ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 5, с. 383-387
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ е+е- ^ 2(п+п-п0) И е+е- ^ 3(п+п-)
С ДЕТЕКТОРОМ КМД-3
(©2015 г. П. А. Лукин1),2)*, А. В. Анисенков1), В. М. Аульченко1),2), Р. Р. Ахметшин1), В. Ш. Банзаров1), Н. С. Баштовой1), Д. Е. Беркаев1),2), А. В. Брагин1), А. И. Воробьев^,
С. Е. Гаязов1),2), А. А. Гребенюк1),2), Д. Н. Григорьев^,2),3), Е. М. Громов1),2), Д. А. Епифанов1),4), А. Л. Ерофеев1), Ю. М. Жаринов1), Ф. В. Игнатов1), С. В. Карпов1), В. Ф. Казанин1),2), А. Н. Кирпотин1), И. А. Кооп1),2), О. А. Коваленко1),2), А. Н. Козырев1), Е. А. Козырев1),2), П. П. Кроковный1),2), А. Е. Кузьменко1),3), А. С. Кузьмин1^ И. Б. Логашенко1),2), А. П. Лысенко1), К. Ю. Михайлов1),2), В. С. Охапкин1), Ю. Н. Пестов1), Е. А. Переведенцев1),2), А. С. Попов1),2), Ю. С. Попов1), Г. П. Разуваев1),2), Ю. А. Роговский1), А. Л. Романов^, А. А. Рубан1), Н. М. Рыскулов1), А. Е. Рыжененков1),2), А. Л. Сибиданов1),5), Е. П. Солодов1),2),
В.М.Титов1), А. А. Талышев1)-2), Г.В.Федотович1)'2), |Б. И. Хазин П. Ю. Шатунов1)
1),2),
Ю . М . Шатунов1), Б . А. Шварц1) 2), Д. Б . Шварц1) 2), В . Е. Шебалин^, Д. Н. Шемякин1),2), С. И. Эйдельман1),2), Л. Б. Эпштейн1),3), Ю. В. Юдин1)
Поступила в редакцию 29.06.2014 г.
С детектором КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН измерены сечения процессов е+е- — 2(п+п-п0) и е+е- — 3(п+п-) в области энергии 1.5—2 ГэВ в с.ц.м. Интегральная светимость в эксперименте составила 22 пбн-1.
DOI: 10.7868/8004400271502021Х
1. ВВЕДЕНИЕ
Измерение сечений е+е--аннигиляции в адро-ны является важным для ряда физических задач. Величины сечений используются для расчета адронного вклада в поляризацию вакуума при измерении аномального магнитного момента мю-она [1]. Кроме того, при исследовании процессов рождения адронов определяются параметры радиальных и орбитальных возбуждений легких векторных мезонов, дающих вклады в изучаемое конечное состояние. И наконец, при сравнении полученных сечений со спектральными функциями из распадов т-лептона выполняется проверка гипотезы сохранения векторного тока. Настоящая
''Институт ядерной физики им. ГИ. Будкера СО РАН, Новосибирск.
2'Новосибирский государственный университет, Россия.
3'Новосибирский государственный технический университет, Россия.
4'University of Tokyo, Department of Physics, Japan.
