Содержание к диссертации
Введение
1 Инклюзивное рождение тяжелого кварконня ^
1.1 Массы и моды распада чармония 13
1.2 Рождение чармония 14
2 Ускорительный комплекс Тэватрона и детектор CDF II 20
2.1 Ускоритель 20
2.2 Детектор CDF II 24
2.3 Генерация и моделирование событий 43
2.4 Объектно-ориентированный код 44
2.5 Система анализа данных CAF 44
3 Создание кремниевого вершинного трекового детектора SVX II 47
3.1 Создание кремниевых микростриповых детекторов для вершинного детектора (SVX И) 47
3.2 Конструкция вершинного детектора (SVX II) 50
3.3 Создание электроники считывания для вершинного кремниевого детектора (SVX И) 54
4 Оптимизация и измерение эффективности двухмюонного триггера 60
4.1 Мюонный триггер в Сеансе II 60
4.2 Оптимизация двухмюонного триггера 63
4.3 Эффективность триггера J/ф для одиночных CMU мюонов 67
4.4 Измерение эффективности триггера L1 67
4.5 Эффективность триггера СМХ 74
4.6 Эффективность двухмюонного триггера 78
5 Описание эксперимента 82
5.1 Общие характеристики набора экспериментальных данных 82
5.2 Определение светимости 88
6 Аксептанс детектора для CMU-CMU J/ф 93
6.1 Вклад геометрии и кинематики в аксептанс 93
6.2 Монте Карло моделирование с программой GEANT 94
6.3 Параметрическое моделирование 96
6.4 Систематические погрешности 111
7 Измерение инклюзивного сечения J/ф 121
7.1 Эффективности восстановления мюонов 121
7.2 Определение сечения 130
7.3 Систематические погрешности и качество фитирования 131
7.4 Обсуждение результатов 149
Заключение 169
Литература 185
- Генерация и моделирование событий
- Создание кремниевых микростриповых детекторов для вершинного детектора (SVX И)
- Монте Карло моделирование с программой GEANT
- Систематические погрешности и качество фитирования
Введение к работе
Общая Характеристика Работы
Актуальность темы
Детектор CDF II является результатом работы по всесторонней модернизации первоначального детектора CDF, закончившего набор данных в Сеансе I на Тэватроне в 1996 году. В первом сеансе коллаборация CDF внесла важный вклад в развитие В физики, проведя одни из лучших измерений масс, времени жизни, сечений, ОСЦИЛЛЯЦИИ и вероятностей распада.
С точки зрения чарм физики, наиболее важной частью проведенной модернизации является новая интегрированная трековая система и новая триггерная система. Интегрированная трековая система состоит из трех кремниевых систем (LOO, SVX II и ISL) и дрейфовой камеры СОТ. Детектор имеет новую трехуровневую триггерную систему, отличительными особенностями которой являются триггер на мюоны с низким поперечным импульсом и триггер на смешенные треки и вершины.
Сечение рождения тяжелого кваркония на протон-антипротонном коллайдере на 5 порядков выше, по сравнению с е+е~ В фабриками, однако оно на 3 порядка меньше полного сечения в 100 мб. Проблема большого фона может быть решена только с применением уникального вершинного детектора и высокоэффективной триггер-ной системы. Именно этим объясняется то, что прежде чем приступить к вопросу об изучении процессов, связанных с рождением чармония, автор проделал большую методическую работу по созданию кремниевого вершинного трекового детектора SVX II и изучению и оптимизации мюонного триггера CDF II.
Механизмы рождения J/ф в рр столкновениях еще недостаточно изучены. Сечения рождения в двух основных каналах, Ь — J/фХ и прямых немедленных распадах, оказались существенно выше чем первоначальные теоретические предсказания [1.2]. Последние достижения в области теории извлечения непертурбативных функций фрагментации В мезонов из данных, накопленных на ЛЭП (ЦЕРН), согласующиеся с расчетами в NLO QCD Ь сечений образования адронов, уменьшили расхождение между теоретическими прогнозами и измерениями сечений Ь — J/фХ в Сеансе I на CDF до
менее чем 50% [3,4].
Получение тяжелого кваркония даёт возможность изучать КХД, как в пертурба-тивном, так и в непертурбативном режимах. Ранее на CDF были сделаны несколько работ по анализу образования кваркония на основе данных, собранных в Сеансе I. Были измерены дифференциальные сечения образования J/ф, ф{2Б) и Т. мезонов [1,5-8]. Чармоний, образованный в распадах В адрона, был отделен от Промпт (с нулевым временем жизни) компоненты используя смещение вершины. Кроме того, был измерен вклад Хс в образование Промпт J/ф [9]. Было найдено, что сечение прямого образования J/ф и ip(2S) (то есть, за вычетом вклада от Хс) было значительно больше (в 50 раз), чем предсказания Цвето-Синглетной модели [10]. Этот результат стимулировал включение цвето-октетных ее состояний в теоретические вычисления образования кваркония.
Нерелятнвистские связанные состояния кваркония наиболее полно описываются теоретическими моделями НеРелятивистской Квантовой ХромоДинамики (HP КХД), которые позволяют предсказать сечения образования адронов [11,12]. При больших поперечных импульсах генерация фрагментационного типа доминирует и матричные элементы цветовых октетов превалируют над вкладом матричных элементов цветовых сингле-тов [13]. Результаты находятся в хорошем согласии с данными Тэватрона для поперечных импульсов priJ/ф) > 5 ГэВ/с. Цвето-Синглетная Модель (ЦСМ) рассматривает только диаграммы, где ее пара рождается в состоянии цветового синглета. В ней нет неопределенных параметров, за исключением обычных масштабных параметров.
