Введение к работе
Актуальность темы исследования связана с довольно большой неопределённостью в измерении времени жизни нейтрального пиона и не очень хорошем согласовании предыдущих измерений с одной стороны и довольно точными теоретическими предсказаниями для этой величины с другой стороны.
Действительно, ширина распада 7Г -мезона на два 7-кванта является наиболее точно вычисляемой величиной в квантовой хромодинамике (КХД) для области низких энергий. Она связана простым соотношением с временем жизни (г):
Г(тг - 77) = - Br(ir - 77), (1)
где Вг(тг —> 77) " хорошо известная доля распада 7г-мезона на два 7-кванта. близкая к единице. Поэтому измерение ширины распада 7Г^77 зачастую называют измерением времени жизни нейтрального пиона. В киральном пределе, при стремлении масс и- и d- кварков к нулю:
СУ ]ХГ 777
^(^^ = Ё^ = (7-725±аовд
где а - постоянная тонкой структуры; Nc - количество цветовых состояний кварков; тппо - масса 7Г-мезона; Fno - константа распада 7Г-мезона [1, 2]; численное значение приведено для Nc = 3. Более точные расчёты дают величину (7.92 ± 0.12) эВ (расчёт по правилу сумм, основанный на аксиальной аномалии, [1, 3]) и (8.10 ± 0.10) эВ (киральная теория с учётом разной массы и- и d-квар-ков, [4]). Как видно из соотношения 2, измерение ширины распада 7Г^77 п03_ воляет непосредственно определить количество цветовых состояний кварков. Всё это порождает интерес к прецизионному измерению этой величины и на протяжении десятилетий является важной проблемой для экспериментальной физики.
Степень разработанности темы исследования. Приведём вкратце известные методики измерения времени жизни нейтрального пиона, их преиму-
щества и недостатки.
Точное измерение времени жизни 7Г -мезона по его пробегу связано с очевидными трудностями ввиду малости последнего (даже при энергиях в сотни ГэВ величина пробега составляет всего десятки микрон). Существенным достоинством техники является отсутствие в расчётах зависимости от теории механизмов рождения 7Г-мезона. Эксперимент, основанный на непосредственном измерении длины пробега 7г-мезона, был проведён в ЦЕРНе в 1984 году и является наиболее точным из предшествующих измерений (Г(7Г —> 7Т) = (7.25 ± 0.21) эВ, [5]). Основную систематическую погрешность измерения в таком методе привносит недостаточно хорошо известный импульсный спектр
7Г-МЄЗОНОВ.
Эквивалентность процессов фоторождения и распада 7Г-мезона на два 7-кванта (рис. 1) при обращении времени позволяет вычислить величину Г(7Г —> 77) п0 сечению образования 7Г -мезона в фотонном пучке путём обмена виртуальным 7_квантом с заряженной частицей - обычно ядром мишени (кулонов-ский механизм - эффект Примакова [6]):
U(Jprim 2 7ті4 tV 0 \ ( Ръ \ ( \^em\Q )\ Sill и^ \
d^l-к Vmvr/ V Я2 )
Здесь а - постоянная тонкой структуры; Z - заряд ядра мишени, Е~ - энергия
8а^^Г(тги^77)
A,Z
Рис. 1. Диаграмма фоторождения 7г-мезона в кулоиовском поле ядра с последующим его распадом на два гамма кванта.
фотонного пучка, Г(-7Г —> 77)~ ширина распада 7г-мезона на два 7-кванта; /Зп. ту,- и вп - соответственно скорость, масса и угол вылета рожденного 7Г -мезона: g - квадрат переданного в реакции четырёх-импульса; Fem - электромагнитный формфактор ядра мишени (содержащий мнимую часть из-за незначительного поглощения в ядре).
