Содержание к диссертации
Введение
2 Теоретическое обоснование и обзор экспериментальной ситуации . 11
2.1 СРТ-инвариантность и СР-нарушение в физике элементарных частиц 11
2.1.1 СР-нарушенис в системе нейтральных каонов и В-мезонов . 12
2.2 Кварковое смешивание и матрица СКМ. СР-нарушение в Стандартной Модели 12
2.2.1 Распад КL —* 7гий в Стандартной Модели 14
2.2.2 Распад К+ —» -+і/й в Стандартной Модели 15
2.3 СР-нарушение вне рамок Стандартной Модели 17
3 Эксперименты по измерению редких распадов каонов 19
3.1 Измерение распада К+ —* 7г+і>і> 19
3.2 Эксперименты по измерению распада К+ —» 7г+//> 20
3.2.1 Детектор Е949 20
3.3 Поиск редкого распада К" ~+ тг0и9 28
3.4 Эксперимент КОРЮ 30
3.4.1 Детектор 32
4 Конструкция пластических сцинтилляционных детекторов со спектросмещающими волокнами 36
4.1 Описание WLS-метода светосбора 36
4.2 Экструдированные счётчики на основе полистирола 42
4.3 Испытания отдельных пластин 43
5 Детекторы заряженных и нейтральных частиц для эксперимента f J Е949 47
5.1 Триггерные счётчики в эксперименте Е949 47
5.1.1 Технология изготовления счётчика 48
5.1.2 Фотоумножители 50
5.1.3 Параметры Т-счётчиков 54
5.1.4 Эффективность Т-счётчиков 57
5.1.5 Параметры Т-счётчиков в эксперименте 58
5.2 Фланцевый фотонный детектор в эксперименте Е949 69
5.2.1 Конструкция фланцевого детектора 69
5.2.2 Технология сборки ФД 72
5.2.3 Параметры фланцевого детектора 75
6 Анализ экспериментальных данных Е949 77
6.1 Поиск распада Кк+ий 77
6.2 Идентификация сигнала от распада К+ —* -K^VV И подавление основных фонов 77
6.3 Новое значение вероятности распада К+ —> тг+^Р 79
7 Модули вето-системы КОРЮ 82
7.1 Конструкция модуля 82
7.2 Прототипы вето-модулей 83
7.3 Изготовленные детекторы 85
7.4 Световыход длинных модулей 87
7.5 Временное разрешение 90
7.6 Модуль С-типа 93
7.6.1 Световыход 96
7.6.2 Временное разрешение 97
7.7 Основные параметры вето-модулей 98
Заключение 100
Литература 102
- СР-нарушенис в системе нейтральных каонов и В-мезонов
- Распад К+ —» -+і/й в Стандартной Модели
- Экструдированные счётчики на основе полистирола
- Фланцевый фотонный детектор в эксперименте Е949
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Детекторы заряженных и нейтральных частиц, разработанные в данной работе, предназначены для изучения фундаментальной проблемы СР-парушспия в кварковом секторе.
Современная теория физического строения мира, называемая "Стандартной Моделью", наиболее полно описывает картину современного мира путём описания состояния вещества и процессов взаимодействия между его составляющими. Свойства всех наблюдаемых частиц, таким образом, обуславливаются этими шестью составляющими компонентами, называемыми кварками и лептонами. К лептонам относятся: электрон (є), мюон (/і) и т-лептон (г). Стремя поколениями лептонов ассоциируется три типа нейтрино: f, vti и vr. Различают 3 поколения фундаментальных частиц: первое поколение включает в себя и- и d-кварки, е и ис; второе поколение состоит из с- и s-кварков, ji и i/t,\ третье поколение — - и Ь-кварки, т-лептоны и т-лептонное нейтрино. В рамках Стандартной Модели частицы связаны между собой с помощью 3-х основных взаимодействий: сильного, слабого и электромагнитного. Электромагнитные и слабые взаимодействия могут быть объединены одной теорией электрослабого взаимодействия — моделью Глэшоу-Вайнберга-Салама [1-3].
Ассимегрия между частицами и античастицами носит название СР-нарушення. В 1964 году было впервые открыто небольшое {~ Ю-3) СР-иарушение в системе нейтральных каонов К0 — А'0 [4]. СР-нарушение в Стандарной Модели вводится через единственную фазу матрицы смешивания кварковых ароматов (матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава, или СКМ) [5,6]. В 1999-2001 г.г. появились подтверждения прямого СР-нарушенин в системе нейтральных каонов [7-9]. С другой стороны, в 2001 г. было практически одновременно обнаружено СР-нарушение в системе более тяжёлых В-мезонов, предсказанное Стандартной Моделью, на двух экспериментальных
установках (BaBaR и Belle) [10,11].
Редкий распад К —* ifivv является уникальным среди потенциально возможных, так как он происходит из-за прямого нарушения СР-инвариантности [12], обусловленного короткодействующим адронным током. KL является преимущественно чётной суперпозицией Кс и К0, поэтому в амплитуде распада остаётся только мнимая часть Vtd ~ *?> гДе параметр т] вводится как СР-нарушающая фаза в СКМ, и, как следствие этого, В{К —* 7г^Р) ~ rf [13-15]. Таким образом, наиболее точное измерение редкого распада KL —* тгі/і/, который происходит из-за прямого СР-нарушения, однозначно проверит СР-нарушение в СМ и даст наиболее точное значение СР-нарушающей фазы в СКМ.