Цвето-Октетный Механизм (ЦОМ) включает се пары, рожденные в состоянии цветового октета. Первоначальное рождение может быть подсчитано пертурбативно и использовано, чтобы предсказать рт зависимость сечения. Переход в состояние цветового синглета, необходимое для образования связанной ее частицы, происходит путем испускания медленного глюона, что не может быть посчитано пертурбативно, поэтому нормировка находится фитированием теории по данным. В отличие от ЦСМ, ЦОМ может предсказать только форму распределения сечения. Эти предсказания расходятся с данными как при малых, так и при больших priJ/Ф). ЦОМ дает оценку нормировки сечения для высоких pr(J/i>) с точностью до одного порядка. Прямое рождение J/ф включает 3 диаграммы, каждая из которых вносит неизвестный матричный элемент, являющийся свободным параметром теории. Два из них объединены в один член, обозначаемый (1). Третий вклад, обозначаемый 35ь является результатом фрагментационного рождения и доминирует в сечении при высоких рт (рт > 4 тпс для J/ф). Сечение прямого образования J/ф также включает в себя вклад от. ф{2Э) —> J/фХ [14].
Факторизация HP КХД обеспечивает систематический формализм для вычисления сечений рождения и распада кваркония в рамках КХД. Факторизация HP КХД — это следсвие КХД,.а не модель. Она применима в пределе т,рт » Лкхд, где тп,рт —
масса и поперечный импульс тяжёлого кварка. Сравнение теоретических предсказаний для рождения кваркония с экспериментальными данными дают проверку как HP КХД, так и формализма факторизации при жестком рассеивании. Согласно предсказанию теории, матричные элементы универсальны (не зависят от процесса) и пропорциональны скорости тяжёлого кварка в связанном состоянии в системе центра масс, v.
Факторизация HP КХД даёт механизм цвето-октетного рождения, позволяющий устранить различие между данными Тэватрона и цвето-синглетной моделью. Матричные элементы согласуются с правилами масштабирования по v и сочетаются с большинством процессов, но погрешности велики. С теоретической стороны необходимы проведение NLO вычислений, ресуммирование, работа над пониманием источника больших нелогарифмическнх NLO поправок и больших поправок порядка v2, лучшее определение т и расчёт матричных элементов на решётках.
Поляризация при рождении кваркония также является важной проверкой факторизации HP КХД. Она может помочь найти различия между механизмом факторизации HP КХД и моделью цветового испарения. До сих пор не существует убедительных экспериментальных доказательств наличия поперечной поляризации, связанной с цвето-октетным рождением, однако погрешности эксперимента остаются большими. Возможно, вычисления, связанные с рождением Q — Q жёстким рассеиванием, потребуют дополнительного исследования, так как есть неясности с пониманием процессов рождения тяжелых кварков на Тэватроне: измеренное сечение рождения Ь-кварка значительно выше, чем центральное теоретическое значение [15-18]. Возможно, потребуется пересуммирование серий возмущений или учет дополнительных механизмов рождения, или даже новой физики.
При малых поперечных импульсах эффекты медленных глюонов и нефрагментационные эффекты от других октетных матричных элементов, которые трудно вычислить теоретически, дают существенный вклад и приводят к отличию между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными. Измерения сечений T(nS) при малых поперечных импульсах в Сеансе I на CDF [19] показывают, что теория и данные эксперимента расходятся на рг < 6 ГэВ/с.
Установка CDF для Сеанса II имеет улучшенный двухмюонный триггер с меньшим порогом: рг > 1,4 ГэВ/с. Это позволило расширить диапазон поперечных импульсов для прошедших триггер J/ф —+ д/f событий до Рт(рц) > 0 ГэВ/с, Было произведено новое измерение полного инклюзивного сечения J/ф используя данные, накопленные в Сеансе II.
Настройка вкладов от различных КХД процессов, таких как рождение ароматов, их возбуждение и ливни/фрагментация партонов в Монте Карло моделировании может оказать большой эффект на полное сечение.
Теоретические вычисления с применением различных КХД процессов [20] были использованы для лучшего объяснения завышенного по сравнению с оценками сечения В-+ J/ф.
Цвето-Синглетные Матричные элементы HP КХД могут быть определены с помощью фитирования на измеренные в Сеансе I установкой CDF сечения T(nS) для рт(Т) > 8 ГэВ/с, где п = 1,2,3 и Р-волновые состояния Хь{1Р) и хь(2Р).
Различные КХД вычисления с использованием таких механизмов, как ЦСМ и ЦОМ [11] и теории HP КХД были проведены для того, чтобы объяснить более высокое сечение немедленного рождения J/ф, наблюдаемое экспериментально. До сих пор ни один из теоретических расчетов не дал удовлетворительных результатов.
Чарм физика на CDF
Подобно В, чарм открывает большие возможности для поиска новой физики. В В-системе петлевые диаграммы часто определяются тяжёлым t кварком, приводящим к большим амплитудам для В смешивания, нарушения СР и пингвиновских распадов. Так как чарм является кварком типа и, петлевые диаграммы не содержат тяжелый t кварк и предсказания Стандартной Модели для таких процессов меньше на несколько порядков. Промежуточные мезонные состояния, как ожидается, должны давать вклад на уровне 10~3 и таким образом затмевают вклад на малых расстояниях. В то время как наблюдение процессов, опосредованных петлями, может быть затруднено, новая физика может привести к их усилению.
Экспериментально чарм имеет некоторое преимущество по отношению к В-системе. Вероятности распада в полностью восстановленные моды находятся на уровне 10%, тогда как произведение вероятностей распада для полного восстановления В-распада типично на уровне 10~4.
