7] , [9] , [25], [36], [37], [38]. Полученные результаты докладывались на семинарах Института, сессии Отделения ядерной физики АН СССР в Москве в 1984 году и на 22-ой Международной конференции по физике высоких энергий в Лейпциге в 1984 году.
Конструкция нейтрального детектора
Нейтральный детектор [7,36,42] (рис.3) представляет собой электромагнитный калориметр на основе 168 сцинтилляционных счетчиков с прямоугольными кристаллами Nal (ТО общим весом 2.6 т. минимальная толщина МаКТб ) для частиц, вылетающих из центра, составляет 32 см или 12 радиационных длин. Счетчики Nal(Tt ) расположены четырьмя слоями вокруг места встречи ВЭПП-2М и занимают телесный угол, равный 65$ от 47Ґ. Два внутренних слоя состоят из 56 счетчиков с кристаллами размером 30 II 5 см , два внешних - из 112 счетчиков с кристаллами 45 II II см . Кристаллы Nal (Тб ) упакованы в алюминиевые контейнеры с диффузным отражателем из окиси магния. Зазор между кристаллами соседних счетчиков составляет I см. Каждый счетчик через конический световод из оргстекла просматривается одним фотоумножителем ФЭУ-84 с диаметром фотокатода 2.5 см. Коэффициент светосбора составляет 2% для больших счетчиков и 2$ для малых, неоднородность светосбора по длине составляет в среднем 3%. Энергетическое разрешение счетчика для У -квантов от Cs (0.66 МэВ) равно 30% и определяется статистикой фотоэлектронов. Однако, при энергии выше 100 МэВ вклад фотоэлектронной статистики в разрешение становится пренебрежимо малым. Физические характеристики и конструкция счетчиков подробно описаны в работе [83 .
В центре нейтрального детектора, снаружи промежутка встречи ВЭШ1-2М, расположены три слоя двухкоординатных цилиндрических пропорциональных камер для измерения треков заряженных частиц. Одна из координат (азимутальный угол) определяется по номеру сработавшей проволочки, другая (полярный угол) с помощью линий задержки, расположенных вдоль анодных проволочек. Наружный диаметр системы камер составляет 260 мм, длина - 400 мм. Полное количество вещества в системе камер составляет 1.5 г/слг, вероятность конверсии У -кванта с энергией в несколько сотен МэВ составляет 3$. Пространственная точность камер равна 1-2 мм, телесный угол - 80% от 4 7Ґ . Камеры работают на газовой смеси А г +20$ С02 + 3% спирта.
Снаружи цилиндрических камер находится слой плоских спин-тилляционных счетчиков на основе пластического сцинтиллятора NE-НО толщиной 5 мм. Свет с каждого сцинтиллятора с помощью ленточных световодов из оргстекла выводится на два фотоумножителя ФЭУ-84. Счетчики измеряют величину ионизационных потерь заряженных частиц и могут использоваться для синхронизации с фазой обращения пучка.
Между слоями NaI(T6) расположены два слоя двухкоординат-ных плоских пропорциональных камер для измерения координат -квантов - ливневые камеры. По конструкции, методу считывания координат и рабочей газовой смеси ливневые камеры аналогичны камерам цилиндрической системы, подробно описанным в следующем разделе. Для получения высокой эффективности регистрации Y -квантов ливневые камеры расположены на глубине, соответствующей максимуму числа частиц в ливне.
Снаружи детектор окружен поглотителем из железа толщиной 10 см, за которым расположен слой сцинтилляционных счетчиков антисовпадений для защиты от космических частиц. Счетчик антисовпадений снабжен сцинтиллятором на основе оргстекла с размерами 1.3 0.8 wr, толщиной I см. Спинтиллятор, через ленточный световод из оргстекла, просматривается одним фотоумножителем ФЭУ-110 с диаметром фотокатода 80 мм. Порог счетчиков антисовпадений соcтавляет 0.4 МэВ, эффективность по отношению к космическим мюонам превышает 99$.
