Введение к работе
Актуальность проблемы. Физические процессы с излучением или поглощением фотонов являются важнейшіш источником информации о строении молекул, атомов, атомных ядер и элементарных чеспщ. Реакции под действием электромапгатного излучения и радаацконикз распады частиц дают уникальную возможность изучения строегогя її свойств частиц в физике высоких энергий, поскольку эти процессы сзяззны с перестройкой внутренней структуры частиц. Плохо поддающиеся расчету процессы адроиизации кварков в мезонах и барионах играют при этом второстепенную роль.
К началу 80-х годов оказалось, что в области энергий е+е" столкновений около 1 ГэВ процессы с нейтральными частицами з конечном состоянии изучены значительно хуже, чем процесса с заряженными частицами. Это было связано с проблемами экспериментов на выведенных пучках, с недостаточной интегральной светимостью е+е" экспериментов, невысокой эффективностью к фотонам экспериментальной аппаратуры для е+е" экспериментов.
С целью измерения радиационных распадов р, о, ф мезонов и изучения других редких процессов в е+е' аннигиляции в был осуществлен проект Нейтрального детектора (НД). Основные результаты экспериментов НД на ВЭПП-2М были опубликованы к 1991 году. Их точность была в целом выше, чем в предыдущих работах. Это подтверждает тот факт, что величины 23 параметров легких мезонов, приведенных в Таблице свойств частиц 1996 года, определяется точностью эксперимента НД.
Достигнутый прогресс в эксперименте НД не снизил интерес к этой области энергий. В физике частиц, состоящих из легких кварков, существует ряд принципиальных проблем, которые могут быть решены только в новых экспериментах. В частности, необходимо уточнить сечена? е+е- аннигиляции в адроны в области низких энергий, уточнить параметры смешивания в легчайших SU(3) мультиплетах, решить проблему радиальных возбуждений легких векторных мезонов, осуществить поиск глюбольных, четырехкварковых и молекулярных состояний в радиационных распадах ф-мезона.
Для этого запланирована модернизация комплекса ВЭПП-2М, состоящая в реализации режима круглых пучков, в результате которой ожидается повышение средней светимости до 5х1031 cm'V при энергии пучков 2Е = 1 ГэВ. Модернизированный комплекс ВЭПП-2М станет
прообразом будущих ф- и с-х фабрик в Новосибирске. Для экспериментов на существующем и будущем комплексе был сооружен и запущен новый Сферический нейтральный детектор (СНД), который предназначен, в первую очередь, для прецизионного изучения радиационных распадов. Он обладает лучшими параметрами по сравнению с детектором НД. Новые эксперименты с большой статистикой потребовали разработки современного программного обеспечения эксперимента.
Цель работы. Данная работа посвящена описанию экспериментов НД по измерению радиационных распадов р, ю, ф мезонов, анализу совокупности экспериментальных данных НД и других экспериментов по радиационным распадам легких векторных мезонов, обзору теоретических моделей, описанию методических разработок для эксперимента СНД.
Научная новизна. При выполнении данной работы были получены следующие результаты:
-
Разработана система обработки эксперимента НД обеспечившая эффективный анализ экспериментальных данных НД с наибольшей в этой области энергий интегральной светимостью 19 пб'\ Полное количество событий в эксперименте составило 108.
-
Разработана и запущена в эксплуатацию программа GIST, которая является основой системы обработки данных эксперимента СНД. Разработаны и запущены пакеты программ INOUT для экспериментов НД и СНД, поддерживающие обмен файлами с экспериментальными данными между программами обработки и архивом магнитных носителей информации.
-
Разработана, изготовлена и запущена система сцинтилляционных счетчиков детектора НД. Проведена оптимизация конструкции первых двух слоев NaI(Tl) калориметра НД, улучшившая энергетическое разрешение для фотонов на 20 %.
-
Разработан и запущен пакет программ СОСНА для управления структурами данных, являющейся простейшей реализацией модели объектов и отношений на языке программирования FORTRAN77, На его основе разработана программа реконструкции событий СНД. СОСНА также применена для создания базы данных по сечениям eV аннигиляции в области энергий ВЭПП-2М
-
Разработаны и запущены программы реконструкции нейтральных частиц в детекторах НД и СНД. Эти пакеты программ включают в себя поиск образов фотонов в продольно и поперечно сегментированных калориметрах, восстановление углов и энергий,
кинематическую реконструкяию событий в целом. Использование этих методов позволило на 20-50 % повысить энергетическое разрешение детекторов к эксклюзивным процессам.