Данный метод представляется наиболее перспективным для прецизионного измерения Г(7Г —> 7Т)> так как ег0 точность пропорциональна точности измерения сечения фоторождения 7Г -мезона и может достигать процентного уровня при соответствующей постановке эксперимента и качестве детекторов. К недостаткам метода можно отнести некоторую зависимость извлекаемой величины Г(7Г —> 77) от параметров моделей его образования, а также необходимость учёта влияния ядерных механизмов рождения.
В 60-х - начале 70-х годах прошлого века был проведён ряд измерений ширины распада 7Г^77? основанных на эффекте Примакова [7-12]. Все эти эксперименты использовали гамма пучок тормозного излучения без системы его мечения. Отметим результаты наиболее значимых из этих измерений: [9, 10] Томск, 1969г., Г(тг -> 77)= (7.23 ± 0.59) эВ; [11] - DESY (ФРГ), 1970г., Г(тг -> 77)= (П.6 ± 1.2) эВ; [12] - Cornell (США), 1974г., Г(тг -> 77)= (7-92 ± 0.42) эВ.
Другой способ измерения Г(-7Г —> 77) осуществлён в 1988 году в DESY на накопительном кольце DORIS II [13]. Изучалось рождение 7Г-мезонов в столкновениях пучковых е+ е~ за счет их взаимодействия через виртуальные фотоны. Основными трудностями данного подхода являются невозможность измерения импульсов отдачи е+ е~ и точность определения светимости эксперимента. Подобное измерение имеет большую, в сравнении с другими экспериментами, ошибку: Г(7Г —> 7Т)= (7.7 ±0.7) эВ, и не используется при вычислении среднемирового значения.
Рис. 2 представляет экспериментальную ситуацию, сложившуюся с измерением величины Г(7Г —> 77) к настоящему моменту (без учёта эксперимента PrimEx). Слева направо в хронологическом порядке отмечены результаты
дэзи
(прим/ 1970
7Г —> 'I'l 10 7
ширина и распада
[эВ]
.0
Томск
(прим
Киральная теория с учётом поправок высших порядков
КХД для безмассовых кварков
Корнелл Ф
(прим.) ЦЕРН ДЭЗИ
1974 (пРямое) (е+е"
1985 1988
Правило сумм КХД
Рис. 2. Предсказания и предыдущие измерения Г (-л-0 —> 77)- Результаты экспериментов показаны точками с погрешностями в хронологическом порядке (указаны даты их публикации). Горизонтальные линии - КХД в киральном пределе и расчёты [1, 3, 4]
экспериментов и их погрешности, указаны годы их публикации. По вертикальной оси дана шкала в единицах эВ. Горизонтальная штрихпунктирная линия показывает результат в пределе безмассовых и- и d- кварков (выражение 2). Заштрихованные области -- теоретические предсказания и оценки для их погрешностей. Слева - расчёт по правилу сумм КХД [1, 3], справа - киральная теория с учётом поправок на массы и- и d-кварков, отличные от нуля и друг от друга [4].
Среднемировое экспериментальное значение Г(7Г —> 77)> полученное до учёта результата PrimEx равно (7.74 ± 0.55) эВ [14]. Здесь в ошибку заложен фактор S = 3.0, учитывающий плохое согласование результатов экспериментов между собой. Как видим, экспериментальное значение имеет ошибку около 7%. что в несколько раз уступает по точности теоретическим предсказаниям [1, 3, 4].
Цель диссертационной работы. Основной целью работы является определение времени жизни нейтрального пиона с точностью, сравнимой с точностью теоретических расчетов (на уровне 1% - 2%) по данным эксперимента PrimEx [15] (лаборатория им. Т.Джефферсона, (США)).
Научная новизна. Важным преимуществом эксперимента PrimEx является использование меченого пучка с хорошо измеряемым потоком и электромагнитного калориметра на основе кристаллов PbW04, созданного с использованием новых технологий и имеющего существенно лучшее разрешение по основным параметрам в сравнении с предыдущими экспериментами. Всё это позволило заметно улучшить погрешность измерения времени жизни нейтрального пиона и получить результат с наилучшей в мире точностью.