В чарм физике долгое время преобладали эксперименты с неподвижной мишенью, такие как SELEX, Е791 и E687/FOCUS. В-фабрики, работающие на Т(45), имеют сечения чарма сходные с сечениями В. Результаты CLEO сравнимы с лучшими экспериментами с неподвижной мишенью. Многие лучшие измерения чарма проводятся ВаВаг и Belle, которые продолжают набор данных с еще большей интенсивностью. CLEO планирует особый сеанс (CLEO-C) при различных порогах чтобы измерить, например, отношения вероятностей распада. Однако, они не смогут конкурировать в смысле статистики с ВаВаг и Belle. В более далёкой перспективе, LHC-B и BTeV накопят также большие наборы данных с чармом. Чарм физика ещё не была изучена на рр коллайдере и не рассматривалась в физической программе Сеанса II детектора CDF П. Из-за большого сечения и SVT триггера CDF II имеет возможность накапливать большие наборы
данных очарованных адронов, открывая совершенно новые возможности для эксперимента [21]. К концу 2004 года будет записано несколько миллионов восстановленных событий адронных распадов D мезонов. Этот набор данных уже превосходит по статистике эксперименты с неподвижной мишенью и сравним с наборами БаВаг и Belle [22]. К середине Сеанса II, CDF II будет иметь более чем 2х 107 полностью восстановленных D адронов в 2 фб-1 данных, что в несколько раз превышает статистику, накопленную ВаВаг и Belle.
Подводя итог, имея в виду размер набора данных с очарованным мезоном, можно утверждать, что CDF И является естественной чарм фабрикой и будет играть важную роль в будущей чарм физике.
Данная диссертация представляет результаты разработки физического проекта по созданию вершинного кремниевого детектора, оптимизации и исследования мюонно-го триггера и измерения инклюзивного сечения J/ф на основе данных, полученных в Сеансе II установкой CDF II. Впервые измерено полное инклюзивное сечение J/ф в протон-антипротонных взаимодействиях при свервысоких энергиях. Также впервые наблюдалось поведение сечения при малых поперечных импульсах. Результаты измерения сечения при импульсах более 5 ГэВ/с (где имеются в наличии результаты предыдущих измерений) хорошо согласуются с экспериментальными данными Сеанса I.
В методические задачи автора входили оптимизация и измерение эффективности двухмгоонного триггера CDF (Глава 4) [23], создание и поддержание набора данных с двухмюонным J/ф триггером и работа над разработкой и внедрением вычислительной системы анализа физических данных (Раздел 2.5) [24].
Автор активно работал над созданием кремниевого трекового детектора CDF (Раздел 3.1), включая:
разработку первых двусторонних микрополосковых кремниевых детекторов на основе шестидюймовой технологии, используемых на уровнях 2 и 4 вершинного трекового детектора CDF II, SVX II,
испытание системы сбора данных с детектора SVX II и создание программного обеспечения к ней,
проведение испытаний кремниевых детекторов SVX II, в частности, характериза-ции электрофизических параметров, проверку радиационной стойкости детекторов и анализ треков на тестовом пучке протонов (Раздел 3.1) [25],
разработку многоканальной микросхемы считывания и оцифровки данных от микрополосковых детекторов SVX3 и проверку её эксплуатационных характеристик и
радиационной надежности (Раздел 3.3),
разработку ключевого компонента системы считывания детекторов SVX II, 1SL и L00, Компактной Порткарты (ПК, Раздел 3.3.2) [26], предназначенной для управления и считывания (посредством волоконной оптической связи) микросхем SVX3. Автор был также ответственным за тестирование, включая радиационную стойкость, производство и сборку ПК,
установку и ввод в эксплуатацию детектора SVX II.
Цель работы состояла в следующем:
Используя высокую эффективность регистрации двухмюонных событий на детекторе CDF, изучить реакцию J/ф — {л/л при.энергии в системе центра масс 1,96 ГэВ, в особенности при малых поперечных импульсах J/ф; определить полное и дифференциальное сечения распада J/ф.
В методическую часть работы входили оптимизация, разработка процедуры и измерение эффективности работы двухмюонного триггера CDF, особенно при малых поперечных импульсах J/ф, разработка программного обеспечения двухмюонного триггера, создание и поддержание набора данных с двухмюонным J/ф триггером и развитие программного обеспечения системы анализа данных.
Одной из основных целей работы было создание, установка и ввод в эксплуатацию вершинного детектора CDF, SVX II, являющегося на настоящий момент самым крупным и совершенным кремниевым вершинным трековым детектором в физике частиц.
Наконец, немаловажно отметить задачу разработки и внедрения вычислительного комплекса для анализа физических данных установки CDF И.
Научная новизна работы
Впервые был разработан и создан физический проект уникального вершинного детектора для протон - антипротонного коллайдера, работающего при энергии в системе центра масс 1,96 ТэВ, способный функционировать при мгновенной светимости 2 -1032 см~2с-1, вплоть до интеграла светимости 4 — 8 фб и имеющий более 700 тысяч каналов.
Был разработан и внедрён новый триггер, позволяющий многократно увеличить выход чармония и В мезонов. Была проведена оптимизация и измерение эффективности димюонного триггера установки CDF. Был предложен и внедрен в систему анализа экспериментальных данных установки CDF II алгоритм, моделирующий работу триггера.
Впервые измерено полное сечение реакции J/ф —* цр. в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ.
Измерено дифференциальное сечение реакции J/ф —* ftfi в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ. В области поперечных импульсов J/ф < 4 ГэВ/с подобное измерение сделано впервые.
Научная и практическая ценность работы
Созданный вершинный кремниевый трековый детектор находит широкое применение в программе физических исследований, проводимой с 2001 г. по настоящее время международной коллаборацией CDF.
Созданное программное обеспечение триггера позволяет изменять параметры триггера, контролировать его работу в ходе набора статистики, обрабатывать информацию, выдаваемую триггером в режиме оффлайн, а также проводить моделирование отклика двухмюонного триггера и измерение эффективности его работы с помощью общей программы моделирования детектора CDF, Оно может быть использовано и в других аналогичных системах.
Измерение сечения J/ф —> в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ дает ценную экспериментальную информацию для дальнейшего развития понимания динамики рождения чармония при высоких энергиях, как с точки зрения модели Не Релятивистской Квантовой Хромо Динамики, так и феноменологических подходов, позволяет провести нормировку теории и сравнение с результатами других экспериментов путём вычисления универсальных матричных элементов. Исследования процессов распада чармония внесли ясность в поведение сечения при малых поперечных импульсах J/ф.
На защиту выносится:
Результаты экспериментальных исследований по созданию вершинного трекового детектора, оптимизации и исследованию характеристик мюонного триггера и измерению инклюзивного сечения J/ф в протон-антипротонных взаимодействиях при энергии 1,96 ТэВ.
