Поиск распадов KLo-мезонов на две заряженные частицы и электрон-позитронную пару Тарковский Евгений Ильич

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Тарковский Евгений Ильич. Поиск распадов KLo-мезонов на две заряженные частицы и электрон-позитронную пару : ил РГБ ОД 61:85-1/958

Содержание к диссертации

Страницы

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСУ РЕДКИХ РАСПАДОВ 15 К-МЕ30Н0В НА ЭЛЕКТР0Н-П03ИТР0ННУЮ ПАРУ И ДВЕ ЗАРЯЯЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ

I.I. Распады К Z -мезонов на лептонную пару и другие частицы и структура вершины

K-*ZX _ .. . 15

1.2. Распад КІ-» ji+Jfe+e" и электрический

радиус К^ -мезона 17

1.3. Теоретические предсказания для вероятности

распада Х -»Л+л~е+е~ ... 20

1.4. Экспериментальные работы по поиску распада

К-* Jr+v~e⁺e~ 24

1.5. Другие способы измерения электрического

радиуса \С -мезона.... 29

Выводы и заключения. Оценка достижимой точности при

поиске распада K'l * л+л~е+е. - 35

ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР - ПРИБОР ДЛЯ ПОИСКА

РЕДКИХ РАСПАДОВ К-МЕЗОНОВ 38

2.1. Общее описание установки 38

Пучок, магнит, счетчики 38
Искровые камеры 40
Детектор электронов 41
Система отбора событий 43
Система передачи данных в ЭВМ и контроль работы установки с помощью

ЭВМ 44

2.1.6. Программы математической обработки

событий 45

2.2. Годоскопическая система счетчиков 47

Требования к системе счетчиков 47
Конструкция счетчика 49
Характеристики сцинтилляционной

. пластмассы 52

Делитель для ФЭУ-30 58
Схема питания счетчиков 59
Характеристики счетчиков и наладка на заряженном пучке 64
Проверка работы счетчиков на нейтральном пучке 65

2.3. Идентификатор частиц - ливневый детектор .. 73

Конструкция детектора 73
Делитель для ФЭУ-63 76
Характеристики детектора, измеренные

на заряженном пучке 78

2.3.4. Калибровка детектора на нейтральном

пучке 82

2.4. Система отбора событий 92

Выбор оптимального включения счетчиков .. по результатам расчетов методом Монте--Карло 92
Описание выбранной системы отбора 101
Результаты наладки системы отбора

событий 103

2.5. Определение разрешающей способности

спектрометра в измерении массы и попереч
ной составляющей импульса распавшейся
частицы III

Выводы и заключения 116

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКОГО

МАТЕРИАЛА 118

3.1. Условия измерений 118

3.2. Распад К -* jj+jr^-^+Jre**"^ -

основной процесс для мониторирования

пучка и текущего контроля установки 120

3.3. Дополнительные программы обработки

четырехчастичных событий для ускорения

счета на ЭВМ БЭСМ-б 124 .

3.4. Первичный отбор событий ;. 126

3.5. Выделение событий распада

кЬ^ГЛ-»Л⁺#~Є+Є-у с 0_ее<О,О2 128

3.6. Результаты контроля спектрометра по событиям

распада ^^Л'Л^Л^е^ с б>ее<0,02.. 133

3.7. Поиск событий распадов К\-*л+Л~е⁺еГ_у

kl~>/i+/*~e+e->k?-* е+е-е+е~ 142

3.8. Получение верхних пределов для распадов

К1-+Є+Є-Є+Є- 154

Выводы и заключения 157

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА ' ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПІЩ0В

Кц -МЕЗОНОВ НА 4 ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ 159

4.1. Оценка возможного фона при поиске распадов

Kt-* е+е-е+е- 160

4.2. Условия, необходимые для снижения фона при

повышении точности эксперимента в 300 раз... 166

Выводы и заключения 175

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 177

ЛИТЕРАТУРА 184

Введение к работе

Развитие экспериментальных исследований в области физики К -мезонов идет как в направлении увеличения точности измерений параметров уже известных процессов,, так и по пути поиска новых эффектов и типов распада, в которых могли бы проявиться еще неизвестные свойства взаимодействий элементарных частиц. Для поиска редких мод распада необходимы экспериментальные установки, обладающие следующими свойствами: высокая интенсивность пучка К -мезонов, большая светосила, достаточные быстродействие и загрузочная способность, возможность идентификации вторичных частиц, хорошая точность определения кинематических параметров, нужная для исключения фоновых событий, долговременная стабильность работы аппаратуры.