Обработка записанной информации
Управление электроникой детектора осуществляется ЭВМ М-6000 с помощью программы "ЭКСПЕРИМЕНТ", позволяющей считывать информацию с крейтов КАМАК, обрабатывать ее и записывать на магнитные ленты, а также осуществлять контроль работы детектора. Имеются три типа считываемой информации: события, калибровки и состояния. События, считывание которых происходит при срабатывании триггера детектора, составляют основную часть потока информации. Каждое событие содержит коды ЗЦП, несущие информацию об энерговыделениях в сцинтилляционных счетчиках, коды ВЦП, содержащие информацию о координатах треков в камерах, номера сработавших проволочек, а также начальную информацию: дату, текущее время, номер события и др. - всего I кбайт. Время считывания составляет 20 мс. Далее событие подвергается сжатию в ЭВМ. При этом вычитаются пьедесталы ЗЦП и отбираются лишь значащие коды ВЦП и ЗЦП, а номера сработавших в камерах проволочек упаковываются в более плотном формате. В результате длина посылки события уменьшается, в среднем, до 250 байт. После сжатия события помещаются в буфер записи и, по мере накопления, порциями по 2048 байт передаются по линии связи на центральную ЭВМ М-6000 системы коллективного пользования РАДИУС [14] , где осуществляется запись на магнитную ленту. Предельная частота приема событий с крейтов КАМАК и обработки на ЭВМ составляет 20 Гц без записи на ленту и 10 Гц с записью. На одной магнитной ленте может быть записано около 45 тысяч событий.
Считанные с крейтов КАМАК события могут параллельно с записью на ленту выводиться на графические дисплеи для визуального контроля, а также распечатываться на АЦПУ".
Важное значение для нейтрального детектора имеет калибровка и контроль стабильности, что включает в себя калибровку ЛЗ камер, пьедесталов ЗЦП и контроль стабильности счетчиков Л/а1(Т) по светодиодам. Это осуществляется с помощью управляемого от ЭВМ генератора калибровочных импульсов, который поочередно подключается к реперним полоскам ЛЗ для калибровки шкал ВЦП. Одновременно сигнал подается на входы запуска ЗЦП для контроля их пьедесталов и инициирует считывание калибровочной информации с детектора. Каждые два из трех импульсов калибровочного генератора подаются на светодиоды, установленные на счетчиках Nal (ТО. Амплитуда и форма подаваемого на светодиоды сигнала подобраны таким образом, что световой сигнал эквивалентен выделению в счетчике 100 МэВ. Калибровочная информация записывалась на ленту в виде посылок типа "калибровка", частота калибровочных запусков в процессе набора экспериментальной статистики составляла 0.01 Гц. Наличие на ленте посылок калибровки, записанных непосредственно в ходе эксперимента и содержащих информацию о пьедесталах ЗЦП, амплитудах в счетчиках Na! (ТС ) от светодиодов и коды ВЦП линий задержки камер, оказалось весьма полезным для контроля стабильности детектора в ходе обработки экспериментальных данных.
Каждые 200 сек с крейтов КАМАК считывалась и записывалась на ленту посылка типа "состояние", содержащая накопленные в пересчетных схемах данные о загрузках элементов детектора, информацию о состоянии накопителя ВЭПП-2М - величину токов пучков, ведущее магнитное поле, частоту обращения, информацию с монитора светимости и т.д. Дальнейший анализ посылок состояния при обработке данных позволял контролировать работоспособность элементов детектора, вычислять поправки, связанные с просчетами триггера.
Кроме записи информации на ленту программа "ЭКСПЕРИМЕНТ" давала возможность контролировать работоспособность элементов нейтрального детектора с помощью специальных подпрограмм, часть из которых была включена постоянно, другая часть могла включаться оператором по командам с пульта. Таким способом проверялась работоспособность всех счетчиков N а I (Т), эффективность пропорциональных камер и плоских спинтиллящонных счетчиков, соответствие питающих напряжений на сцинтилляпионных счетчиках, камерах и в стойках электроники заданным значениям.