Практическая значимость. Прецизионное измерение времени жизни нейтрального пиона даёт возможность проверить предсказание КХД для этой величины и, как следствие, аксиальную аномалию, которая является важным компонентом современной теории поля, а также полное количество цветовых состояний кварков. Представленные в диссертации результаты использованы в таблицах свойств элементарных частиц [16] для получения среднемирового значения.
Методология и методы исследования. В эксперименте PrimEx измеряется выход 7Г-мезонов в зависимости от угла вылета и поток меченых пучковых фотонов с энергией около 5ГэВ. Упругая часть 7Г -мезонов выделяется с использованием кинематической связи - сохранения энергии в реакции фоторождения (пренебрегая энергией ядра отдачи). Измеренный выход упругих 7Г -мезонов по углу вылета и точно подсчитанный поток пучковых частиц позволяют получить величины дифференциальных сечений фоторождения 7Г-мезонов на ядрах углерода-12 и свинца-208. Применяя теорию [11. 15, 17-23] к полученным дифференциальным сечениям фоторождения, извлечена примаковская часть сечения, что позволило определть ширину распада 7Г —>77 и время жизни нейтрального пиона.
На защиту выносится:
1) Методика юстировки электромагнитного калориметра, с использованием комп-
тоновских фотонов и его калибровка на распадах 7Г —>77-
-
Выделение выхода упругих 7Г -мезонов, зарегистрированных в гибридном электромагнитном калориметре, с использованием информации от системы ме-чения пучка о времени и энергии пучковой частицы.
-
Полученные дифференциальные сечения фоторождения 7Г-мезона по углу вылета на ядрах С12 и РЬ208 при энергиях пучка 4.9-5.5ГэВ.
-
Выделение механизма Примакова для фоторождения 7Г -мезона.
-
Определение ширины Г(-7Г —> 77) на ядрах С12 и РЬ208.
-
Полученная величина времени жизни нейтрального пиона.
Апробация результатов. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на конференциях: [1] XII International Conference on Calorimetry in High Energy Physics -CALOR2006, Чикаго, США, 5 июня 2006г. [2] Научная сессия МИФИ-2007, 22 января 2007г.
[3] New Trends in High Energy Physics, Ялта, Украина, 15 сентября 2007г. [4] New Trends in High Energy Physics, Ялта, Украина, 27 сентября 2008г. [5] 2009 Users Group Annual Meeting at Jefferson Lab, Ньюпорт-Ньюс, США, 9 июня 2009г.
[6] 59 Международная конференция Ядро-2009. Фундаментальные проблемы и прикладные аспекты ядерной физики: от космоса до нанотехнологий. Чебоксары, Россия, 15 июня 2009г.
[7] Сессия-конференция секции ядерной физики отделения физических наук РАН 2009, Москва, Россия, 23 ноября 2009г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК [1-5] и 4 статьи в сборниках трудов конференций [6-9], из них 2 сборника в изданиях из
перечня ВАК.
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в подготовке эксперимента PrimEx, его проведении и контроле качества набираемых данных, онлайн и оффлайн калибровках гибридного электромагнитного калориметра, его юстировке, разработке и отладке программы реконструкции событий, учитывающей нелинейности энергетического отклика калориметра. Автором была применена методика восстановления инвариантной массы двух 7-квантов с использованием кинематической связи на сохранение энергии для выделения реакции упругого фоторождения 7Г-мезона.
Автором также получены выходы, эффективность регистрации и дифференциальные сечения фоторождения 7Г -мезонов по углу вылета, извлечена ширина распада Г(7Г —> 77) и время жизни нейтрального пиона.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографии и 2 приложений. Общий объем диссертации 235 страниц, из них 204 страниц текста, включая 99 рисунков. Библиография включает 63 наименования на 7 страницах.