Редкий распад К+ —* ir+vv происходит исключительно за счёт слабого взаимодействия. В предсказании СМ этот распад сильно подавлен [16], и однозначно устанавливается связь этого распада с параметрами модели, которые описывают кварковос смешивание в матрице Кобаяши-Маскавы. Таким образом, этот процесс является чувствительным тестом Стандартной Модели и, одновременно, предоставляет хорошую возможность для получения точной информации о её параметрах. В частности, из-за большой величины массы t-кварка, вероятность распада К+ —» -к+ий чувствительна к чрезвычайно слабой связи і- и d-кварков |17].
В долгосрочной перспективе, информация из К+ —+ ъ+vv может быть скомбинирована с измерением нейтрального аналога К —* тгі/ї7, а последующее сравнение параметров, полученных в Л'-системе, с соответствующими параметрами, извлечёнными из Р-системы, обеспечит решающую проверку Стандартной Модели [18,19]. Таким образом, измерение этих редких распадов каонов является одной из самых актуальных задач современной физики элементарных частиц и является фундаментальным тестом СР-нарушения в Стандартной Модели. Для измерения вероятности таких редких распадов с точностью 10-15% требуется проведение уникальных экспериментов со специально разработанными детекторами заряженных и нейтральных частиц. Прогресс, достигнутый в последние годы в разработке различных сцинтил-ляциоиных детекторов со спектросмещающими волокнами, позволил приступить к исследованию, а затем перейти к разработке и созданию таких детекторов большого объёма. Развитие методики создания таких детекторов является актуальной проблемой, поскольку аналогичные детекторы будут использоваться в следующем поколении ускорительных нейтринных экспериментов (например, Т2К), в которых необходимо измерять с высокой точностью нейтринные реакции с рождением нейтральных пионов.
Цель, научная новизна и методы исследования
Основная задача работы — это разработка детекторов заряженных и нейтральных частиц для экспериментов, которые должны проводить измерения вероятностей редких распадов К+ —> тт+ии и К" —» тгі/р на уровне, превосходящем предсказания Стандартной Модели: (0.82 ±0.32) х 10"10 и (3.1 ± 1.3) х Ю-11 [19], соответственно. Для измерения столь низкого уровня сигнала в экспериментах по измерению редких распадов К-мезонов, необходимо с максимально возможной точностью регистрировать искомые редкие распады, эффективно подавлять доминирующие фоновые моды каоиных распадов и другие источники фоновых взаимодействий. Эффективность регистрации заряженных частиц должна составлять 99.98%. Учитывая крайне малую вероятность измеряемого распада, особую сложность представляет выработка алгоритмов распознавания и идентификации данной распадпой моды па фоне других превалирующих мод распада. С точки зрения экспериментальной установки предъявляются повышенные требования на надёжность функционирования всех детектирующих элементов, особенно детекторов нейтральных частиц. Эффективность регистрации фотонов в установке должна быть на уровне теоретически возможного предела, определяемого фотоядерными реакциями, например, неэффективность регистрации фотона в широком диапазоне энергий в эксперименте КОРЮ должна составлять величину ~ 10~4. Фотонные детекторы должны также обладать высоким временным, пространственным и энергетическим разрешением. Для этой цели был разработан, создан и испытан ряд сцинтилляционных детекторов, общей отличительной чертой которых является съем сигнала с помощью спектросмещающих оптоволокон. Детекторы обладают высоким световыходом, позволяющим эффективно регистрировать заряженные и нейтральные частицы в диапазоне энергий от 5 до 600 МэВ.
Практическая ценность
В данной работе разработан и создан ряд сцинтилляционных детекторов заряженных и нейтральных частиц со съёмом сигнала с помощью спектросмещающих волокон. Отработана технология изготовления как простых сцинтилляционных детекторов, так и более сложных детекторов "сэндвич"-типа большого объема и различной конфигурации. Методика, разработанная в процессе создания детекторов, позволяет достичь высокого световыхода и высокой эффективности регистрации заряженных и нейтральных частиц. Получено высокое временное, пространственное и энергетическое разрешение.
Съём сигнала спектросмещающими волокнами и использование экструдирован-
ных сцинтилляторов облегчают создание детекторов сложной конфигурации и обеспечивают надежность функционирования экспериментальной установки. В работе представлены методические данные по способам и методам светосбора с помощью спектросмещающих оптоволокон, исследованы различные факторы, влияющие на световой выход пластического сцинтиллятора. Практическую ценность представляет разработанная методика изготовления экструдированных сцинтилляторов сложной формы.
Практическую ценность также представляет разработанный и применяемый метод контроля параметров детекторов заряженных частиц в процессе набора статистики на пучке положительно заряженных каонов в экспериментальной установке по измерению редкого распада К+ —* 7г+і/у.
Разработанные детекторы заряженных и нейтральных частиц обладают уникальными параметрами и успешно используются в экспериментальной установке эксперимента Е949 по измерению редкого распада К+ —+ -к+ий на ускорителе AGS в лаборатории БНЛ (США). Планируется также использовать детекторы данного типа в будущих экспериментах: КОРЮ (БНЛ), по измерению редкого распада К —> тті/І> , и Т2К, по измерению осцилляции нейтрино в веществе на строящемся сильноточном ускорителе протонов с энергией 50 ГэВ (JPARC, Япония). Методические и научные результаты, полученные в этой работе, могут быть использованы при создании детекторов в ИФВЭ (Протвино), ОИЯИ (Дубна), ИЯФ (Новосибирск), БНЛ (США), Фермилаб (США), СЕЇЖ, КЕК (Япония), других лабораториях и научных центрах.