5'University of Sydney, School of Physics, Falkiner High Energy Physics, Sydney, Australia. E-mail: P.A.Lukin@inp.nsk.su
работа посвящена изучению процессов е+е — — 2(п+п-п0) и е+е- — 3(п+п-). Конечное состояние с шестью заряженными пионами уже изучалось ранее в экспериментах ЭМ2 [2] и ВаВаг [3]. В эксперименте ЭМ2 был обнаружен резкий скачок в сечении при энергии 1.9 ГэВ в с.ц.м. Эксперимент ВаВаг подтвердил наличие скачка в сечении процесса е+е- — 3(п+п-) и одновременно продемонстрировал резкое изменение сечения в указанной области энергий также и в процессе е+е- — 2(п+п-п0). Причины такого поведения сечения до сих пор неясны, и одно из объяснений заключается в предположении о существовании "подпорогового" протон-антипротонного резонанса. Косвенно это предположение подтверждается быстрым ростом формфактора протона вблизи порога рождения, исследованном в эксперименте ВаВаг [4]. Кроме того, узкая резонансная структура вблизи порога рождения пары протон—антипротон ранее наблюдалась в эксперименте РЕ№СБ при изучении е+е--аннигиляции в адроны [5]. В настоящей работе анализируются измеренное сечение процесса е+е- — 3(п+п-) и предварительные результаты по сечению процесса
ДЕ6, МэВ 200 -
0
-200 -400 -600
_1_I_I_1_
0 100 200 300
Ptot, МЭВ/с
Д£5+1, МЭВ 0b - 6
-200 -400 -600
уДщ
■л .. .*
I . !■ ' 1 ■ - ■ I'
0 100 200 300 400 500 Ptot, МЭВ/с
Число событий/5 МэВ 70
60
50
40
30
20
10
0
-150-100-50 0 50
Д£6, МэВ
Число событий/5 МэВ 100
80 60 40 20 0
\\
-400 -200 0 200 ДЕ5+1, МЭВ
a
Рис. 1. а — Разница между полной энергией и энергией в с.ц.м. (АЕ = Еы — Ест.) в зависимости от полного импульса Ры для событий с шестью треками. Вертикальной линией показан критерий отбора по импульсу. б — Проекция распределения а на вертикальную ось после применения критерия отбора по импульсу. Гистограмма — распределение событий моделирования. в — Разница между полной энергией и энергией в с.ц.м. в зависимости от полного импульса для событий с пятью треками. г — Разница между полной энергией пяти треков с учетом энергии незарегистрированного трека и энергией в с.ц.м. (точки с ошибками). Светлая гистограмма (б) описывает события сигнала из моделирования Монте-Карло, а заштрихованная гистограмма (г) — распределение событий фона из моделирования.
е+е 2(п+п п0) в области энергий 1.5—2.0 ГэВ в с.ц.м. на основе данных, полученных с детектором КМД-3 на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 [6]. Интегральная светимость составила 22 пбн"1. Детектор КМД-3, универсальный криогенный магнитный детектор, подробно описан в [7]. Его трековая система состоит из цилиндрической дрейфовой камеры [8] с гексагональными дрейфовыми ячейками, объединенными в 19 слоев, и двухслойной пропорциональной 2-камеры. Обе камеры помещены внутри тонкого (0.2Х0) сверхпроводящего соленоида с магнитным полем напряженностью 1.3 Тл. Соленоид окружен цилиндрическим электромагнитным калориметром, состоящим из калориметра на основе жидкого ксенона [9] (ЪХе), толщиной 5.4Х0 и калориметра на основе кристаллов сбЦИ) толщиной 8.1Х0, расположенным за LXe-калориметром. Торцевой калориметр детектора КМД-3 [10] состоит из 680 кристаллов германата висмута (BGO) и имеет толщину 13.4Х0. Энергия пучков во время набора данных измерялась специальной системой [11] методом обратного
комптоновского рассеяния с точностью 20—50 кэВ. Интегральная светимость в каждой энергетической точке определялась по событиям ВИаЬИа-рассеяния на большие углы [12]. Радиационные поправки к сечению для учета излучения фотонов начальными электронами или позитронами рассчитывались методом структурных функций на основе формул из работы [ 13].