1. Был разработан физический проект по созданию кремниевого вершинного треково-го детектор установки CDF II, являющийся на настоящий момент самым крупным и совершенным кремниевым вершинным трековым детектором в физике частиц. Кремниевая трековая система насчитывает более 700 тысяч каналов, объединенных в 704 модуля, 8 слоев детекторов с охватом области псевдобыстроты до \г/\ < 2 и имеет возможность вести трехмерное восстановление треков заряженных частиц
за счет применения двусторонних детекторов. Проведена успешная установка и ввод в эксплуатацию детектора SVX IL Детектор показал отличные эксплуатационные качества, в частности, разрешение на прицельный параметр составило 35 мкм, внутреннее разрешение детекторов — 9 мкм, отношение сигнала к шуму больше 10, а эффективность одиночных срабатываний порядка 99%.
Проведена работа по оптимизации частоты срабатывания двухмюонного триггера первого уровня установки CDF II, позволившая уменьшить частоту срабатывания в 3,5 раза, что обеспечило возможность набора данных при проектной светимости, Предложена процедура и создан комплекс программ для моделирования работы двухмюонного триггера. Разработанные алгоритмы включены в пакет программ моделирования детектора CDFSIM и пакет программ анализа физических данных CDFSOFT. Проведено измерение эффективности одномюонного и двухмюонного триггера, обеспечившее выполнение экспериментальных работ с использованием данного триггера международной коллаборацией CDF. Показано, что как одно-мюонный, так и двухмюонный триггер имеют высокую эффективность при малых поперечных импульсах J/ф, что позволило снизить порог триггера и произвести набор данных, обеспечивший ряд важных измерений в области В физики, таких как измерение сечения Ь кварка и В мезона.
Впервые получено практически значимое экспериментальное значение полного инклюзивного сечения реакции J/ф —> до в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ. На настоящий момент это единственное измерение инклюзивного сечения J/ф в центральной области до рт — 0 ГэВ/с на адронном коллайдере.
А. Исследовано поведение дифференциального сечения рождения J/ф в области малых поперечных импульсов. Впервые получено практически значимое распределение дифференциального сечения реакции J/ф — до в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ. В области поперечных импульсов J/ф < 4 ГэВ/с подобное измерение сделано впервые.
Апробация работы
Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на научных и методических семинарах Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) и в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (г.Батавия, США), с которой у ОИЯИ подписан договор о научно-техническом сотрудничестве, а также публиковались в ведущих научных периодических изданиях и материалах международных симпозиумов [26,55-67,167-176]. Результаты работы докла-
дывались автором на международной конференции "International Symposium Electronic Instrumentation In Physics", проходившей в Дубне [54], на международном совещании Американского Физического Общества, Отделения Частиц и Полей (APS/DPF 2003), проходившем в Филадельфии, США [170], на международной конференции по неупругому рассеянию (DIS 2003) в С.Петербурге [166] и на международном совещании по тяжёлому кварконию (QWG 2003) в Батавии, США [168]. Кроме того, готовится большая публикация "Measurement of the J/ф Meson and b Quark Production Cross Sections in p-pbar Collisions at sqrt(s) = 1960 GeV" в журнале „Phys. Rev. D" в мае 2004 года,
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 179 наименований. Общий объём диссертации 198 страниц машинописного текста.
В Главе 1 дано изложение теоретических положений инклюзивного рождения и распада чармония. Описание ускорительного комплекса Тэватрона и детектора CDF II изложено в Главе 2. Методическая работа по созданию детектора SVX II представлена в Главе 3. В Главах с 4 по 7 проводится анализ физической информации. Оптимизация и эффективность работы триггера изучается в Главе 4. Основные характеристики эксперимента представлены в Главе 5. Анализу аксептанса детектора посвящена Глава 6. В Главе 7 изучается сечение реакции J/ф — рц при энергии 1,96 ТэВ. В Заключении представлен перечень основных результатов, полученных в работе.
Генерация и моделирование событий
Созданный вершинный кремниевый трековый детектор находит широкое применение в программе физических исследований, проводимой с 2001 г. по настоящее время международной коллаборацией CDF.
Созданное программное обеспечение триггера позволяет изменять параметры триггера, контролировать его работу в ходе набора статистики, обрабатывать информацию, выдаваемую триггером в режиме оффлайн, а также проводить моделирование отклика двухмюонного триггера и измерение эффективности его работы с помощью общей программы моделирования детектора CDF, Оно может быть использовано и в других аналогичных системах.
Измерение сечения J/ф — fj.fi в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ дает ценную экспериментальную информацию для дальнейшего развития понимания динамики рождения чармония при высоких энергиях, как с точки зрения модели Не Релятивистской Квантовой Хромо Динамики, так и феноменологических подходов, позволяет провести нормировку теории и сравнение с результатами других экспериментов путём вычисления универсальных матричных элементов. Исследования процессов распада чармония внесли ясность в поведение сечения при малых поперечных импульсах J/ф.