Личный вклад
Автор принимал участие во всех этапах разработки, создания и измерения детекторов КОРЮ и Е949. Были выполнены работы по оптимизации и исследованию элементов детекторов — экструдированных пластиков со спектросмещающими опто-волокнами для сбора света. Была разработана технология изготовления длинных сциптилляционпых детекторов длиной до 4 м, покрытых химическим отражателем, как прямой, так и сложной изогнутой формы. Проведены исследования эффективности триггерных счётчиков в реальных условиях эксперимента Е949 для оценки аксептанса многослойного детектора заряженных частиц. Автором разработан алгоритм анализа эффективности триггерных счётчиков, проведён анализ фона распада К+ —* тг+ии от рассеяного в мишени тг+ распада К+ ~* 7г+тг в кинематической области ниже пика этого распада, разработаны и созданы "сэндвич"-детекторы фотонов для эксперимента КОРЮ.
Положения, выносимые на защиту:
Разработка и создание детекторов заряженных и нейтральных частиц на основе экструдированных пластических сцинтилляторов со слектросмещающими опто-волокнами для сбора сцинтилляционного света с параметрами, удовлетворяющими требованиям экспериментов по изучению редких распадов каонов.
Разработка и создание триггерных счётчиков и фланцевых детекторов фотонов для эксперимента Е949.
Разработка и создание прототипов детекторов фотонов в диапазоне энергий от 5 до 600 МэВ для эксперимента КОРЮ.
Методика изучения параметров созданных детекторов с помощью космических мюонов и в условиях реального эксперимента на пучке остановленных К+.
Измерение вероятности редкого распада К+ —» ж+ий в кинематической области выше пика фонового распада К+ —> 7г+тг0 в эксперименте Е949.
Апробация работы
Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ [20-24], кроме того, результаты исследований были неоднократно представлены в виде докладов, в том числе:
VIII Международной конференции по методике экспериментов на встречных пучках, Новосибирск, февраль-март 2002 г.
II школе-семинаре студентов и молодых учёных "Фундаментальные взаимодействия и космология", ИЯИ РАН, Москва, ноябрь 2003 г.
VIII Международном семинаре по ядерной физике и физике элементарных частиц на ускорителе JPARC, КЕК, Цукуба, Япония, август 2004 г.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из 8 Глав. Во Введении {Глава 1) излагаются цель и методы исследования; раскрываются актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертации; перечисляются положения, выводимые на защиту, и приводятся фактические данные о работе и её апробации.
В Главе 2 рассматривается связь СРГ-ипвариантности и СР-нарушения в физике элементарных частиц. Рассматриваются редкие распады К+ — тг+і>Р и К —> tPvv в рамках Стандартной Модели. Приводятся предсказания разных моделей на величину вероятности распадов К+ —» тг+і/Р и К —* ттіуР. Показан вклад В~ и /f-мезонной физики в измерение параметров унитарного треугольника, а также их возможный вклад в существование новой физики вне рамок Стандартной Модели.
В Главе 3 обсуждаются основные аспекты регистрации редких распадов К+ —* т:+ий и KL —> -киі>, такие как метод полной остановки каона до распада и метод времени пролёта, идентификация заряженных и нейтральных частиц из данных распадов, регистрация и подавление основних фонов. Описываются основные эксперименты по измерению редких распадов каонов, приводятся описания параметров детекторов Е949 и КОРЮ, в создание и функционирование которых автор внёс непосредственный вклад.
В Главе 4 подробно описываются общие принципы функционирования и конструкции сцинтилляционных детекторов со спектросмещающими оптоволокнами. Применяемый метод экструзии позволяет выпускать сциптилляциопные детекторы высокого качества с большой площадью поверхности, которая не требует дополнительной обработки. Химический метод нанесения отражателя на поверхность сцинтиллятора допускает последующую склейку поверхности сцинтиллятора с другим материалом, что позволяет изготавливать прочные модули детекторов. Технология экструзии и покрытия сцинтиллятора химическим отражателем была разработана на предприятии "Ун и пласт" (г. Владимир). Экструдированный сцинтиллятор не находил широкого применения из-за быстрого ослабления света, пока не развилась технология све-тосбора с помощью спектросмещаюших волокон, где свет распостраняется на относительно короткие расстояния в пластическом сциптилляторе до его захвата волокном. В оптоволокне сциптилляционный свет переизлучается в более длинноволновой области спекта для его последующей транспортировки в фотоприёмник. Благодаря использованию оптоволкна для считывания сцинтилляционного света, достигается высокая однородность светосъёма вдоль длинной поверхности детектора (длиной более 4 м). Совокупное применение всех вышеизложенных методов позволяет изготавливать детекторы большого объёма для регистрации заряженных и нейтральных частиц. Данные детекторы обладают уникальними физическими свойствами, такими как высокий световыход, отличное временное и пространственное разрешение, что имеет решающее значение при их использовании в качестве высокоэффективних детекторов заряженных и нейтральных частиц.
В Главе 5 приводятся основные параметры изготовленных детекторов заряженных и нейтральных частиц для экспериментальной установки Е949. Эти детекторы были предложены и спроектированы для замены триггерных счётчиков многослой-
ного детектора заряженных частиц и двух фланцевых детекторов нейтральных частиц вето-системы предыдущего эксперимента Е787. Основная цель при проектировании новых детекторов — это увеличение аксептанса существующей экспериментальной установки в диапазоне поиска сигнала от К+ —» ж+і/9. В отличие от старых, в новых детекторах была реализована технология съёма сцинтилляционного света с помощью спекрошещающих волокон и покрытия поверхности сцинтиллятора химическим отражателем для более плотного соприкосновения поверхностей детектора и отражателя. В результате была значительно увеличена эффективность регистрации, идентификации и разделения заряженных частиц из распадов основных фонов и искомого сигнала в эксперименте. Применение новых фланцевых детекторов для регистрации фотонов, летящих под небольшими углами в направлении оси пучка, позволило в 2 раза увеличить эффективность регистрации и подавления 7г-мезонов из фоновых распадов при сохранит номинального аксептанса детектора. Основные параметры произведённых детекторов, такие как световыход и временное разрешение, контролировались непосредственно при изговлении счётчиков с помощью /3-источника и мюонов космических лучей. Сборка триггеркых счетчиков в эксперименте контролировалась на пучке путем измерения эффективности регистрации заряженных частиц из распадов А'+-мезонов в мишени. Измеренная эффективность осталась неизменной за всё время работы экспериментальной установки Е949 па пучке.