Идеальным для нейтрального детектора являлся бы запуск от событий с полным энерговыделением в счетчиках Nal (ТО, превышающим определенный и достаточно низкий порог 100 МэВ. Б этом случае обеспечивалась бы одинаково высокая эффективность кY -квантам и заряженным частицам, независимо от просчетов или некоторой неэффективности остальных элементов детектора -счетчиков и камер. Однако, высокая загрузка таких запусков-I кГц требует или введения дополнительных условий запуска или применения дополнительного отбора после считывания, например, с помощью специализированного быстрого процессора.
Во время эксперимента отбор событий для запуска детектора осуществлялся в три последовательных ступени, в которых помимо полного энерговыделения в Nal (Т6 ) использовались почти все элементы детектора. Первая ступень отбора - формирование сигналов первичного триггера, когда с помощью обычных схем быстрой электроники: дискриминаторов, схем совпадений, сумматоров и т.д., из 450 исходных информационных каналов формировалось 30 логических комбинаций. Скорости счета снижались, при этом, от 100 кГц на отдельных исходных каналах до величин менее I кГц. Следующая ступень - вторичный триггер представляет собой пять одинаковых управляемых схем совпадений на 30 входов в стандарте КАМАК. Выбор логики совпадений осуществляется путем записи во внутреннюю память схемы совпадений двух 16-разрядных управляющих слов, которые задают маску входов. Во время эксперимента использовались следующие пять типов запуска: NPI - запуск от одного У -кванта, заряженные частицы не допускаются; NP2 - запуск от двух У -квантов, заряженные частицы не допускаются; CPI - запуск от одной заряженной частицы и У -кванта; СР2 - запуск от двух заряженных частиц; CSM - запуск от космических частиц для абсолютной калибровки счетчиков Nal(Tfc). В части циклов эксперимента вместо CSM включался специальный триггер ВТ5, настроенный на коллинеарные пары частиц и не включающий счетчиков антисовпадений. Эти циклы использовались при дальнейшей обработке для определения вероятности потери полезных событий из-за срабатывания счетчиков антисовпадений. Порог полного энерговыделения во всех типах запуска составлял 200 МэВ.
Энергетическое и пространственное разрешение нейтрального детектора
Для отладки программ обработки, определения одночастичных характеристик детектора и сечений регистрации проводилось моделирование процессов методом Монте-Карло с помощью программы моделирования U NIМ 0D [17]. Программа UN IМ 0D выполняет моделирование события в две стадии: первичное и вторичное моделирование. Первичное моделирование - это генерирование первичного взаимодействия, то есть определение сортов, энергий и направлений вылета вторичных частиц в соответствии с известными матричными элементами, описывающими тот или иной процесс. Вторичное моделирование - детальный расчет прохождения вторичных частиц через детектор с учетом ионизационных потерь и многократного рассеяния заряженных частиц, тормозного излучения электронов и позитронов, аннигиляции позитронов на лету, Комптон-эффек-та, фотоэффекта, рождения пар фотонами, образования S -электронов и распадов нестабильных частиц. Для адронов дополнительно учитывается ядерное взаимодействие по программе NUCRIN [18]. Программа NUCRIN учитывает также разброс энергий и размеры пучка накопителя.
В результате работы программы вычисляются энерговыделения в сцинтилляционных счетчиках NalCTt ), проверяется срабатывание плоских сцинтилляционных счетчиков, определяются номера сработавших проволочек в пропорциональных камерах и координаты в ЛЗ камер с учетом реального разрешения счетчиков и камер. Результаты записываются на магнитную ленту в том же формате, что и экспериментальные события, но добавляется информация о частицах первичного моделирования - сорта частиц, энергии, точки и утлы вылета. Скорость моделирования событий с ливнеобразующими частицами довольно низка из-за большого (до тысяч) числа промежуточных частиц, рождающихся в процессе развития ливня, и зависит от суммарной энергии исходных частиц и порога моделирования, от которого, в свою очередь, зависит точность результата. В нашем случае порог на электроны и фотоны составлял I МэВ и 0.2 МэВ соответственно. В моделировании частица с энергией ниже порога гибнет в той точке, где это обнаружено. Это полностью справедливо для электрона, а фотон с энергией 0.2 МэВ, хотя и может на самом деле пролететь еще несколько сантиметров, но не может вызвать запуск сцинтилляционного счетчика, имеющего порог 0.4 МэВ. При энергии,равной 1000 МэВ, скорость моделирования составляла I событие в минуту на ЭВМ EC-I040.