Целью настоящей работы был поиск редких распадов K_L -мезонов на две заряженные частицы и электрон-позитронную пару: KI-* *+зге+е- (I) K_L^ we+e~ (2) Xt-»(9⁺e-e^f(?" (3)

В этих распадах A Q = О, Ь$ 0. Поиск этих распадов может служить чувствительной проверкой возможного существования нейтральных токов с изменением странности. В затравочный лагранжиан электрослабого взаимодействия входят заряженные токи и нейтральные токи без изменения странности, а токи, связанные с переходом

При отсутствии нейтральных токов с изменением странности распады (І) * (3) могут идти за счет комбинации слабого и электромагнитного взаимодействий. Теоретические расчеты в рамках квантовой электродинамики без учета нейтральных токов с изменением странности предсказывают малую вероятность распадов V^е-* 0⁺(Гв⁺в~ на уровне 10 - 10~⁹ от полной вероятности распада K_L /2/.

Вероятность распада K_L -> Я+ЗІ'Є*&~ частично связана с величиной электромагнитного радиуса К -мезона. Оценки радиуса, сделанные на основе различных теоретических моделей, предсказывают для относительной вероятности распада значения порядка ИГ⁶ + І0"⁷ /3-Ю/.

Если же нейтральные токи с изменением странности дают вклад в распады кц -мезонов на 4 заряженные частицы, то относительные вероятности этих распадов должны превышать теоретические предсказания.

Поиск и исследование распадов (1)-(3) в любом случае являют- —Я —9 ся важными. При существовании распадов на уровне 10 -10 * интерес представляет проверка теоретических предсказаний. Распады К-* t \. в⁺&~ Я³'² информацию о форм-факторе в вершине -* 2ft Точное измерение ширины распада Kl~* Jr*«ft~e"te~ и исследование угловых распределений вторичных частиц позволит определить электромагнитный радиус К-мезона. Обнаружение распадов (1)-(3) с вероятностями, превышающими теоретические пред-сказания, полученные на основе квантовой электродинамики /2/, будет означать вклад нейтральных токов с изменением странности. До настоящего времени для относительной вероятности распада Kj_-* Ж*3l~e^f~ был установлен верхний предел, равный

8,8»I0~⁶ /II/, а исследования распадов К_и-ъ/А+/*~в*6~ ^и К l. > V* &~Є⁺Є~ не проводились.

В случае отсутствия нейтральных токов с изменением странности в настоящее время на первый план выходит задача постановки экспериментов с чувствительностью 10 -10 от полной ширины К-мезона. Для планирования таких экспериментов необходимы подробный анализ и знание следующих факторов: фон от других распадов К-мезонов, фон от взаимодействий нейтронов пучка, требования к пучку и аппаратуре эксперимента для достижения нужней чувствительности. Исследование возможности и условий, необходимых для постановки такого эксперимента, путем определения этих неизвестных факторов являлось существенной частью данной работы.

В качестве прибора для поиска редких распадов \(_L -мезонов на четыре заряженные частицы был использован магнитный спектрометр с проволочными искровыми камерами и годоскопической системой ецинтилляционных счетчиков, расположенный на нейтральном пучке протонного синхротрона ИТЭФ. Характеристики пучка и аппаратуры таковы:

I.. Интенсивность пучка - I0⁵ К-мезонов с импульсом 2-7 Гэв/с на цикл ускорителя.

2. Спектрометр обладал высокой эффективностью к регистрации ред ких распадов, что обеспечивалось большими размерами детекто- р ров (1x2м ), соответствовавшим межполюсному зазору магнита.

Расчетная эффективность регистрации распада К _и-ъ Я⁺ЇЇ~Є+Є~

0,3%.

3. Использование проволочных искровых камер с электронной систе мой считывания и передачи информации в ЭВМ обеспечивало вы сокое быстродействие и регистрацию до 20 событий за цикл ус- корителя.

Спектрометр отличался высокой загрузочной способностью. Основные измерения проводились при загрузках счетчиков до 2»10⁶ имп/с и искровых камер до 10-15 пробоев/зазор/событие.

Идентификация частиц с помощью ливневого детектора типа "сэндвич" и черенковского счетчика полного поглощения в разных сериях измерений дала возможность определять продукты распада и выделить полезные события из фона.

6* Разрешающая способность спектрометра в измерении массы распавшейся частицы и квадрата поперечной составляющей ее им-пульса при регистрации распадов К$-*Я+Я~ равны соответственно 9,5 МэВ/с² и 50 (МэВ/с)².

7. Непрерывный контроль работы установки, мониторирование пучка и нормировка всего эксперимента проводились по событиям распада

К!"* *⁺ Л"Л -* Я+ЗГЄ+ЄГ К (4) чьи вероятность и кинематика хорошо известны.