-
Найдена новая двухпараметрическая функция, описывающая поперечный профиль электромагнитных ливней в калориметрах. На ее основе разработан новый метод уточнения координат ливней в сегментированных калориметрах, предложены методы eJn и уЯн. разделения.
-
Разработан комплекс программ моделирования экспериментов НД и СНД. Созданные программы первичного моделігровашія могут быть использованы в других экспериментах в ИЯФ и во Фраскатн.
-
Проведено измерение радиационных распадов р, ю, ф мезонов на т|у и тсу с использованием данных всех экспериментов НД, проверена устойчивость результатов в зависимости от модельных предположений, осуществлено сравнение с экспериментами на выведенных пучках. Основные результаты следующие:
В(р->яу) = (7.9±2.0) х10"" (первое измерение для р), В(ш->тгу) =(8.88 ±0.62)% (наилучшая точность), В(ф->лу) = (1.30 ± 0.13) х 10"3 (наилучшая точность), В(р->туу) = (4.0 ± 1.1) хЮ"4 (второе измерение), В(м->туу) = (7.3 ± 2.9) хЮ"4 (второе измерение), В(ф->туу) = (1.30 ±0.06)% (наилучшая точность).
9. Проведен одновременный анализ данных НД и данных других
экспериментов по ширинам радиационных переходов между мезонами,
состоящими из легких u, d, s кварков, в рамках нерелятивистской
кварковой модели, который показал, что эта модель описывает всю
совокупность данных с точностью не хуже 15%. Определены следующие
параметры модели:
ц3 =-0.72 ±0.03, аР = -(54 ± 2) , av = -(3.4±0.2)
-
Эти результаты подтверждают справедливость квадратичной массовой форлгулы для векторных мезонов и линейной для псевдоскалярных. Значение магнитного момента s-кварка в мезонах на 15 % выше велігчиньї, полученной из магнитных моментов барионов. Учет возможного 20 % вклада глюония в rj' мезон приводит к лучшеьгу согласшо все данные в рамках нерелятивисткой кварковой модели.
-
Впервые в эксперименте НД была осуществлена попытка поиска редких радиационных распадов и ф мезонов на Лу, 7іт|у.
Впервые был осуществлен поиск распадов ф на ао(980)у и f0(980)y, что показало практическую возможность понять природу этих мезонов в будущих экспериментах на ф-фабрике. В результате экспериментов НД и СНД установлены верхние пределы на 90 % уровне достоверности:
В(и->Лу)<4х10-4,
В(ф -» яУу) < 10"3,
В(ИДї) <2.5хЮ"3,
В(ф-^Го(975)у)<9х10'4,
В(ф -7 ао(980)у ^пг\у) < 9 xlO^.
12. Впервые установлен верхний предел на вероятность рождения
легкого Хиггсовского бозона в распадах ф мезона
B^Hy-^VY^O.exlO-4, 600 МэВ < Мн < 1000 МэВ,
13. Впервые измерено сечение реакции е+е'->яяу в области
энергий 2Е = (1.0-1.4) ГэВ. Показано, что в этом процессе промежуточное
состояние юл0 доминирует. Впервые проведен совместный анализ данных
экспериментов НД DM2 и ARGUS. Показано, что эксперименты хороню
согласуются друг с другом, сечение может быть описано суммой вкладов
р(770) и одного или двух его радиальных возбуждений с массой больше 1.4
ГэВ. Установлено существенное ограничение на возможность
существования р(1250) резонанса.
14. С использованием данных эксперимента ARGUS по
распаду т лептона т"->юл'ут была впервые детально проверена гипотеза
сохраняющегося векторного тока.
Научная и практическая ценность. Результаты работы использовались в экспериментах НД, МД-1, СНД и КМД-2 в Новосибирске. Оки будут использоваться в экспериментах СНД, КМД-2 и KLOE, Фрзскати, Италия, в будущем. Методические исследования, выполненные в работе могут быть использованы в экспериментах на строящихся в настоящее время с-т и В- фабриках. Результаты экспериментов занесены з таблицу свойств частиц, используются и будут использоваться при теоретическом анализе радиационных распадов легких векторных мезонов и адронкых распадов т лептона.
Апробация работы и публикации. Результаты данной работы базируются на 38 публикациях, 15 из которых напечатаны в реферируемых вурналах, 15 являются докладами на международных конференциях. Эти работы неоднократно докладывались на семинарах в ИЯФ СО РАН и на сессиях Отделения ядерной физики АН СССР.
Структура диссертации. Работа состоит их 12 разделов, включающих в себя введение, основное содержание в 8 главах, заключение, список литературы и приложение. Текст работы занимает 230 страниц, он содержит 73 рисунка и 29 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 406 работ.