Магнитные ленты с моделированными событиями перекачивались обычным образом, но информация о частицах первичного моделирования переписывалась на вторичные ленты без изменений, что давало возможность сравнивать параметры частиц, вычисленные в перекачке с их истинными значениями. С помощью программы L/NIM0D было, в частности, проведено моделирование процессов процесса ВКЭ и др.
В тех случаях, когда высокая точность была не нужна, использовалось, так называемое, быстрое моделирование, созданное на основе гистограммной программы. Здесь после первичного моделирования включалась программа, моделирующая ограниченное угловое и энергетическое разрешение детектора, которая случайным образом изменяла углы и энергии конечных частиц в соответствии с заданным координатным и энергетическим разрешением детектора. Быстрое моделирование работает без записи событий на ленту и с весьма высокой скоростью, зависящей, в основном, от скорости первичного моделирования. С помощью быстрого моделирования для настоящей работы были вычислены сечения регистрации и распределения по инвариантной массе для процесса рождения гипотетического тяжелого электрона.
Энергетическое разрешение нейтрального детектора для электронов и фотонов определяется количеством пассивного вещества между кристаллами NaKTO (стенки контейнеров счетчиков, материал ливневых камер), неоднородностью детектора по телесному углу, наличием щелей между отдельными счетчиками и квадрантами. Аппаратурный вклад в разрешение определяется неоднородностью счетчиков NaI(T6) по длине, нестабильностью ФЭУ и электроники и неточностью абсолютной калибровки счетчиков. В целом, аппаратурный вклад невелик и составляет Ъ% (ширина на полувысоте). На рис.11 приведено распределение по энерговыделениям для фотонов с энергией 500 МэВ. Разрешение хорошо согласуется с результатами моделирования и составляет 15$ (ширина на полувысоте). Асимметричная форма распределения и хвост в области малых энергий объясняются влиянием щелей. Зависимость энергетического разрешения для электронов и фотонов от энергии показана на рис.12.
Энергетическое разрешение нейтрального детектора близко к полученному на детекторе С US В С 39] , имеющем аналогичную конструкцию и в 2 раза ниже разрешения детектора Crystal Ball [40І, в котором оси кристаллов Nal(Tt) ориентированы по направлению ливня и практически отсутствует пассивное вещество между кристаллами. Однако, слоистая структура нейтрального детектора позволяет измерять распределение энерговыделения по глубине и, на основе этого, проводить разделение электронов и пионов.
Сравнение характеристик ВКЭ с расчетом по КЭД
В эксперименте по изучению процесса ВКЭ были обработаны данные трех сканирований в области энергии 2EQ = 1000 т 1048 МэВ, с полной интегральной светимостью, равной 1.3 пб , в которых основная часть экспериментальной статистики была набрана вне Ф-мезонного резонанса. Привлечение оставшихся сканирований увеличило бы число событий, в основном, в окрестности Ф-мезона, и увеличение статистической точности результатов одновременно сопровождалось бы увеличением систематической ошибки, связанной с фоном от распадов Ф-мезона.