После проведения эксперимента на защиту выносятся следующие результаты:

I* Получены новые данные, ограничивающие вероятности распадов '' К-*г*л-е+е-, КЇ-*уМ^гв+«" К1-*е+е-е+е-

2. Сформулированы требования и условия для будущих экспериментов, имеющих чувствительность на 2-3 порядка выше данной работы.

В процессе создания детекторов, позволяющих вести поиск редких распадов в условиях интенсивного фона, проделаны следующие методические разработки:

В ходе разработки новой сцинтиллирующей пластмассы на основе полиметилметакрилата и выбора ее оптимального состава произведены измерения характеристик пластмассы.

Разработаны, изготовлены и измерены характеристики 102 сцинтилляционных счетчиков большого размера для магнитного спектрометра.

Для идентификации частиц создан ливневый детектор и измерены его характеристики.

4« Разработана методика калибровки и контроля работы счетчиков и ливневого детектора.

5. Выбрана электронная логика отбора событий для выделения распадов (1)-(4) с высокой эффективностью на фоне большого числа нейтронных взаимодействий. Определены характеристики этой системы и спектрометра в целом.

Созданы программы математической обработки для ускоренного поиска событий с 4-мя заряженными частицами, что позволило сократить время обработки в 4 раза.

Написаны и отлажены программы, позволяющие идентифицировать частицы по их энерговыделению в ливневом детекторе.

В соответствии с изложенными задачами и результатами структура диссертации такова. Она состоит из введения, четырех глав и заключения.

Во введении формулируются задачи диссертации и вопросы, вынесенные на защиту, приводится план изложения материала в работе, а также обсуждаются актуальность, новизна и практическая полезность исследования. Приводятся сведения об апробации работы и публикациях.

В первой главе помещен краткий обзор работ, посвященных исследованию распадов К-мезонов на четыре заряженные частицы и измерению электрического радиуса К-мезона. Обсуждаются выполненные экспериментальные работы по поиску распада (I). Методика экспериментов сравнивается с данной работой. В конце главы показана оценка достижимой точности в поиске распада (I).

Вторая глава посвящена методическим вопросам. Здесь помещено общее описание узлов спектрометра, подробно описана работа по созданию системы сцинтилляционных счетчиков и ливневого детектора, измерению характеристик этих приборов на пучках заряженных и нейтральных частиц, разбирается процедура калибровки ливневого детектора на нейтральном пучке. Далее обсуждается система отбора событий, выбор ее схемного решения на основе расчетов Монте--Карло. Приведены результаты измерения характеристик этой системы и всего спектрометра.

В третьей главе обсуждаются в опросы обработки эксперимента. Описан ход обработки эксперимента от выделения событий взаимодействий с 4-я заряженными частицами в конечном состоянии до установления верхних пределов на распады (I) * (3). Обсуждается работа программ ускорения поиска 4-х частичных событий на ЭВМ БЭСМ-б, описаны программы идентификации частиц, приведены результаты работы этих программ. Результатом обработки статистики явилось выделение 917 событий распада (4) и ни одного события распадов (I) * (3). Экспериментальные распределения для нормирующего распада (4) сравниваются с расчетными. Хорошее согласие этих распределений свидетельствует о правильном учете эффективности установки и нормальной работе аппаратуры спектрометра. На основе расчетных эффективностей для распадов (I) * (4) установ- - II - лены верхние пределы для вероятностей искомых распадов (1)*(3).

В четвертой главе диссертации по результатам проведенного эксперимента исследуется возможность постановки будущих опытов по поиску и изучению редких распадов \(_L -мезонов, чувствительность которых могла бы быть на два-три порядка выше достигнутой в настоящее время. Для этого здесь сделаны оценки фона от других распадов )^_L -мезонов, от взаимодействий нейтронов пучка. На основе этого анализа приводятся требования к аппаратуре, пучку будущих экспериментов. Показано, что на пучках с интенсивностью К-мезонов до 10 /с такие эксперименты могут быть выполнены с применением проволочных пропорциональных камер и широко-апертурных газовых черенковских счетчиков для регистрации вторичных частиц.

В заключении диссертации обсуждены полученные данные, приводятся основные результаты и выводы.

Остановимся на актуальности, новизне и практической полезности результатов диссертации.

Актуальность работы уже отмечалась при формулировке задач диссертации. Обнаружение распадов (1)*(3) на уровне выше предсказанного теорией означало бы существование нейтральных токов с изменением странности. Универсальная теория электрослабого взаимодействия рассматривает как заряженные токи, так и нейтральные токи без изменения странности. Проявления нейтральных токов без изменения странности найдены в настоящее время во взаимодействиях нейтрино. Однако, нейтральные токи с изменением странности не существуют в этой теории и экспериментально не найдены /I/. Поиск и обнаружение таких взаимодействий или подтверждение их отсутствия представляет несомненный интерес.

