ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 6, с. 534-545
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ СЕЧЕНИЙ е+е_-АННИГИЛЯЦИИ В АДРОНЫ С ДЕТЕКТОРОМ СНД НА ВЭПП-2000
© 2015 г. В. М. Аульченко1),2), М. Н. Ачасов1),2), А. Ю. Барняков2), К. И. Белобородов1),2), А. В. Бердюгин1), Д. Е. Беркаев1),2), А. Г. Богданчиков1),
А. А. Ботов1), А. В. Васильев1),2), В. Б. Голубев1),2), Т. В. Димова1),2), В. П. Дружинин1),2), Л. В. Кардапольцев1),2), А. С. Касаев1), А. Н. Кирпотин1), Д. П. Коврижин1), И. А. Кооп1),2), А. А. Король1),2), С. В. Кошуба1), А. С. Купич1),2), А. П. Лысенко1^ К. А. Мартин1),2), А. Е. Образовский1),2), Е. В. Пахтусова1), Е. А. Переведенцев1),2), Ю. А. Роговский1),2), А. Л. Романов1^ А. И. Сенченко1), С. И. Середняков1),2), З. К. Силагадзе1),2), А. Н. Скринский1), И. К. Сурин1), Ю. А. Тихонов^,2), А. Г. Харламов1),2)*, Ю. М. Шатунов1),2), Д. А. Штоль1)
Поступила в редакцию 29.06.2014 г.; после доработки24.11.2014 г.
Представлен обзор предварительных результатов экспериментов с детектором СНД на е+е--коллайдере ВЭПП-2000 в интервале энергии л/1 = 1000—2000 МэВ. