Введение к работе
Актуальность темы исследования
Релятивистская квантовая теория поля, описывающая элементарные частицы и их взаимодействия, является СРТ-инвариантной, т.е. симметричной относительно произведения С, Р и Т преобразований, где С является оператором зарядового сопряжения, Р - оператор пространственного сопряжения, а Т является оператором обращения времени. В течение длительного времени считалось, что все типы взаимодействий инвариантны относительно С, Р и Т преобразований в отдельности, и это подтверждалось экспериментально вплоть до обнаружения нарушения Р-четности в слабых взаимодействиях (измерение /?-распада поляризованных ядер мСо). Подтверждением нарушения пространственной четности в слабых взаимодействиях было изучение корреляций в распадной цепочке 7г —» \і -+ е. В этих экспериментах было также обнаружено, что нарушаются как Р, так и С четность, в то время как временная четность сохраняется. Чтобы сохранить симметрию микромира, Л.Д. Ландау выдвинул гипотезу об инвариантности взаимодействия элементарных частиц относительно одновременного С и Р преобразования, т. е. комбинированной СР-четности. В V-A теории слабого взаимодействия, которой была сформулирована в 1957-58 годах, Р и С максимально нарушались, а СР-четность сохранялась, что прекрасно согласовывалось с имеющимися в то время экспериментальными данными. Открытие в 1964 г. СР-нарушения в системе нейтральных каонов было полной неожиданностью и явилось первым указанием на то, что СР-симметрия, также как зарядовая четность и пространственная четность, не является точной симметрией природы, что фундаментальным образом изменило понимание физики микромира. Дальнейшее экспериментальное и теоретическое изучение этого явления определило широкое направление исследований в физике элементарных частиц, которое продолжает интенсивно развиваться как в кварковом, так
и лептонном секторах.
К настоящему времени СР-нарушение обнаружено и измерено в следующих процессах:
СР-нарушение в распадах К - ятг и К -> irlv, что позволило измерить величину ек = (2.28 ±0.02) х 10_sexp(t7r/4).
Прямое СР-нарушение в распадах нейтральных каонов К —> 7гтг, из которого извлечено отличное от нуля значение параметра (комбинированное по всем экспериментам) е'/с = (1.72 ± 0.18) х 10"3. Это позволило исключить Суперслабую модель как единственный механизм СР-нарушения (за счет смешивания в массовой матрице), поскольку е"/е ф 0.
Недавние измерения в экспериментах BABAR (SLAC) и BELLE (КЕК) асимметрии распадов В& -* J/rpK%, в которых определялась величина sin2/3, привели к открытию СР-нарушения в системе В-мезонов и дали усредненную величину sin2/3 = 0.79 ± 0.10, находящуюся в прекрасном согласии с предсказанием Стандартной Модели (СМ).
Приведенные выше результаты подтверждают правильность общей картины объяснения СР-нарушения Стандартной Моделью. Таким образом, в настоящее время можно утверждать, что экспериментальные результаты достаточно хорошо описываются в рамках Стандартной Модели, где основным источником СР-нарушения в процессах при низких энергиях является комплексная фаза т\ СКМ матрицы.
Прямое нарушение Т-инвариантности было обнаружено только в распадах нейтральных каонов, где проводилось сравнение прямой и обратной реакций. В эксперименте CPLEAR измерялось отличие от нуля асимметрии
Р(К -» К)т - Р(К -» К)т ~ Р{К -+ К)т + Р(К -+ tf)f'
которая характеризует нарушение Т-инвариантности. Здесь т-время распада в единицах времени жизни К,. Измерения, проводившиеся для по-лулептонной моды распада К0 и R0, дали отличную от нуля величину Л = (6.6±1.6)х10-3.
Тем не менее, несмотря на то, что прецизионные измерения СР-нечетных параметров как в каонных распадах, так и распадах В-мезонов полностью укладываются в рамки СМ, вопрос об источнике, или источниках, СР-нарушения остается открытым. Существуют несколько фундаментальных аргументов в пользу других источников СР-нарушения вне рамок Стандартной модели.
Барионная асимметрия Вселенной. Отношение числа барионов к числу фотонов, полученное из данных по нуклеосинтезу,
^^ = (5.5.±0.5)х1(Г10
является С-нарушающим параметром, поскольку в СР-инвариантной Вселенной плотности кварков и антикварков и скорости процессов, происходящих с ними, должны быть равны. Стандартная Модель предсказывает величину плотности барионов, т.е. барионную асимметрию, существенно меньшую, чем приведенная выше величина. Как показал А.Д. Сахаров, для того, чтобы объяснить барионную асимметрию Вселенной, необходимо иметь процессы, включающие в себя СР-нарушение. Если источник барионной асимметрии имеет масштаб шкалы Великого Объединения, то возникают дополнительные фазы СР-нарушения. Если источник барионной асимметрии соответствует электрослабой шкале, тогда также необходимы новые фазы и возникает необходимость иметь более одного Хиггсов-ского дублета, поскольку одной СКМ фазы недостаточно для получения измеренного значения барионной асимметрии.
СР-нарушение в сильных взаимодействиях. Величина СР-нарушаю-щего параметра в сильных взаимодействиях Oqcd < Ю~10, как это следует из ограничений на величину дипольного момента нейтрона. Такая маленькая величина не находит объяснения в рамках СМ, и понимание этого факта возможно также находится вне рамок Стандартной Модели.
Хиггсовский сектор СМ с механизмом спонтанного нарушения симметрии является одной из центральных проблем СМ. Действительно ли Хиггсовский сектор более сложный, чем это представляется в СМ? Например, суперсимметричное расширение СМ требует по крайней мере на-
личия двух Хиггсовских дублетов, что также может привести к появлению новых СР-нечетных фаз.
Улучшение точности измерений как в каонных распадах, так и в распадах В-мезонов, измерение редких распадов В-мезонов предоставляют уникальную возможность для поиска новой физики вне рамок СМ. Например, точное измерение вероятности идущего за счет прямого СР-нарушения распада К\ —> тгий является уникальным тестом Стандартной Модели. Отличие экспериментальной величины от предсказания СМ для вероятности этого распада, которая теоретически определяется в СМ с точностью около 30%, однозначно указывало бы на проявление "новой физики". Другая возможность - это сравнение двух унитарных треугольников: один из которых определен из редкого распада нейтрального каона К% -» яий и заряженного каона К+ -» п+ий, а другой из распадов В-мезонов. Любое расхождение между этими треугольниками (в СМ они должны быть идентичны) также означает проявление "новой физики".
В свою очередь, можно ожидать эффектов СР-нарушения в тех процессах, где СМ предсказывает нулевой эффект, однако ряд расширений СМ (мульти-Хиггсовские, суперсимметричные и лептокварковые модели) содержат новые физические фазы, которые могут быть источниками различных СР- и Т-нарушающих взаимодействий, приводящих к ненулевым эффектам. Такими примерами могут быть измерение дипольного момента нейтрона, продольной поляризации мюонов в распаде К\ —> fi+n~, а также измерение поперечной поляризации мюонов в полулептонных и радиационных распадах каонов. Отличная от нуля величина такой поляризации на вполне достижимом уровне чувствительности эксперимента ~ Ю-3 предсказывается многими моделями, имеющими новые СР-нечетные фазы. Следовательно, проведение таких измерений может привести к обнаружению новых источников СР-нарушения, либо серьезно ограничить параметры этих моделей или исключить их совсем. Целью настоящей работы является поиск нарушения Т-инвариантности в полулептонных и радиационных распадах положительного каона, т.е. поиск "новой физики" вне рамок Стандартной Модели.
Цель и методы исследования
Основными задачами данной работы являются:
Разработка и создание экспериментальной установки для поиска нарушения Т-инвариантности в полулептонных и радиационных распадах положительного каона и измерения параметров этих распадов.
Измерение Т-нечетной поперечной поляризации мюона Рт и Т-на-рушающего параметра Im(f) в распаде К+ -* тг^и.
Поиск нарушения Т-инвариантности в радиационном распаде АГ+ —
Измерение форм факторов полулептонных распадов К+ — ire+u и К+ -* 7г^+і/ и поиск взаимодействий, выходящих за рамки стандартной V-A теории в этих распадах.
Стандартная Модель предсказывает в этих распадах величину Рт на уровне < 10~7, в то время как в ряде расширений СМ (модели с несколькими Хиггсовскими дублетами, суперсимметричные модели, лептокварковая модель) величина Рт может достигать уровня < Ю-3. Таким образом, обнаружение ненулевой величины Рт на этом уровне означало бы нарушение Т-инвариантности и являлось бы проявлением "новой физики" за пределами СМ. Поскольку в различных моделях величины Рт в этих распадах коррелированы различным образом, то в случае ненулевого эффекта одновременное измерение Рт в распадах К+ — жц+и и К+ —> (i+vy дало бы дополнительную информацию о типе нестандартной модели и источнике СР-нарушения.
Эксперимент Е246 проводился на пучке положительных каонов низкой энергии 12 ГэВ протонного синхротрона КЕК (Япония). Для этого была разработана и создана установка, основными элементами которой являются: активная мишень из сцинтилляционных волокон, сверхпроводящий тороидальный спектрометр, электромагнитный калориметр на основе
кристаллов CsI(Tl), многопроволочные пропорциональные камеры, кольцевой годоскоп, а также мюонный поляриметр. Уникальными особенностями данного эксперимента являются: а) использование остановившихся као-нов и полное восстановление кинематики распадов, что дает возможность подавить систематическую погрешность, связанную с транспортировкой каонного пучка и возможным асимметричным распределением каонов в пучке; б) азимутальная симметрия установки; в) применение метода двойного отношения для компенсации систематических погрешностей; г) использование поляриметра низкой плотности для измерения поляризации мюона.
Созданная установка также позволила провести с высокой точностью измерения параметров полулептонных распадов положительного каона. Принципиально новым явилось использование остановленных каонов для изучения этих распадов, что позволило избавиться от многих систематических погрешностей, свойственных экспериментам, в которых каоны распадаются на лету. Кинематические параметры заряженных частиц измерялись с помощью тороидального магнита, активной мишени и системы пропорциональных камер, а для измерения фотонов и 7Г использовался Csl калориметр.
Научная новизна
В работе получены следующие новые результаты.
Впервые разработана и создана экспериментальная установка по поиску нарушения Т-инвариантности в распадах остановленных положительных каонов, обладающая чувствительностью к Т-нечетной компоненте поляризации мюона на уровне 10~3. Использование тороидального магнита и CsI(TI) калориметра позволило полностью восстановить кинематику исследуемых распадов в широком диапазоне импульсов частиц. Решающим фактором, позволившим снизить систематическую погрешность до уровня < Ю-3, явилось применение метода двойного отношения, в котором все полезные события были разделены на два класса по отношению к направ-
ленгао импульса пионов в случае К^ распада и фотонов для К^ распада. Высокую чувствительность установки к поляризации мюона обеспечило использование поляриметра низкой плотности.
Электромагнитный калориметр на основе кристаллов CsI(Tl) с PIN фотодиодами, разработанный и созданный для этого эксперимента, обладает рядом уникальных параметров: высоким световыходом, низким уровнем шума и высоким временным разрешением.
Выполнены новые измерения Т-нечетной поляризации мюона в К^ распаде и получены новые ограничения на величину Рт и Т-варушающий параметр Im().
Впервые Куці распад надежно выделен в области ниже К^ пика и измерена нормальная поляризация мюона в этом распаде. Впервые проведено измерение Т-нечетной поляризации мюона в этом распаде и установлен верхний предел на ее величину.
Проведен детальный анализ физического фона, имитирующего Т-не-четный эффект. Выполнены расчеты нормальной к плоскости распада поляризации мюона Яр", возникающей вследствие электромагнитного взаимодействия в конечном состоянии. Показано, что величина этой поляризации за счет двухфотонных диаграмм достигает величины < 10~5 в К& распаде. В случае К^г7 распада Pf* < Ю-8. Также сформулирован новый метод определения величин и знаков векторного и аксиально-векторного форм факторов Кtfy распада из измерения продольной и нормальной к плоскости распада компонент поляризации мюона, а также из распределения Pf" по Далитц диаграмме этого распада.
Получены новые ограничения на параметры нестандартных моделей СР-нарушения: модели с несколькими Хигтсовскими дублетами, ряд суперсимметричных расширений Стандартной Модели, лептокварковой модели и модели с лево-правой симметрией.
Выполнены новые измерения слабых форм факторов К& распада с" точностью, существенно превосходящей предыдущие эксперименты. Получены ограничения на величины скалярного и тензорного форм факторов в этом распаде.
Проведено новое измерение отношения вероятностей К^ и Кез распадов и проведена проверка ц—е универсальности в полулептонных распадах К+.
Сформулирован новый метод измерения Т-нарушающей поляризации мюона в распадах К^ и К^-у, позволяющий достичь чувствительности к этой поляризации в обоих распадах ~ Ю-4. Характерными особенностями метода являются высокий аксептанс установки к этим распадам и высокая чувствительность эксперимента к Т-нечетным эффектам в обоих распадах. Метод основывается на прецизионном измерении кинематических параметров нейтральных частиц, использовании эффективной фотонной вето системы и активного поляриметра, что позволяет избежать использования магнитного поля в этом методе.
Научная и практическая ценность работы
Полученные результаты измерений Т-нечетной поляризации мюона в К^ и К^ распадах позволяют установить новое ограничение на Т-на-рушающий параметр Im(f) К^ распада, существенно ограничить параметры некоторых расширений Стандартной Модели, таких как мульти-Хиггсовские, суперсимметричные и лептокварковые модели. Измерение Далитц диаграммы Ке3 распада позволило получить ограничение на вклад скалярного и тензорного взаимодействий в этот распад. Сформулирован новый метод измерения Т-нечетной поляризации мюона в распадах К+.