Результаты экспериментальных исследований по созданию вершинного трекового детектора, оптимизации и исследованию характеристик мюонного триггера и измерению инклюзивного сечения J/ф в протон-антипротонных взаимодействиях при энергии 1,96 ТэВ. 1. Был разработан физический проект по созданию кремниевого вершинного треково-го детектор установки CDF II, являющийся на настоящий момент самым крупным и совершенным кремниевым вершинным трековым детектором в физике частиц. Кремниевая трековая система насчитывает более 700 тысяч каналов, объединенных в 704 модуля, 8 слоев детекторов с охватом области псевдобыстроты до \г/\ 2 и имеет возможность вести трехмерное восстановление треков заряженных частиц за счет применения двусторонних детекторов. Проведена успешная установка и ввод в эксплуатацию детектора SVX IL Детектор показал отличные эксплуатационные качества, в частности, разрешение на прицельный параметр составило 35 мкм, внутреннее разрешение детекторов — 9 мкм, отношение сигнала к шуму больше 10, а эффективность одиночных срабатываний порядка 99%. 2. Проведена работа по оптимизации частоты срабатывания двухмюонного триггера первого уровня установки CDF II, позволившая уменьшить частоту срабатывания в 3,5 раза, что обеспечило возможность набора данных при проектной светимости, Предложена процедура и создан комплекс программ для моделирования работы двухмюонного триггера. Разработанные алгоритмы включены в пакет программ моделирования детектора CDFSIM и пакет программ анализа физических данных CDFSOFT. Проведено измерение эффективности одномюонного и двухмюонного триггера, обеспечившее выполнение экспериментальных работ с использованием данного триггера международной коллаборацией CDF. Показано, что как одно-мюонный, так и двухмюонный триггер имеют высокую эффективность при малых поперечных импульсах J/ф, что позволило снизить порог триггера и произвести набор данных, обеспечивший ряд важных измерений в области В физики, таких как измерение сечения Ь кварка и В мезона. 3. Впервые получено практически значимое экспериментальное значение полного инклюзивного сечения реакции J/ф — до в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ. На настоящий момент это единственное измерение инклюзивного сечения J/ф в центральной области до рт — 0 ГэВ/с на адронном коллайдере. А. Исследовано поведение дифференциального сечения рождения J/ф в области малых поперечных импульсов. Впервые получено практически значимое распределение дифференциального сечения реакции J/ф — до в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ. В области поперечных импульсов J/ф 4 ГэВ/с подобное измерение сделано впервые. Апробация работы Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на научных и методических семинарах Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) и в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (г.Батавия, США), с которой у ОИЯИ подписан договор о научно-техническом сотрудничестве, а также публиковались в ведущих научных периодических изданиях и материалах международных симпозиумов [26,55-67,167-176]. Результаты работы докладывались автором на международной конференции "International Symposium Electronic Instrumentation In Physics", проходившей в Дубне [54], на международном совещании Американского Физического Общества, Отделения Частиц и Полей (APS/DPF 2003), проходившем в Филадельфии, США [170], на международной конференции по неупругому рассеянию (DIS 2003) в С.Петербурге [166] и на международном совещании по тяжёлому кварконию (QWG 2003) в Батавии, США [168]. Кроме того, готовится большая публикация "Measurement of the J/ф Meson and b Quark Production Cross Sections in p-pbar Collisions at sqrt(s) = 1960 GeV" в журнале „Phys. Rev. D" в мае 2004 года, Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 179 наименований. Общий объём диссертации 198 страниц машинописного текста. В Главе 1 дано изложение теоретических положений инклюзивного рождения и распада чармония. Описание ускорительного комплекса Тэватрона и детектора CDF II изложено в Главе 2. Методическая работа по созданию детектора SVX II представлена в Главе 3. В Главах с 4 по 7 проводится анализ физической информации. Оптимизация и эффективность работы триггера изучается в Главе 4. Основные характеристики эксперимента представлены в Главе 5. Анализу аксептанса детектора посвящена Глава 6. В Главе 7 изучается сечение реакции J/ф — рц при энергии 1,96 ТэВ. В Заключении представлен перечень основных результатов, полученных в работе.
Создание кремниевых микростриповых детекторов для вершинного детектора (SVX И)
Первый уровень триггера использует информацию с детекторов установки чтобы найти физические объекты и принимает решение путем подсчёта их количества [44]. На вход триггера L1 приходят данные с калориметров, трековых камер и мюонных детекторов. Решение об отборе события для дальнейшей обработки основано на количестве и энергии электронов, струй и мюонных кандидатов, потерь энергии в событии или кинематических свойствах данных объектов. Триггер LI выполнен в виде трех па раллельных синхронных потоков обработки которые поставляют данные на вход блока, принимающего решения. Один из потоков находит объекты в калориметре (например, электроны, струи), другой находит мюоны, а третий — треки в центральной области. Триггеры могут использовать логические комбинации этих потоков. Все элементы триггера L1 синхронизованы с периодом 132 не. В настоящее время ускоритель работает в моде с 36 сгустками и периодом 396 не, поэтому 2 промежуточные периода триггера автоматически отбрасываются. Максимальная частота допускаемая триггером L1 — около 20 кГц, типичная — 12 кГц.
За формирование объектов триггера L1, связанных с треками, отвечают XFT (очень быстрый трекер) и XTRP (модуль экстраполяции), измеряющий поперечный импульс рт и ф треков. Так как мюонный и калориметрический потоки требуют наличия трека, указывающего на соответствующие элементы внешних детекторов, треки, найденные XFT должны посылаться в другие потоки. С точки зрения В-физики XFT и XTRP являются наиболее важными элементами L1. XFT обрабатывает данные с СОТ и, используя двухступенчатый алгоритм, находит треки с большими значениями рт. Для каждого осевого слоя СОТ первая ступень алгоритма определяет возможные маски срабатываний для рг 1,5 ГэВ. Затем вторая стадия алгоритма проверяет сектора по 1,2 и совмещает срабатывания с высокими рт с этими слоями, образуя трековые кандидаты с большими поперечными импульсами.
XTRP получает треки от XFT и передает их на L1 и L2. Если трек имеет рт выше порогового значения, XTRP передает его в L1. Принятие триггера L1 зависит от числа треков, найденных XTRP.