2. ПРОЦЕСС е+е" ^ 3(п+п")
Для анализа отбирались события с пятью и более "хорошими" треками, где "хороший" трек определялся согласно условиям:
трек имеет более пяти точек в дрейфовой камере;
импульс трека превышает 40 МэВ/с; минимальное расстояние от трека до пучка в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля, менее 0.5 см;
минимальное расстояние от трека до центра области взаимодействия пучков, измеренное вдоль оси пучков, менее 10 см;
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ е+е- — 2(п+п-п0)
385
а(е+е ^ 3(п+п )), нбн 1.6 -
1.2
0.8 0.4 0
I- * *
т-Н-
1500 1700 1900 2100
Ест., МэВ
Рис. 2. Сечение процесса е+е- ^ 33(п+п-), измеренное детектором КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 (точки •), и результаты аналогичного эксперимента, выполненного на детекторе БаБаг (точки о). Вертикальная линия — порог рождения пары "протон-антипротон".
величина полярного угла трека достаточно велика, чтобы трек пересек не менее половины дрейфовой камеры.
Доля событий с семью и более треками составила менее 1%, и в дальнейших отборах использовались импульсы и углы треков в событиях с пятью и шестью треками. В событиях с шестью треками требовалось, чтобы суммарный заряд был равен нулю, а суммарный заряд в событиях с пятью треками равнялся ±1.
Для событий с пятью и шестью треками величины полной энергии и полного импульса всех частиц в предположении, что все частицы пионы, вычислялись по формулам
5,6
г=1
5,6
(1)
г=1
На рис. 1а показано распределение событий с шестью треками по разнице полной энергии и энергии в с.ц.м. в зависимости от величины полного импульса. Сигнал от событий е+е- — 3(п+п-) виден как черное пятно вблизи нуля. События с радиационным фотоном имеют ненулевой полный импульс и полную энергию, которая всегда меньше энергии в с.ц.м. Мы отобрали события с полным импульсом меньше 150 МэВ/с. Разница полной энергии таких событий и энергии в с.ц.м. показана на рис. 16 точками с ошибками и находится в
хорошем согласии с сигнальным моделированием Монте-Карло (гистограмма на рис. 16).
Чтобы определить число 6п-событий, в которых один пион не зарегистрирован, анализировались события с пятью треками. Пион может не зарегистрироваться, если его трек прошел вне чувствительной области детектора, распался на лету, испытал ядерное взаимодействие с веществом детектора или если его трек был неправильно реконструирован соответствующей программой. На рис. 1в показана разница между полной энергией пяти пионов и энергией в с.ц.м. в зависимости от их полного импульса. События изучаемого процесса в данном случае имеют отрицательную разность полной энергии и энергии в с.ц.м., коррелирующую с величиной полного импульса. На рисунке видно также наличие фона. В событиях с пятью пионами по величине недостающего импульса вычислялась недостающая энергия, которая добавлялась к полной энергии пяти треков. Разница вычисленной таким образом полной энергии и энергии в с.ц.м. показана на рис. 1г. Светлая гистограмма на рис. 16 демонстрирует распределение, смоделированное методом Монте-Карло для событий сигнала, а заштрихованная гистограмма на рис. 1г — для событий фона. Для определения числа событий 6п в событиях с пятью треками распределение на рис. 1 г аппроксимировалось суммой двух функций Гаусса, описывающих события сигнала, и плавной функции, описывающей фоновую подложку. По сумме числа пяти и шести трековых событий 6п в каждой энергетической точке определялось сечение процесса е+е- — 3(п+п-), которое показано на рис. 2 (темные точки с ошибками). Для сравнения на рисунке также приведены (светлые точки с ошибками) данные измерения сечения е+е- — — 3(п+п-) в эксперименте БаБаг. Видно неплохое согласие между результатом БаБаг и результатом настоящей работы. Из рис. 2 видно также резкое изменение сечения рождения 6п вблизи порога рождения пары протон—антипротон (показан на рисунке вертикальной линией). Систематическая ошибка в измерении сечения оценивается в 6%, основные вклады в нее дают выбор модели для расчета эффективности регистрации (4%) и измерения светимости (2%).
3. П
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.