В Главе 6 описывается организация отбора физически ценных событий в анализе Е949, приводится величина ожидаемого уровня фона в области поиска сигнала от гг+ из распада К+ —» ~+ий, а также способность детектора к разделению уровней сигнала и фона в кинематической области поиска распада К+ —» 7г+(/> выше пика распада К+ —* тг+7г.
В Главе 7 описываются разработанные модули для вето-детектора КОРЮ. Приводится описание технологии изготовления и сборки длинных пластин сцинтиллятора как простой, так и более сложной изогнутой формы. Модули детектора представляют собой сборку типа "сэндвич", состоящую из многих слоев сцинтиллятора и свинца. Вдоль сцинтиллятора проложено оптоволокно для считывания сцинтилляционного света с детектора. Оптоволокна с двух концов модуля собираются в пучок для создания оптического контакта с фотоумножителем. Изготовленные детекторы были протестированы с помощью мюонов космических лучей. В результате были получены отличные физические параметры вето-модулей — это высокое энергетическое разрешение (световыход) и хорошее временное разрешение. Кроме того, измеренные характеристики детекторов остаются неизменными за продолжительное время наблюдения. Высокий световыход является решающим фактором использования детекторов данного типа в эксперименте для регистрации низкоэнергетичных
(
фотонов. Полученное хорошее временное и пространственное разрешение модулей позволит в дальнейшем использовать эту дополнительную информацию для измерения координаты и направления фотона, зарегистрированного в вето-системе, с целью увеличения аксептанса экспериментальной установки в диапазоне поиска сигнала от распада К — ттий.
В Заключении (Глава 8) приводятся основные результаты и выводы, а также выражается благодарность тем, кто оказывал помощь и содействие при проведении работы.
Общий объём диссертации: 109 страниц, включая 62 рисунка, 18 таблиц и список литературы, состоящий из 101 ссылки.
СР-нарушенис в системе нейтральных каонов и В-мезонов
Исторически, смешивание кварков было предложено в 1963 г. Кабиббо [6], чтобы объяснить нарушение странности (AS — 1) в распадах Л -мсзоиов и гиперонов. В теории Кабиббо, смешанное состояние rf-кварка (dc) описывается линейной комбинацией собственных состояний d- и s-кварков. d- и -кварковый дублет записывается с помощью параметра 9с — угла Кабиббо: Глэшоу и Илиопулос ввели новый тип кварка — с-кварк, чтобы объяснить нейтральный ток (2.2), протекающий с изменением аромата s — d с помощью нового поколения кварков: с и s: Однако, в этом процессе нейтральный ток, приводящий к изменению странности (ДБ=1), сильно подавлен за счет Г ИМ механизма [28]. В общем случае, ввиду различия масс различных кварков, ГИМ механизм допускает нейтральный ток с изменением кваркового аромата в виде существования редких распадов в предсказании СМ. Кобаяши и Маскава расширили понятие кваркового смешивания, включая третье поколение кварков (t- и Шкварки), чтобы объяснить явление СР-нарушения. Это было сделано путём введения комплексной фазы в матрицу смешивания кварковых ароматов или СКМ ]5,6]. Элементы этой матрицы описывают вероятности перехода между основными кварковыми состояниями. Обычно матрица СКМ записывается в виде параметризации Вольфенштейна [29] с помощью четырёх параметров: Л, УІ, р и і). Слабый ток J 1 записывается в следующем виде (2.4): (2.5) В данной параметризации ненулевое значение комплексной фазы TJ матрицы СКМ свидетельствует о СР-нарушении в рамках Стандартной Модели. С другой стороны, унитарное соотношение (2.6), которому удовлетворяют элементы матрицы Кобаяши-Маскава (2.5), и параметризация Вольфенштейна определяют унитарный треугольник (рис. 2.1) в комплексной плоскости (р, т]). Отличие от 0 площади унитарного треугольника свидетельствует о прямом СР-нарушении. Редкий распад К — TPVV является уникальным среди потенциально возможных распадов, так как он происходит из-за прямого СР-нарушения {12,30—32]. Этот процесс протекает за счёт слабого тока с изменением кварковых ароматов и запрещён в первом порядке диаграмм Фейнмана. Он становится возможным во втором порядке в результате обмена і-кварком (рис. 2.2). С учётом этого, выражение для В (КІ — TPVV) примет вид: V Вклад Х[ от (-кварка может быть измерен в экспериментах на встречных пучках. Поправка КХД г)х 0.994 не зависит от массы Xt [14]. Параметр г)\ = 0.994 связывает распады К — ТГУЇ/ И KL —»тге+Р [15]. С помощью параметризации Вольфенштсйна (Л, Л,р, т;) [29] в предсказании Стан-дарной Модели выражение 2.7 можно записать в виде:
Величина В(А — ""І/У) ожидается в диапазоне (3.1 ±1.3) х 10 и [19]. Аналогично нейтральному аналогу К" — тгі/р, редкий распад К+ — к+і/ї происходит за счёт нейтрального тока с изменением кварковых ароматов [30-33]. В первом порядке этот процесс запрещён за счёт ГИМ механизма [28]. Диаграммы второго порядка, в которых возможен данный распад, приведены на рис. 2.3. С учетом этих диаграмм (рис. 2.3), величина В{К+ — T:+VP) может быть представлена в виде: Неопределённость предсказания величин В{К\ — TtvD) и В(К+ —» ir+vD) крайне мала и хорошо согласуется в расчётах СМ. Однако, любое большое расхождение между измеренным результатом и предсказанием СМ будет свидетельствовать о существовании новой физики. Кроме того, различие вершин унитарного треугольника, восстановленного из А - и В-мезонного секторов (рис. 2.4), будет также указывать на новую физику вне рамок Стандартной Модели. При этом, основополагающими процессами в В-физике считаются распады: В0 и В0 — тг7г, В0 и В0 — 3/-фК%, позволяющие извлечь sin 2о и sin 20 для измерения параметров р и ц матрицы С КМ. Неопределённость в определении вершин унитарного треугольника из К- и Р-секторов показана на рис. 2.4. Среди моделей, описывающих СР-иарушенис вне Стандартной Модели {нестандартные модели), можно выделить несколько групп: 1. Модели с минимальным нарушением ароматов (MFV) [35-38]. Этот класс моделей описывается 11 параметрами как аппроксимация матрицы СКМ (4 параметра) в Стандарной Модели с учётом короткодействующих взаимодействий {7 параметров) [39]. 2. Суперсимметричные модели (SUSY) [40-44]. Большой класс моделей, называемых суперсимметричными, или SUSY, представляет собой расширение Стандартной Модели ("суперсимметризация") с добавлением новых суперчастиц и суперполей. Все известные частицы приобретают суперсимметричпых партнёров со спином, отличающимся на 1/2, например, скварки и слептоны являются партнёрами, соответственно, кварков и лептонов. Не смотря на большее число степеней свободы с введением новых частиц, вводится фактор ед , подавляющий большинство СР-иарушагощих фаз. Введение Ск в SUSY определяет различие в предсказании СР-парушения в К и Р-мезонном секторе (рис. 2.4). Ряд моделей с ограниченным числом суперполей в SUSY называется MSSM — модели с минимальным суперсимметричным расширением. В любой MSSM существуют по меньшей мере две новые СР-нарушающие фазы, которые получаются из комплексных параметров SUSY. 3. Модели с дополнительными экзотическими кварковыми синглетами (EDSQ) [45-48]. В этих моделях взаимодействия элементарных частиц учитывается дополнительная степень свободы за счёт введения нового аромата — кваркого син-глета D0 в дополнение к основным трём поколениям кварков в CM: U = (ut с, t) и D = (d,s,b). Лагранжианы взаимодействий при обмене W- и Z- бозонами, обуславливающими нейтральный слабый ток с изменением аромата кварков,
Распад К+ —» -+і/й в Стандартной Модели
Редкий распад К — TPVV является уникальным среди потенциально возможных распадов, так как он происходит из-за прямого СР-нарушения {12,30—32]. Этот процесс протекает за счёт слабого тока с изменением кварковых ароматов и запрещён в первом порядке диаграмм Фейнмана. Он становится возможным во втором порядке в результате обмена і-кварком (рис. 2.2). С учётом этого, выражение для В (КІ — TPVV) примет вид: Вклад Х[ от (-кварка может быть измерен в экспериментах на встречных пучках. Поправка КХД г)х 0.994 не зависит от массы Xt [14]. Параметр г)\ = 0.994 связывает распады К — ТГУЇ/ И KL —»тге+Р [15]. С помощью параметризации Вольфенштсйна (Л, Л,р, т;) [29] в предсказании Стан-дарной Модели выражение 2.7 можно записать в виде: Величина В(А — ""І/У) ожидается в диапазоне (3.1 ±1.3) х 10 и [19]. Аналогично нейтральному аналогу К" — тгі/р, редкий распад К+ — к+і/ї происходит за счёт нейтрального тока с изменением кварковых ароматов [30-33]. В первом порядке этот процесс запрещён за счёт ГИМ механизма [28]. Диаграммы второго порядка, в которых возможен данный распад, приведены на рис. 2.3. С учетом этих диаграмм (рис. 2.3), величина В{К+ — T:+VP) может быть представлена в виде: Неопределённость предсказания величин В{К\ — TtvD) и В(К+ —» ir+vD) крайне мала и хорошо согласуется в расчётах СМ. Однако, любое большое расхождение между измеренным результатом и предсказанием СМ будет свидетельствовать о существовании новой физики. Кроме того, различие вершин унитарного треугольника, восстановленного из А - и В-мезонного секторов (рис. 2.4), будет также указывать на новую физику вне рамок Стандартной Модели. При этом, основополагающими процессами в В-физике считаются распады: В0 и В0 — тг7г, В0 и В0 — 3/-фК%, позволяющие извлечь sin 2о и sin 20 для измерения параметров р и ц матрицы С КМ. Неопределённость в определении вершин унитарного треугольника из К- и Р-секторов показана на рис. 2.4. Среди моделей, описывающих СР-иарушенис вне Стандартной Модели {нестандартные модели), можно выделить несколько групп: 1. Модели с минимальным нарушением ароматов (MFV) [35-38]. Этот класс моделей описывается 11 параметрами как аппроксимация матрицы СКМ (4 параметра) в Стандарной Модели с учётом короткодействующих взаимодействий {7 параметров) [39]. 2. Суперсимметричные модели (SUSY) [40-44]. Большой класс моделей, называемых суперсимметричными, или SUSY, представляет собой расширение Стандартной Модели ("суперсимметризация") с добавлением новых суперчастиц и суперполей. Все известные частицы приобретают суперсимметричпых партнёров со спином, отличающимся на 1/2, например, скварки и слептоны являются партнёрами, соответственно, кварков и лептонов. Не смотря на большее число степеней свободы с введением новых частиц, вводится фактор ед , подавляющий большинство СР-иарушагощих фаз. Введение Ск в SUSY определяет различие в предсказании СР-парушения в К и Р-мезонном секторе (рис. 2.4). Ряд моделей с ограниченным числом суперполей в SUSY называется MSSM — модели с минимальным суперсимметричным расширением. В любой MSSM существуют по меньшей мере две новые СР-нарушающие фазы, которые получаются из комплексных параметров SUSY. 3.
