Введение к работе
Актуальность темы
Эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах являются в настоящее время одним из наиболее важных источников информации о фундаментальных константах Стандартной Модели (СМ) и параметрах квантовой хромодинамики. В течение последних десятилетий достигнут значительный прогресс в прецизионных экспериментах по проверке СМ. Одним из таких тестов СМ является эксперимент по прецизионному измерению аномального магнитного момента мюона, (g-2)/2, и сравнение результатов измерения с теоретическим расчетом, выполненным в рамках СМ. Точность измерения величины (g-2)/2, усредненная для положительных и отрицательных мюонов, достигнутая в эксперименте Е821 (БНЛ, США), составила 0.5 ррт (ррт - одна миллионная часть). Эта точность столь высока, что чувствительность к новым фундаментальным физическим явлениям, не описываемых СМ, сопоставима с измерениями на самых современных суперколлайдерах. Однако, правильная интерпретация результатов измерения невозможна без знания вклада адронной поляризации вакуума в величину (g-2)/2 с сопоставимой точностью. В области энергий коллайдера ВЭПП-2М этот вклад не может быть вычислен с необходимой точностью, исходя из первых принципов, и вычисляется путём интегрирования экспериментально измеренных адронных сечений.
Одна из главных физических задач детектора КМД-2 состояла в измерении сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции в адроны во всей доступной области энергий коллайдера ВЭПП-2М с систематической точностью лучше 1%. Эта систематическая ошибка определяет точность вычисления дисперсионного интеграла при расчете адронного вклада в аномальный магнитный момент мюона ajjad, где в качестве функции интегрирования входит отношение сечений, которое
принято выражать через величину R(s):
R(s) = а{е+е -л hadrons)/o-(e+e -4 /n+/i ),
где а(е+е~ —> hadrons) - сечение аннигиляции электрон-позитронной пары в адроны, а а(е+е~ —> /*+Ц~) - сечение рождения мюонной пары.
где K(s) - монотонно меняющаяся функция, значения которой лежат в пределах от 0.6 до 1 (при больших энергиях). Вклад в интеграл от области высоких энергий y/s > 10 ГэВ незначителен: 0.85 ± 0.01 ррт и с достаточной точностью вычисляется в рамках КХД. Область энергий коллайдера ВЭПП-2М дает основной вклад в величину a^ad (~ 86%) и определяет ее точность (~ 70%), причем доминирует канал электрон-позитронной аннигиляции в два пиона. Численная оценка этого интеграла, согласно последним работам, составляет (696.3 ± 7.2)-10-10 или ~ (60 ±0.6) ррт.
Одним из факторов, ограничивающих точность вычисления адронных сечений, является теоретическая точность радиационных поправок, с которыми эти сечения вычислены. Значительное улучшение точности расчета сечений с радиационными поправками стало возможным благодаря применению формализма Структурных Функций для описания излучения фотонных струй в коллинеарной области. Это, с одной стороны, позволяет произвести свертку смещенного борновского сечения со спектром излучения многих фотонов, а, с другой, учесть во всех порядках по а, усиленные вклады в сечение при излучении фотонов в коллинеарной области.
Для изучения структуры векторных мезонов р, ш, ф и их распадов эксперименты, проводимые на встречных е+е~ пучках, также важны, поскольку дают наиболее точную информацию о параметрах векторных мезонов. Радиационные распады этих
мезонов являются важным инструментом для изучения их структуры и динамики взаимодействия. Новая информация об этих распадах позволяет проверить границы применимости SU(3) симметрии и Модели Векторной Доминантности.
Наиболее точные данные по адронным сечениям, имеющиеся в настоящее время, получены на ускорителе ВЭПП-2М в экспериментах с детекторами КМД-2 и СНД. Детектор КМД-2 — это первый универсальный магнитный детектор, работавший в области энергий ВЭПП-2М. Он содержит как магнитный спектрометр, позволяющий измерять импульсы заряженных частиц, так и электромагнитный калориметр, обеспечивающий регистрацию фотонов и измерение их энергий и углов вылета, что позволяет с высокой эффективностью осуществлять идентификацию частиц. Набранный интеграл светимости в экспериментах с детектором КМД-2 составил ~ 30 обратных пикобарн, и значительная часть статистики уже обработана.
Цель исследования
Нсістоящая работа посвящена разработке и созданию детектора КМД-2 для проведения серии экспериментов по измерению сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции на коллайдере ВЭПП-2М.
Целью работы, положенной в основу диссертации, являлось:
Разработка и создание детектора КМД-2 для прецизионных измерений сечений рождения адронов в е+е~ столкновениях на ВЭПП-2М.
Набор необходимой экспериментальной статистики, которая должна обеспечить процентную точность измерения адронных сечений во всей области энергий коллайдера ВЭПП-2М.