События, отобранные триггером L1 поступают на обработку на второй уровень триггера L2, состоящий из нескольких асинхронных подсистем. Обработка начинается после того, как событие записано триггером L1 в один из четырех буферов L2. Пока триггер L2 обрабатывает событие в одном из буферов, этот буфер не может быть использован для следующей записи. Если все четыре буфера заняты, эксперимент не может принимать события. Для минимизации мертвого времени, триггер L2 разделен на 2 этапа, каждый длительностью около 10 мке, что позволяет обрабатывать триггеры L1 вплоть до 50 кГц. Буфера L2 выполняют частичное восстановление событий используя всю ту же информацию что и триггер L1, но с большей точностью. Дополнительно, на уровне L2 доступна информация с ливневого детектора Shower-Max и с кремниевого детектора SVX, что улучшает идентификацию электронов и фотонов и восстановление вторичных частиц. Более того, алгоритм восстановления струй используется системой поиска кластеров. После записи события в одном из процессоров, событие проверяется на соответствие одному из условий триггера L2. Это происходит параллельно с загрузкой новых событий в память. Типичная частота триггера L2 от 100 до 300 Гц, в зависимости от светимости, с коэффициентом отбрасывания около 150. Триггер L2 имеет улучшенное импульсное разрешение для треков, более точное согласование между мюонными прототипами и центральными треками и доступ к данным от центрального ливневого детектора (CES) для улучшенной идентификации электронов и фотонов. Данные от кремниевого трекера (SVX II) также доступны для L2, они могут ассоциироваться с XFT треками с помощью триггера вторичных вершин (SVT) [71, 76J, обеспечивая точное измерение прицельного параметра трека do, который определяется как минимальное расстояние между вершиной и траекторией трека.
Триггер третьего уровня состоит из двух компонент, компоновщика событий (EVB) и фермы L3. Первый и второй уровни должны принимать решения очень быстро, что не позволяет полностью восстанавливать события. После принятия решения вторым уровнем триггера компоновщик событий собирает фрагменты события, хранящиеся в 140 крейтах, в блок данных. Ферма L3 включает в себя 16 малых ферм, которые получают фрагменты события и обрабатывают их, образуя структуру данных, пригодную для анализа. Так как обработка одного события занимает около секунды на одном процессоре, ферма L3 состоит из 250 компьютеров с двойными процессорами под операционной системой Линукс, что позволяет достичь необходимой скорости обработки.
Далее события передаются триггерному процессору, который принимает решение о их записи. При построении события проверяется его целостность, используя информацию, недоступную на ранних уровнях триггера. Происходит полное трехмерное восстановление события и более строгое согласование треков с информацией от калориметров и мюонной системы. Система алгоритмов для оффлайн анализа представляет собой модули восстановления событий и отдельные фильтры для определенных триггеров. Третий уровень обрабатывает события с частотой около 75 Гц. Размер каждого события около 250 кб. Более подробно триггерная система для идентификации мюонов рассмотрена в Главе 4
На основании известной физики изучаемых процессов разработаны компьютерные программы, воспроизводящие кинематику физических процессов (образование и распад изучаемых частиц) и моделирующие прохождение частиц через вещество детектора (потери энергии, рассеивание и прочее). Первый этап называется генерацией событий и обычно обеспечивается программами Монте Карло. Эти программы включают знания физики процессов и воспроизводят их кинематику. После генерации события обрабатываются программами моделирования, воспроизводящими физику взаимодействия частиц с веществом детектора, такими как GEANT [53], где собрана полная информация о веществе и геометрии детектора. На выходе из программы моделирования события имеют ту же структуру, что и реальные данные с установки CDF. Данные моделирования анализируются теми же пакетами программ, что и экспериментальные данные. Совпадение результатов является свидетельством того, что физика процессов и отклик детектора понятны и находятся под контролем. Несоответствия между экспериментальными данными и результатом моделирования означают недостаток знаний либо несовершенство программного кода и требуют дальнейшего изучения.
Вся система сбора и анализа данных на CDF построена на языке C++. C++ является объектно-ориентированным компьютерным языком, который использует понятие объекта как отдельной структуры с характерным набором свойств, общих для данных подобного типа. Объект, определяющий определенную категорию, обладает всеми свойствами и связями, присущими данной категории. На CDF к таким объектам относятся основные физические величины, такие как треки, или более сложные, как, например, электроны, мюоны или струи. Как только выполнены основные условия для построения физического объекта, он наполняется связями со всеми физическими величинами, которые помогают его лучшей идентификации. Таким образом, пользователь, имеющий доступ к объектам, имеет возможность делать их отбор по заданным физическим параметрам.
Монте Карло моделирование с программой GEANT
Тогда как части, отвечающие за короткие расстояния, могут быть подсчитаны пертурбативно, универсальные части должны быть найдены из результатов специально поставленных измерений и далее использоваться для предсказания результатов других измерений. Такая факторизация имеет смысл в нерелятивистском пределе (v « 1), так как это обеспечивает хорошее разделение обоих масштабов по расстоянию: 1/т « 1/mv и взаимное влияние динамики, зависящей от процесса и динамики связанного состояния становится пренебрежимо мало. При достаточно больших т v пропорциональна константе тонкой связи КХД аа(т) = #,/4тг и v падает с ростом т как \/1п т. При v w 0,3 чармоний является наилегчайшей системой кварк-антикварк, удовлетворяющей заданному масштабному критерию. Можно ислользовать другой критерий оценки порядка больших расстояний, а именно 1/m « І/AQCD. что также приводит к выводу, что чармоний является наилегчайшей системой, для которой применим способ факторизации.
Предыдущие измерения сечений рождения J/ф и ij}(2S), проведенные на эксперименте CDF, оказались значительно выше предсказаний теории на момент измерения. Это вызвало большой интерес среди теоретиков, приведший к развитию новых теорий.
В распадах тяжёлого кваркония и процессах рождения с участием твёрдого рассеивания мы имеем дело с передачей больших импульсов и энергии. Масса тяжёлого кварка т гораздо тяжелее чем KQCD Ht в случае рождения, поперечный импульс рг может также быть гораздо больше чем AQCD- Это означает, что соответствующие значения константы связи КХД значительно меньше единицы (os(mc) и 0,25 и а9{ть) кз 0Д8). Отсюда можно было бы сделать вывод, что имеется возможность точного вычисления сечения рождения и распада тяжёлого кваркония в теории возмущений. Однако, налицо присутствие низкоимпульсных непертурбативных эффектов, связанных с динамикой связанного состояния кваркония, которые не позволяют прямое использование теории возмущений.