Модели с дополнительными экзотическими кварковыми синглетами (EDSQ) [45-48]. В этих моделях взаимодействия элементарных частиц учитывается дополнительная степень свободы за счёт введения нового аромата — кваркого син-глета D0 в дополнение к основным трём поколениям кварков в CM: U = (ut с, t) и D = (d,s,b). Лагранжианы взаимодействий при обмене W- и Z- бозонами, обуславливающими нейтральный слабый ток с изменением аромата кварков, В EDSQ для большинства FCNC-процессов вероятности близки к предсказаниям СМ, однако, для некоторых распадов (К —f тг і/, В0 — /І+/Л ) вероятности В этой главе рассматриваются основные аспекты регистрации редких распадов К+ —+ тЛии и KL — TTavu. Излагаются методы идентификации заряженных и нейтральных частиц из данних распадов, регистрация и подавление основних фонов. Далее описываются основные эксперименты по измерению редких распадов каонов. Для того, чтобы экспериментально зарегистрировать редкий распад К+ —» ir+vi , необходимо чётко регистрировать и идентифицировать заряженные пионы с импульсным распределением до рж+ — ТІЇ МэВ/с. Так как из распада К+ — ж+ий может быть зарегистрирована только одна заряженная частица, следовательно, необходима эффективная регистрация и подавление основных фонов, в которых испускаются заряженные и нейтральные частицы. Основной фон — это распад Л"+ — ц+и с вероятностью распада каона по данному каналу 0.64 в случае, если не удастся идентифицировать мюон и ошибочно принять его за пион. Пион из распада К+ — 7г+тг с вероятностью данной моды 0.212 может симулировать пион из распада К+ — -к+ий, если два фотона из распада нейтрального пиона не будут зарегистрированы. Помимо основных фонов от двухчастичных распадов А"+, мюоны и пионы испускаются из трёхчастичных мод: Л"+ — /І+ 7) Л"+ — +тт1/\ различных процессов от пучка ускорителя: рассеяния пионов, реакций перезарядки с последующими переходами: А + —» К —» 7г+1 й, где I = є или ц. Импульсные распределения фоновых и основного распадов приведены на рис. 3.1. Таким образом, для успешного проведения эксперимента по поиску редкого распада К+ — тг+іуї необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: 1. Статистика остановившихся К+ должна быть достаточной, чтобы достоверно зарегистрировать редкий распад К+ —+ тг+ир на уровне предсказания Ю-11. При этом, отношение тг+ /К+ в эксперименте на используемом пучке должно быть минимальным. 2. Для точного измерения кинематики распада, необходима идентификация и подавление основных фоновых распадов. Это достигается за счёт полной остановки каона до распада. Кроме того, с помощью данной техники измерения достигается более полное подавление рассеянного 7г+ из пучка. 3. Полное восстановление кинематики 7г за счёт детектирования двух 7 квантов из распада 7Г —+ 27 для эффективного подавления основного фона К+ — 7Г+7Г. Фактор подавления распадов К+ с испусканием п должен составлять 10G. 4. Чёткая идентификация д+ и тг+ необходима для разделения распада К+ — к ий и фона от К4" —» fi+u, К+ — 7Г+тг и др., кроме того, необходима регистрация заряженных частиц с точной идентификацией продуктов распадов заряженного каона на каждом из этапов с переходами: тг+ —+ ц+ - е+. Эксперимент Е949 [51] был предложен в 1999 году, чтобы увеличить чувствительность предыдущего эксперимента Е787 [52-57] по измерению редкого распада К+ — +v9. Целью эксперимента является регистрация 10 событий из распада К4" — +і Р в течение 60 недель. В настоящее время, на экспериментальной установке Е949 ожидается продолжение набора статистики на ускорителе AGS в Брукхэвен-ской лаборатории. До этого, за 2001-2002 гг., время работы эксперимента составило 12 недель. По сравнению с предыдущим экспериментом E7S7, интенсивность
Экструдированные счётчики на основе полистирола
Технология экструзии длинных сцинтилляционных пластин с готовыми канавками была разработана па предприятии "Унипласт" (г. Владимир). На первом этапе был найден оптимальный состав сцинтиллятора на основе полистирола, который обеспечивал максимальный световыход. Пластинки размером 20x100x6 мм3 с различной концентрацией сцинтилляционных добавок облучались /3-источником 9[ Sr. Сцин-тилляционный свет поглощался двухслойным WLS волокном BCF99-29AA. Так как световыход почти не менялся при концентрациях паратерфенила (РТР) 1.5-2.0% и 0.01-0.05% РОРОР, были выбраны: концентрация РТР — 1.5% и концентрация РОРОР — 0.01%. Оптимальный состав сцинтиллятора хорошо согласуется с результатами, полученными в [93]. Концентрация 1.5%РТР + 0.01%РОРОР в полистироле обеспечивает примерно 80% от световыхода сцинтиллятора ВС408{ВІсгоп), измеренного в аналогичной конфигурации. Метод экструзии позволяет производить очень длинные ( 4 м) сцинтилляцион-пые пластины с хорошей отражающей поверхностью и готовыми канавками. Экстру-зионная линия обеспечивает однородное смешивание гранулированного полистирола со сцинтилляционными добавками при температурах 160-240С. После выдавливания и остывания сцинтиллятор однородно полимеризуется по всему объёму. Скорость экструзии зависит от толщины пластика и варьируется в пределах от 0.15 до 0.6 м/мин. Простые тесты с образцами небольшого размера показали, что световыход экструдированного сцинтиллятора не отличается от световыхода образца, изготовленного методом литья. Прозрачность экструдированного сцинтиллятора однородна во всех направлениях. Постоянная ослабления света, измеренная в экструдированной полоске пластика толщиной 5 мм, составляет около 30 см 93j. Из-за быстрого ослабления света экструдированный сцинтиллятор не находил широкого применения, пока не развилась технология светосбора с помощью спектросмещающих волокон, где сцинтилляционный свет распространяется па относительно короткие расстояния до его захвата волокном.