Создание Z-камеры, которая являлась как частью системы запуска детектора (первичный заряженный триггер), так и устройством для точного определения полярного угла треков и абсолютной калибровки других систем детектора.
Разработка методики мониторирования стабильности энергии пучков ВЭПП-2М во время набора статистики на основе анализа формы импульсных спектров коллинеарных событий.
Измерение сечения процесса е+е~ —> тг+іг~ во всей доступной области энергий коллайдера ВЭПП-2М с систематической точностью меньше 1%.
Изучение сечения процесса е+е~ -> 7г+7г-7Г и прецизионное измерение параметров w-мезона.
Вычисление сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции с прецизионными радиационными поправками. Создание на их основе Монте-Карло генератора, моделирующего процессы рождения лептонов и адронов в е+е- столкновениях.
Вычисление полных сечений с а поправками к лептонным и адронным каналам электрон-позитронной аннигиляции. Вычисление оператора поляризации вакуума в фотонном пропагаторе с точностью лучше 0.1% в области энергий ВЭПП-2М.
Научная новизна
Создан универсальный магнитный спектрометр КМД-2 для проведения экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М. Разработана и изготовлена Z-камера КМД-2, имеющая высокое координатное и временное разрешение, что позволило использовать ее как в первичном триггере, так и для точного определения полярного угла треков и абсолютной калибровки других систем детектора. Подобрана и исследована "быстрая" газовая смесь на основе фреона-14, что позволило достигнуть временного разрешения для двухтрековых событий на уровне 3.5 не.
Продемонстрирована возможность контроля стабильности энергии пучков ускорителя на основе анализа формы импульсных спектров заряженных частиц в коллинеарных событиях.
Впервые сечение процесса е+е~ -» 7г+7г~ измерено во всей доступной области энергий коллайдера ВЭПП-2М с систематической ошибкой меньше 1%. При аппроксимации экспериментальных данных параметры р мезона определены с точностью лучше среднемировой.
Впервые Проведено Моделирование Процесса Є+Є~ —> 7Г+7Г_7Г
с учетом изменения кинематики конечных частиц при излучении фотонов начальными частицами, что позволяет корректно учесть зависимость эффективности регистрации данного процесса от энергии в с.ц.м.
В диапазоне энергий от 780 до 810 МэВ измерено сечение
процесса е+е~ -> 7г+7г_7г с точностью, соответствующей
лучшим измерениям в этой области энергий. Определены
параметры w-мезона: точности измерения лептонной ширины
и ее отношения к полной ширине лучше среднемировых;
точность измерения массы значительно лучше всех
предыдущих измерений; точность измерения полной ширины
находится на уровне среднемировой.
Впервые вычислены сечения электрон-позитронной аннигиляции с радиационными поправками, точность которых лучше 0.2%. На их основе создан Монте-Карло генератор для моделирования процессов рождения лептонов и адронов. Повышение теоретической точности расчета сечений с РП достигнуто за счет учета параметрически усиленных вкладов в сечение при излучении фотонных струй в коллинеарной области, для описания которых используется формализм Структурных Функций.
Эффекты поляризации вакуума в фотонном пропагаторе вычислены с относительной точностью лучше 0.1% в области энергий коллайдера ВЭПП-2М. На основе данных детектора КМД-2 вычислен адронный вклад в аномальный магнитный момент мюона.
Научная и практическая ценность работы
Детектор КМД-2 — это первый универсальный магнитный детектор, работающий в области энергий ВЭПП-2М. Он содержит как магнитный спектрометр, позволяющий измерять импульсы заряженных частиц, так и электромагнитный калориметр, обеспечивающий регистрацию фотонов и измерение их энергий и углов вылета, что позволяет с высокой эффективностью осуществлять идентификацию частиц. Наиболее точные данные по адронным сечениям, имеющиеся в настоящее время, получены на коллайдере ВЭПП-2М с детекторами КМД-2. Ведется обработка интеграла светимости ~ 30 обратных пикобарн, на ленты записано более 1010 событий. Информация, накопленная за время работы детектора, составляет около одного Терра байт.
Создана двухслойная цилиндрическая пропорциональная Z-камера, являющаяся одним из основных элементов трековой системы детектора КМД-2. Разработана методика изготовления тонких цилиндрических катодов. Временные и пространственные разрешения камеры адекватны требованиям, предъявляемым к трековой системе. Выбрана удобная в эксплуатации и быстрая газовая смесь на основе фреона-14 (CF4) и изобутана, обеспечивающая необходимые характеристики камеры. За время эксплуатации с 1993 по 2000 год камера продемонстрировала устойчивую работу и стабильность параметров.
Созданы программы калибровки электронного тракта Z-камеры, оперативного контроля ее параметров, чтения и обработки информации в процессе эксперимента, а также матобеспечение для восстановления Z-координаты и временной привязки событий к моменту столкновения пучков.
Изучена стабильность энергии пучков ВЭПП-2М по данным измерений на основе метода резонансной деполяризации. Показано, что долговременная стабильность средней энергии пучков составляет ~ 55 кэВ. Разработанный метод независимого контроля стабильности энергии пучков ускорителя, путем измерения формы импульсного спектра заряженных частиц, может быть использован во всем диапазоне энергий ВЭПП-2М.
Измерено сечение процесса е+е~ -> 7г+7г~ во всей доступной области энергий коллайдера ВЭПП-2М. Полученные результаты превосходят по точности измерения все предыдущие эксперименты вместе взятые.
Результаты, полученные по измерению параметров w-мезона, улучшают среднемировую точность и повышают достоверность этих величин.
Получены выражения для сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции с прецизионными радиационными поправками. Повышение точности вычисления сечений с РП достигнуто за счет учета излучения фотонных струй в коллинеарной области. На основе этих сечений создан Монте-Карло генератор, моделирующий процессы рождения лептонов и адронов в е+е~ столкновениях.
Достигнутые точности измерения адронных сечений позволили вычислить эффекты поляризации вакуума в фотонном пропагаторе с точностью 0.1% , а также уменьшить ошибку при вычислении адронного вклада в аномальный магнитный момент мюона до уровня 0.3 ррт в области энергий ВЭПП-2М.
Результаты данной работы важны по многим аспектам. Во-первых, накопленный опыт при создании и эксплуатации детектора КМД-2 используется в настоящее время при создании нового детектора КМД-3. Во-вторых, результаты измерения адронных сечений востребованы для улучшения теоретической точности расчета адронного вклада в аномальный магнитный момент мюона и могут быть использованы в научных центрах России и за рубежом, в частности, в ГНЦ РФ "Институте теоретической и экспериментальной физики" (г. Москва), Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна), Институте ядерных исследований РАН (г. Москва), в центрах ДЕЗИ (г. Гамбург, Германия), ЦЕРН (г. Женева, Швейцария), КЕК (г. Цукуба, Япония), СЛАК (г. Стэнфорд, США), ИФВЭ (г. Пекин, Китай) и в других лабораториях мира, ведущих исследования по физике высоких энергий.
Апробация работы
Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно
докладывались и обсуждались на научных семинарах в ведущих
отечественных и зарубежных центрах, таких как ИЯФ СО
РАН (г. Новосибирск), ГНЦ РФ "ИТЭФ" (г. Москва), ГНЦ РФ
"ИФВЭ" (г. Протвино, Московская обл.), SLAC (г. Сэнфорд,
США), BNL (г. Брукхэвен, США), INFN (г. Фраскати, г. Пиза,
Италия), ИФВЭ (г. Пекин, Китай). Кроме того, результаты работы
докладывались на Международной конференции "СТРУКТУРА
АДРОНОВ '96" (Стара Лесна, Словакия, февраль 1996);
Международной конференции по методике экспериментов на
встречных электрон-позитронных пучках (г. Новосибирск, Россия,
февраль 1996); Международной конференции по проволочным
камерам (г. Вена, Австрия, февраль 1997); Международной
конференции по физике высоких энергий "ICHEP98" (г. Ванкувер,
Канада, август 1998); Международном совещании по электрон-
позитронным столкновениям от ф до Ц'ф (г. Новосибирск,
Россия, март 1999); Международной конференции "АДРОН '99"
(Пекин, Китай, август 1999); Международной конференции
"АДРОН '01" (г. Протвино, Россия, август 2001); Международном
совещании по фотон-фотонным столкновениям "ФОТОН2001" (г.
Аскона, Италия, сентябрь 2001); Международной конференции
по методике экспериментов на встречных электрон-позитронных
пучках (г. Новосибирск, Россия, февраль 2002); Международной
конференции "SIGHAD" (г. Пиза, Италия, октябрь 2003);
Международной конференции по частицам и ядрам "PANIC02"
(г. Осака, Япония, сентябрь 2002); Международной Европейской
конференции по физике высоких энергий "ШЕР03" (г. Аахен,
Германия, июль 2003); Международном совещании по электрон-
позитронным столкновениям от ф до J/ф (Новосибирск, Россия,
март 2006); Международной конференции по физике высоких
энергий "ICHEP06" (г. Москва, Россия, август 2006).
Структура работы
Диссертация состоит из введения, семи основных глав и заключения. Объем диссертации составляет 177 страниц, включая 93 рисунка и 17 таблиц. Список литературы включает 124 наименования.