Практическую ценность представляет разработанный метод измерения поляризации мюона в распадах остановленных положительных ка-онов. Созданная уникальная установка в дальнейшем будет использована для изучения полулептонных и нелептонных мод распада положительного каона. Используемые в этой работе методы и техника для создания Csl калориметра и кольцевого сцинтилляционного годоскопа применяются при создании электромагнитных калориметров и вето детекторов фотонов. Практическую ценность представляет методика получения уникальных параметров CsI(Tl) детекторов с PIN фотодиодами и разработанная
электроника, позволяющая получить высокое временное и энергетическое разрешение для таких детекторов.
Полученные в этой работе результаты и разработанные методы детектирования и восстановления кинематики распадов положительных као-нов, а также методы и принципы прецизионного измерения поляризации мюона и компенсации систематических погрешностей могут представлять интерес для аналогичных экспериментов, проводящихся и планируемых в ряде лабораторий. В частности, в ИФВЭ (Протвино), БНЛ (США), ФНАЛ (США), KLOE (Фраскати, Италия), на строящемся в Японии сильноточном протонном ускорителе (JHF) и др. Полученные результаты включены в суммарные таблицы элементарных частиц (PDG).
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения.
Разработка методики эксперимента и создание установки для измерения Т-нечетной поляризации мюона в распадах остановленных положительных каонов с чувствительностью 8РТ ~ 10~3. Основными принципами, лежащими в основе эксперимента, являются использование остановленных каонов, азимутальная симметрия установки, метод двойного отношения и использование поляриметра низкой плотности для получения высокой чувствительности к поляризации мюона.
Разработка и создание электромагнитного калориметра на основе кристаллов CsI(Tl) с PIN фотодиодами. Характерными особенностями калориметра является высокое энергетическое разрешение, низкий уровень шумов и высокое временное разрешение. Полученные параметры калориметра позволили проводить измерение кинематических параметров фотонов и пионов с высоким разрешением и эффективно подавить вклад систематических погрешностей в Рт за счет использования метода двойного отношения.
Результаты измерения Т-нечетной поляризации мюона Рт и Т-на-
рушающего параметра Im(f) в распаде К+ — -хц+и.
Методика отбора К+ — ц+vy событий при импульсах мюона ниже Кті пика и результаты измерения Т-нечетной поляризации мюона в К+ -* ft+wy распаде.
Результаты измерения слабых форм факторов в распаде К+ -» тге+1/ и полученные ограничения на вклад скалярного и тензорного взаимодействий в этот распад.
Результаты измерения отношения вероятностей полулептонных распадов Г(Крз)/Г(Ка) и проверка /х — е универсальности.
Полученные ограничения на параметры ряда расширений Стандартной Модели, предсказывающих существование новых источников СР-на-рушения.
Новый метод измерения Т-нечетных эффектов в К^ и К^у распадах положительного каона, позволяющий достичь чувствительности к поляризации 5РТ < 10-4 в обоих распадах.
Апробация работы и публикации
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались автором на многих Международных конференциях, совещаниях и семинарах: Международные конференции "Частицы и ядра": PANIC-ХШ, Перу-джа, Италия, 1993 г.; PANIC-XV, Уппсала, Швеция, 1999 г.; PANIC-XVI, Осака, Япония, 2002 г.; XXIX Recontre de Moriond "Electrowek interactions and Unified theories", Франция, 1994 г.; Конференция по каонной физике KAON-96, Париж, 1996; Рабочее совещание по Японскому адронному проекту JHF-98, КЕК, Цукуба, Япония; Кварки 2000, Пушкин, 2000 г.; Кварки 2002, Великий Новгород, 2002 г.; NANPino, Дубна, 2000 г.; NANP, Дубна, 2001 г.; Международные Конференции "Детекторы и установки для е+ - е~ коллайдеров": Instrumentation-96, Новосибирск, 1996; INSTR02, Новосибирск, 2002; КЕК Workshop on Scintillation Crystals, 1997, КЕК, Цукуба, Япония; International Workshop "е+е~ Collisions from ф to J/V>", Новосибирск, 1999; Конференции по физике ядра и частиц NP01, Цукуба,
Япония, 2001 и NP02, Киото, Япония, 2002 и др.
Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 49 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения (Глава 1), семи Глав и Заключения (Глава 9). Объем диссертации составляет 209 страниц, включая 95 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает в себя 207 наименований.