Метод экструзии не гарантирует точность размеров с отклонением 0.1 мм. Лазерный резак используется для чистовой механической обработки наиболее критичных размеров. В счётчиках для эксперимента КОРЮ лазер обрезал пластину до ширины 150±0.1 мм. Различные тестируемые образцы производились с толщиной 7 мм и длиной 0.5-2 м. Высокая эффективность диффузных отражателей по сравнению с алюминизиро-ванными покрытиями наблюдалась во многих работах [76,80,81,90]. Преимущество появляется из-за способности диффузного отражателя рассеивать свет под углами, облегчающими еціштилляціюнному свету проникать внутрь епектросмещающе-го волокна. Два слоя белой диффузной бумаги улучшают евстосбор на 12-20% по сравнению с одинарным слоем, но необходимо принимать во внимание увеличение "мёртвого" пространства за счёт толщины отражателя. С целью уменьшить "мёртвое" пространство, получаемое за счёт оборачивания счётчика диффузной бумагой, применяется технология экструзии сциитилляционных пластин. Отражатель наносится методом химического травления поверхности сщштилля-тора. Отличием является только то, что канавки для вклейки волокон формируются в процессе экструзии, а при удалении химического отражателя резцом форма канавок подгоняется под U-образную с высокой точностью. Из-за большой трудое.чкости канавки не полировались. Оптический контакт между волокнами и ецннтиллятором обеспечивается прозрачной силиконовой смазкой. Световыход счётчиков измерялся с помощью космических лучей. Два ФЭУ-115М просматривали волокна с обоих концов. Во всех измерениях использовались волокна длиной 4.3 м: однослойные BCF-92 и двухслойные BCF99-29AA. Первые исследуемые пластины имати длину 2 м с шагом между канавками 19 мм. Сцинтиллятор с вставленными в него двухслойными волокнами BCF99-29AA оборачивался одним слоем белой бумаги Tyvek. Суммарный световыход с обоих концов составил около 11.2±0.5 ф.э./МГР вдоль пластины, т.е. почти не зависел от позиции проходящей частицы. Скорость распространения сигнала составляет 5.8 нс/м. Затем экструзионная головка была модифицирована, чтобы производить пластины с шагом 10 мм между канавками. Тестируемые образцы имели длину 1 м. 14 двухслойных WLS волокон были вставлены в канавки, один слой бумаги Tyvek использовался как отражатель, Суммарный световыход составил 17 ф.э./MIP, или 12 ф.э./МэВ. Следующим шагом было использование нового химического отражателя вместо Tyvek. Изготовленный таким образом счётчик длиной 1 м показал световыход 19.6 ф.э./MIP, что соответствует 14 ф.э./МэВ. Амплитудный спектр, полученный в центре пластика, приведен на рис. 4.5. Замена двухслойного волокна на однослойное BCF-92 уменьшает световыход образцов, покрытых химическим отражателем, на 24% до 14.9 ф.э./MIP. Уменьшение шага между канавками также увеличивает световыход. Измеренные световыходы для шага 7 мм составляют 26 ф.э./MIP и 20.8 ф.э./MIP для двухслойных и однослойных оптоволокон, соответственно. Для измерения временных характеристик использовались формирователи со следящим порогом. Триггерный сигнал от космики вырабатывался быстрым запускающим счётчиком, в то время как стоп-сигналы на ВЦП подавались от ФЭУ-И5М. Получено временное разрешение 0.85 не (rms) для образцов, покрытых химическим отражателем, с шагом 10 мм между двухслойными волокнами BCF99-29AA (рис. 4.6). С однослойными волокнами BCF-92 получено временное разрешение 0.87 не. Временное разрешение образцов с шагом 7 мм составляет 0.71 не для двухслойных волокон и 0.76 не при считывании света однослойными волокнами. Интересно отметить, что однослойные волокна с шагом 7 мм обеспечивают такой же световыход, как и двухслойные волокна с шагом 10 мм, обеспечивая более высокое временное разрешение. Тонкая зкструдиро ванная пластина толщиной 3 мм и длиной 1 м была изготовлена по той же технологии, что и 7 мм счётчики. 14 двухслойных волокон BCF99-29AA были уложены в канавки с шагом 10 мм. Измеренный световыход составил 8.5 ф.э./MIP. Временное разрешение равно 0.92 не. Как и ожидалось, величина световыхода оказалась прямо пропорциональна толщине пластика. Результаты измерений счётчиков, изготовленных методом экструзии, приведены в таб. 4.2.