Чтобы использовать методы теории возмущений, необходимо разделить пертурба-тивные эффекты малых расстояний (больших импульсов) и непертурбативные эффекты. Этот метод известен как факторизация. Одним из способов проведения. такого разделения является теория НеРелятивистской КХД (HP КХД) [119-121]. HP КХД точно воспроизводит результаты КХД при значениях импульса порядка mv и меньше, где v — скорость тяжёлого кварка в связанном состоянии в системе центра масс (v2 0,3 для чармония и»2» ОД для боттомония). Виртуальные процессы, включающие масштабы значений импульса порядка т и выше, могут оказывать влияние на низкомоментные процессы и их влияние учитывается посредством ближних коэффициентов в операторах HP кхд.
Так как рождение QQ происходит при значениях импульса порядка т или выше, это проявляется в HP КХД через контактные взаимодействия. Как следствие, сечение рождения кваркония при больших поперечных импульсах (р?) на адронных коллайдерах или при больших импульсах в системе центра масс (р ) на е+е коллайдерах может быть выражено как сумма произведений матричных элементов HP КХД и ближних коэффициентов; где Н — состояние кваркония, Л — ультрафиолетовая отсечка эффективной теории, Fn — ближние коэффициенты и Off — четырех-фермионные операторы с размерностью масс dn. Подобная формула существует для инклюзивного сечения аннигиляции кваркония [121J.
Ближние коэффициенты Fn(A) представляют, в сущности, зависящие от процесса партонные сечения образования QQ пары, свёрнутые с партонными распределениями. QQ пара может быть образована в цвето-синглетном или в цвето-октетном состоянии. Ближние коэффициенты определяются путём согласования квадрата амплитуды рождения в HP КХД с полной теорией КХД. Так как масштаб образования QQ порядка т или выше, это согласование может проводиться в теории возмущений.
Четырех-фермионные операторы в выражении 7.12 создают QQ пару, проецируют её в промежуточное состояние, включающее тяжёлый кварконий и всё прочее, а затем, аннигилируют QQ пару. Вакуумный матричный элемент такого оператора есть вероятность, что QQ пара создаст кварконий плюс всё остальное. Эти матричные элементы в некоторой степени аналогичны партонным функциям фрагментации. Они содержат всю непертурбативную физику, связанную с переходом QQ пары в состояние кваркония,
В выражение 7.12 входят как цвето-синглетные, так и цвето-октетные четырёх- фермионные операторы. Они относятся, соответственно, к эволюции QQ пары в соответствующее цвето-синглетное состояние, либо соответствующее цвето-октетное состояние в цвето-синглетный кварконий. Если отбросить весь цвето-октетный вклад в выражении 7.12, то получится цвето-синглетная модель. Напротив, HP КХД не является моделью. О ней часто ошибочно говорят как о „цвето-октетной модели", но в действительности это есть строгое следствие КХД в пределе AQCD/ГП - 0..
Матричные элементы распада в HP КХД могут быть вычислены путём моделирования на решётках [122,123], либо определены феноменологически. В общем случае, матричные элементы рождения отличны от матричных элементов распада. Однако, в цвето-синглетном состоянии они могут быть связаны через приближение вакуумного насыщения, вплоть до поправок порядка И [121].
Важным свойством матричных элементов, которое значительно повышает предсказательную силу HP КХД, является тот факт, что они универсальны, то есть не зависят от процесса. Правила подсчёта степеней v в HP КХД позволяют сформировать сумму операторов в выражении 7.12 как разложение по степеням v. Ограниченное число матричных элементов оператора дают вклад через данную степень v. Более того, при ведущем порядке по v, существуют упрощающие связи между матричными элементами оператора, такие как спиновая симметрия тяжелых кварков [121] и приближение вакуумного насыщения [121], которые сокращают число независимых феноменологических параметров..
Доказательство формулы факторизации 7.12 опирается как на HP КХД, так и на пертурбативный механизм для проверки факторизации жёсткого рассеивания. Подробного доказательства ещё нет, но работа в этом направлении ведётся [124]. Поправки на часть факторизации, связанную с жёстким рассеиванием, предполагаются порядка {mvf/p ) при отсутствии поляризации и (mv)(pr) при наличии поляризации. Неизвестно, существует ли формула факторизации при малых р-г или для интегрального по рг сечення. Наличие мягких глюонов в процессе связывания кваркония делает проблематичным применение стандартных методов факторизации при малых р?.
В случае распада, цвето-октетные матричные элементы имеют интерпретацию вероятности найти кварковий в состоянии Фока, содержащий QQ пару плюс некоторое количество глюонов. Образование цветового октета не происходит, подобно распаду цветового октета, через высшее состояние Фока. При образовании цветового октета глюоны, нейтрализующие цвет, находятся в конечном, а не в начальном состоянии. Существует процесс высшего состояния Фока, но он требует рождения глюонов, почти коллинеарных к QQ паре, что подавляется дополнительными степенями v.
Первые исследования рождения тяжелого кваркония были проведены в рамках модели цветового испарения (МЦИ). В этом подходе процесс рождения описывается вплоть до универсального феноменологического коэффициента сечением пертурбатив-ного рождения QQ пары на коротких расстояниях во всех возможных спиновых и цветовых конфигурациях и с инвариантной массой, лежащей между порогами рождения кваркония и свободного рождения кварка. Идея состоит в том, что цвет рожденной QQ пары нейтрализуется непертурбативной динамикой на больших расстояниях во время образования физического связанного состояния кваркония. В МЦИ предполагается, что QQ пара развивается в кварконий с вероятностью, не зависящей от квантовых чисел углового импульса QQ [125].