Результаты недавних экспериментов по измерению электрическое го радиуса К⁰«мезона методом наблюдения регенерации K_L- К$-мезонов.на атомных электронах дают несогласующиеся данные /12«14/. Измерение ширины распада (1) и угловых распределений продуктов распада является независимым способом определения электрического радиуса /15~17/. Проведение такого эксперимента очень актуально в создавшейся ситуации. Сделанные в данной работе выводы о возможности проведения новых экспериментов, улучшаю*-щих чувствительность данній работы на несколько порядков, являют« ся очень своевременными при планировании научных исследований на новых интенсивных пучках К«мезонов,

Научная новизна и значимость проведеноой работы заключаются в следующем. В результате выполненного исследования получены новые данные о редких распадах K_L«мезонов на 2 заряженные частицы и электрон-позитронную пару. Для вероятности распада К_L->9T⁺fJF"*"*" верхний предел улучшен более чем в 3 раза, а для распадов k -^JU^JWe^e' и К-» ⁺Є~Є⁺Є"~ ограничения на веро« ятности получены впервые.

Испльзование для нормировки эксперимента и контроля работы установки событий распада (4) повысило надежность полученных ре~ зультатов. Тот факт, что события искомых распадов (1)~(3) и нормирующего распада (4) имеют в конечном состоянии одинаковое число заряженных частиц, в состав продуктов всех распадов вхо~ дит пара е⁺е~, угловые и импульсные распределения вторичных час« тиц во всех распадах близки, приводит к тому, что исключены воз*-можные неэффективности аппаратуры установки; потери при регист- - ІЗ - рации и обработке событий не вошли в окончательный результат, что повышает его достоверность и надежность.

В процессе разработки годоскопической системы счетчиков впервые были измерены характеристики новой отечественной сцин-тиллирующей пластмассы на основе полиметилметакрилата с повышенной прозрачностью. Эта пластмасса наилучшим образом подходит для изготовления счетчиков больших размеров.

Практическая полезность данной работы заключается в следующем:

Полученные верхние пределы на вероятности распадов (1)+(3) свидетельствуют об отсутствии на уровне чувствительности данного эксперимента нейтральных токов с изменением странности.

Полученные в диссертации результаты о характере и величине фонов к распадам (I) * (3) имеют большую ценность при планировании будущих экспериментов по поиску и изучению этих распадов.

На основе данной работы сформулированы основные требования к аппаратуре и методике экспериментов, улучшающих чувствительность на 2*3 порядка,

Измерение характеристик новой сцинтилляционной пластмассы на основе ПІША имели большое значение для выбора оптимального химического состава и для дальнейшего ее производства и использования в физических экспериментах.

Годоскопическая система счетчиков и ливневый детектор,созданные в данной работе и входящие в состав магнитного спектрометра, используются до настоящего времени в экспериментах на нейтральном пучке ускорителя ИТЭФ. Здесь проведено исследование распадов Kls*"*^^ О » поиск распада tsl"*2jf » поиск дибарионных связанных состояний. Для калибровки и контроля - 14 - . аппаратуры используется методика, описанная в данной работе. 5. Программы идентификации частиц, написанные для обработки событий распадов (1)*(4), применяются и в обработке последующих экспериментов.

6. В данной работе определена разрешающая способность установки при измерении направления $ -кванта в искровых камерах. Это имеет большое значение для экспериментов по исследованию радиационных распадов К-мезонов.

Апробация работы. Основные данные и результаты, изложенные в диссертации, обсуждались на семинарах в ИТЭФ, на сессии Отделения ядерной физики АН СССР, были представлены на УІ Всесоюзную конференцию по синтезу, производству и использованию сцинтилля-торов, докладывались на школе физики ИТЭФ. Материалы диссертации обсуждались на собрании научных сотрудников лаборатории.

Подробное описание конструкции установки, ее узлов и характеристик спектрометра приведено в работах /18-22/. Основные результаты методических разработок, вошедших в диссертацию, опубликованы в /23,24/. Составляющие основу диссертации физические результаты опубликованы в 1980-1983 г.г. /25-27/. Список литературы содержит ссылки на периодические издания, препринты и публикации, полученные библиотекой ИТЭФ до июня 1983 г.

Поиск распадов KLo-мезонов на две заряженные частицы и электрон-позитронную пару Тарковский Евгений Ильич

Похожие диссертации на Поиск распадов KLo-мезонов на две заряженные частицы и электрон-позитронную пару