Фланцевый фотонный детектор в эксперименте Е949
Два фланцевых детектора, размещённых в установке позади Csl детекторов (рис. 3.2), закрывают часть телесного угла и входят в вето-систему эксперимента Е949. Цель фланцевых детекторов (ФД) - регистрация фотонов, испущенных из мишени под малыми полярными углами. Старые ФД, используемые в эксперименте Е787, представляли собой сборки "сэндвича-типа из 25 слоев пластического о мм сцинтилля-тора и 24 слоев свинцовой фольги толщиной 1 мм. Радиационная толщина сборки составляет 4.GXQ. Светосбор осуществлялся с помощью набора изогнутых акриловых световодов и смесительного световода кубической формы, который непосредственно приклеен к торцам сцинтилляционных пластин. Моделирование такого детектора показало, что неэффективность регистрации фотонов в диапазоне энергий 30-250 МэВ составляет от 6 до 10%, главным образом из-за малой радиационной толщины. Фотоны проходили через ФД без взаимодействия в свинце. Основной целью модернизации ФД является увеличение эффективности регистрации фотонов, что позволит наиболее полно использовать возможности экспериментальной установки Е949 для подавления фоновых распадов КК2. В этой работе описан ФД, изготовленный для передней части установки Е949. Внешний вид ФД в разобранном виде показан на рис. 5.14. ФД состоит из 25 сло ев 5 мм сцинтиллятора ВС404 (Bicron) и 24 слоён свинцового конвертора толщиной 2 мм. Радиационная толщина равна 9А о, т.е. в 2 раза больше по сравнению со старым ФД. Слой сцинтиллятора состоит из 12 клинообразных пластин, которые формируют 12 идентичных секторов (по 25 пластин) в азимутальной плоскости. Пластина показана на рис. 5.15. Светосъём осуществляется с помощью 16 двухслойных WLS волокон BCF99-29AA (диаметр 1 мм), вклеенных в канавки. Все волокна каждого сектора заведены в разъём, как показано на рис. 5.16. Слой свинца выложен из двух полудисков толщиной 2 мм. Сшшцовыс слои уложены со сдвигом 30 по отношению к примыкающим слоям для того, чтобы щели между полудисками не перекрывались. Так как после конвертации фотона электромагнитный ливень распространяется в активный объём сцинтиллятора, то не существует нечувствительных направлений (проекционных мёртвых зон) для 7 квантов, вылетающих из мишени. "Сэндвич" механически зажат между алюминиевыми дисками с помощью стоек, как можно увидеть на рис. 5.14. Стойки, касающиеся торцов пластин, также предотвращают выпадение элементов из сборки, если давление прижима окажется недостаточным для сохранения целостности детектора. Мы можем оценить предполагаемый световыход с пластины, учитывая результаты по Т-счётчикам, где использовались такие же сцинтиллятор и волокна, и принимая во внимание одинаковую плотность волокон на единицу площади сцинтиллятора для этих детекторов. Средний световыход Т-счётчика составляет Ат=23 ф.э./МэВ. где ;г=4.8 м - длина волокон в Т-счётчике; lpD=4\) см - средняя длина волокон в ФД; Lwis - длина ослабления волокна BCF99-29AA, которая согласно таб. 4.1 равна 4 м.
Подставляя параметры в формулу, мы получаем оценочную величину световыхода с одной пластины - 38 ф.э./МэВ. Пластины сциитиллятора были вырезаны из листов ВС404 толщиной 5 мм с точностью размера 0.1 мм. Так как лист отклоняется от номинальной толщины ±0.2 мм (диапазон от 4.8 до 5.2 мм), пластины отбирались по толщине в группы. Один слой выкладывался из пластин той же самой группы. Нарезка канавок и покрытие химическим отражателем осуществлялись по технологии, описанной в предыдущей главе. WLS волокна нарезались кусками по 50-65 см. Все отрезки проверялись на гибкость, потому что была обнаружена повышенная хрупкость волокон в полученной партии от Bicron. Для этого отрезок осматривался визуально, а затем сгибался на цилиндре диаметром 5 см, чтобы проявить скрытые слабые места, Всего было отбраковано примерно 0.5% волокон. Один конец волокна полировался, затем па него напылялся алюминиевый слой в качестве отражателя. Сравнение различных типов отражателя па конце волокна (алюминизированное покрытие, алгомшшзированньгп майлар, фторопласт) не выявило преимущества одного из них, поэтому использовался наиболее технологичный тип - алюминизация. Результаты исследования различных отражателей приведены в таблице 5.9. Вклеивание волокон происходило по отработанной на Т-счётчиках процедуре, в два этапа, с подогревом до 40-45С для ускорения затвердевания клея. Чтобы избежать возможного эффекта диффузии свинца в пористый химический отражатель, слои свинца и сциитиллятора разделяются диффузной бумагой Tyvek. Tyvek также работает как отражатель над вклеенными волокнами. Наиболее сложной процедурой в сборке детектора является введение волокон в разъёмы, закрепленные на фланце. Если радиус изгиба волокна меньше 3 см, на оболочке развиваются мелкие трещинки, которые могут нарушить нормальное распространение света по волокну. Разрушение оболочки начинается примерно через 1 час после изгиба и заканчивается после 24-48 часов. Такое волокно способно проводить свет, но в долговременном плане возрастает вероятность разлома волокна. Для предотвращения напряжения в месте изгиба обычно волокна нагревают до 80