При обработке события ВКЭ предварительно переписывались на третичную ленту. Отбор осуществлялся в соответствии со следующими критериями (1.8): - событие содержит один фотон и одну заряженную частипу; . - полное энерговыделение в детекторе превышает 400 МэВ; - отклонение электрона и фотона от компланарности не превышает 15 градусов. Число событий, переписанных на третичную ленту, составило 22000. Среди них, кроме событий ВКЭ, присутствует фон от двухкванто-вой аннигиляции, распадов Ф-мезона и некоторый фон от упругого е+е -рассеяния. Фон от упругого е+е рассеяния имеет чисто аппаратурное происхождение. Он связан с ошибочной идентификацией одного из электронов, как фотона. Хотя вероятность такой ошибки составляет менее 0.5%, но сечение регистрации е+е на два порядка превосходит сечение регистрации ВКЭ. Поэтому неправильно реконструированные события е+е составляют значительную долю событий на третичной ленте. Ошибочная реконструкция происходит в том случае, если трек в цилиндрической системе не связывается с ливнем в счетчиках NaKTt), для чего необходимо совпадение двух маловероятных событий: просчета схемы запуска ВЦП цилиндрических камер, и потеря, в связи с этим, информации о продольной координате искр, и большое ( 15) отклонение ливня по углу р от трека в цилиндрической камере из-за пространственных флуктуации. Несмотря на значительное число событий этого типа, они имеют существенное отличие от ВКЭ: с вероятностью более 99$ в них срабатывает 5 или 6 цилиндрических камер.
Фон от процесса двухквантовой аннигиляции связан с конверсией одного из фотонов в веществе перед внутренней или средней цилиндрическими камерами. В этом случае программа перекачки идентифицирует этот фотон как заряженную частицу. Вероятность такого перехода составляет 3% на фотон. Заметим, что с вероятностью, близкой к 0.7$ на фотон, при двухквантовой аннигиляции происходит "внутренняя" конверсия одного из фотонов в пару. В нейтральном детекторе этот процесс, в большинстве случаев, неотличим от конверсии в веществе перед внутренней цилиндрической камерой. Основная черта фона от двухквантовой аннигиляции - наличие двух ливней с малым углом рас коллинеарности Л0 , даже меньшим, чем в событиях с двумя У -квантами из-за более высокого пространственного разрешения координатных камер по сравнению с ливневыми. Соответствующее распределение по углу А0 , показанное на рис.19, содержит пик при малых Л8 от двухквантовой аннигиляции и широкое распределение от процесса ВКЭ. Для подавления фона от двухквантовой аннигиляции, наиболее естественно потребовать, чтобы угол Д0 в событиях превышал некоторую пороговую величину. На рис.20 показано распределение по Д0 для событий, в которых не сработала внутренняя нилиндрическая камера. В основном - это события двухквантовой аннигиляции, с небольшой (1%) добавкой событий ВКЭ, где внутренняя камера не сработала из-за неэффективности. Величина минимального А0 была выбрана равной 15 градусам. Фон от е+е " )( )( » оцененный по распределению, приведенному на рис.20, в этом случае, равен (4.9 + 0.5)$ и вычитался статистически.
Зависимость сечения регистрации от энергии, для отобранных таким образом событий (рис.21), хорошо согласуется с суммой Ф-резонанса и неинтерферирующей подложки, зависящей от энергии как I/E . Причем, полное число событий, связанное с распадами Ф-мезона, составляет 10$ от полного числа отобранных событий. Естественно было предположить, что подъем сечения в области Ф-мезона вызван фоном от адронных распадов Ф-мезона. С помощью моделирования различных каналов распада Ф-мезона, было показано, что почти весь фон создается распадом Ф , эффективность регистрации которого в условиях отбора ВКЭ равна (0.66 + 0.11)$ (ошибка статистическая). Расчетное сечение регистрации 7Г ТГ7Т в максимуме Ф-резонанса равно в этом случае (4.2 + 0.7)нб, что согласуется с наблюдаемым значением (5.1 + 0.5) нб (ошибка статистическая). Для подавления 7Г -мезонного фона использовалась процедура разделения электронов и пионов 25І # g нейтральном детекторе пионы отличаются от электронов по полному энерговыделению, которое для электронов с энергией 300 - 500 МэВ составляет 0.8 от их энергии, а для пионов с энергией 400 МэВ, наиболее вероятное энерговыделение - менее 0.4 от энергии пиона. Кроме того, электроны в отличие от пионов дают большое энерговыделение во внутренних слоях детектора - в среднем по 100 МэВ в слое при энергии электрона, равной 500 МэВ.