Систематические погрешности и качество фитирования
Впервые получено практически значимое распределение дифференциального се чения реакции J/ф — цр, в рр столкновениях при энергии 1,96 ТэВ. В области поперечных импульсов J/ф 4 ГэВ/с подобное измерение сделано впервые. Вы полнено сравнение с результатами, полученными на установке CDF в Сеансе I при энергии 1,8 ТэВ. Результаты по измеренному сечению рождения тяжелого кварко ния имеют большое значение для тщательной и более полной проверки предсказа ний механизма теории Нерелятивистской Квантовой Хромодинамики и позволяют вычислить матричные элементы, являющиеся нормировкой данной теории. Иссле дования процессов распада чармония внесли ясность в поведение сечения при малых поперечных импульсах J/ф, где дают существенный вклад эффекты мед ленных глюонов и нефрагментационные эффекты от других октетных матричных элементов, которые трудно вычислить теоретически. Проведена работа по оптимизации частоты срабатывания двухмюонного триггера первого уровня установки CDF II, позволившая уменьшить частоту срабатывания в 3,5 раза, что обеспечило возможность набора данных при проектной светимости. Предложена процедура и создан комплекс программ для моделирования работы двухмюонного триггера. Разработанные алгоритмы включены в пакет программ моделирования детектора CDFSIM и пакет программ анализа физических данных CDFSOFT. Проведено измерение эффективности одномюонного и двухмюонного триггера, обеспечившее выполнение экспериментальных работ с использованием данного триггера международной коллаборацией CDF. Показано, что как одно-мюонный, так и двухмюонный триггер имеют высокую эффективность при малых поперечных импульсах J/ip, что позволило снизить порог триггера и произвести набор данных, обеспечивший ряд важных измерений в области В физики, таких как измерение сечения Ь кварка и В мезона.
Был разработан и создан кремниевый вершинный трековый детектор установки CDF II, являющийся на настоящий момент самым крупным и совершенным кремниевым вершинным трековым детектором в физике частиц, Кремниевая трековая система насчитывает более 700 тысяч каналов, объединенных в 704 модуля, 8 слоев детекторов с охватом области псевдобыстроты до TJ 2 и имеет возможность вести трехмерное восстановление треков заряженных частиц за счет применения двусторонних детекторов.
С целью изучения пригодности были всесторонне изучены кремниевые детекторы с питанием посредством FOXFET (Field Oxide Field Effect Transistor). Проведены исследования механизмов радиационных повреждений в детекторе с применением различных источников излучения (протоны, нейтроны и гамма-кванты). Изучено влияние накопления положительных зарядов в окисле затвора FET, инверсия типа кремния и образования поверхностных зарядов в области затвора на характеристики транзистора. В результате проведённых обширных, исследований были выработаны рекомендации для коллаборации CDF по замене метода питания микростриповых детекторов на резистивный и проведены испытания новых партий двусторонних детекторов для SVX II. Были созданы двусторонние микрополосковые кремниевые детекторы на основе новой шестидюймовой технологии, используемые на уровнях 2 и 4 вершинного трекового детектора CDF II, SVX II. Были проведены глубокие и всесторонние испытания кремниевых детекторов SVX II, в частности, исследование электрофизических параметров, проверка радиационной стойкости детекторов и анализ треков, восстановленных с помощью пяти слоев детекторов на тестовом пучке протонов. Разработана многоканальная микросхема считывания и оцифровки данных от микрополосковых детекторов SVX3 и проведена проверка её эксплуатационных характеристик и радиационной надежности. Микросхема содержит 128 каналов низкошумящих (ENC = 700е + 53е/пФ) усилителей и схему оцифровки; она способна работать при частоте пересечения пучков до 132 не, обладает способностью одновременного набора и считывания данных, спар-сификации и имеет систему подавления наводок. Микросхема выполнена по радиационно - стойкой технологии. Испытания показали высокую радиационную надежность и отличные эксплуатационные характеристики микросхемы. Всего трековая система содержит 5724 таких микросхем. Разработан ключевой компонент системы считывания кремниевых детекторов SVX II, ISL и L00, Компактная Порткарта, предназначенная для управления и считывания (посредством волоконной оптической связи) микросхем SVX3. Проведены детальные испытания, включая радиационную стойкость путем облучения дозами протонов до 400 крад. Налажено производство и сборка порткарт. Выработан план детальной проверки качества произведенных порт-карт, спроектирован и осуществлен тестовый стенд по выжиганию дефектов, успешная и своевременная поставка и установка 115 сертифицированных порткарт на вершинный детектор. Проведена успешная установка и ввод в эксплуатацию детектора SVX II. Детектор показал отличные эксплуатационные качества, в частности, разрешение на прицельный параметр составило 35 мкм, внутреннее разрешение детекторов — 9 мкм, отношение сигнала к шуму больше 10, а эффективность одиночных срабатываний порядка 99%. 5. Был спроектирован и введен в эксплуатацию вычислительный комплекс для анализа физических данных установки CDF II. В настоящее время комплекс состоит из более чем 1000 микропроцессоров и 100 Тэрабайт накопителей, позволяющих вести параллельную обработку огромного набора физических данных с установки; CDF II. Обработка заданий пользователя компекса проводится в пакетном режиме, система имеет гибкий интерфейс, позволяющий удаленный запуск, мониторирова-ние прохождения заданий и администрирование системы через web из любого исследовательского центра посредством интернет. В заключение, я хочу выразить огромную благодарность и признательность моей жене Светлане за ее невероятное терпение, всестороннюю поддержку и понимание, без которых эта работа вряд ли была бы доведена до завершения.
Я хочу выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю, начальнику Научно Экспериментального Электронного Отдела Проф. В. В. Глаголеву за постоянное внимание к этой работе. Я хочу поблагодарить М. Бишай за её помощь в работе и существенный вклад в подготовку к публикации статей с результатами работы, а также Проф. П. Шепарда, Проф. Дж. Будро и С. Зиммерманна за поддержку. Я очень признателен Т. Миао и Т. Леком за многочисленные полезные советы и обсуждения и помощь. Анализ эффективности димюонного триггера проходил в тесном сотрудничестве с Т. Миао, Дж. Краусом и Д. Литвинцевым. Я благодарен А. Суханову за помощь в подготовке диссертации. Я благодарен всем участникам коллаборации CDF, принимавшим участие в эксперименте, а также дирекции Лаборатории Высоких Энергий Объединённого Института Ядерных Исследований за возможность участия в этом эксперименте и поддержку.
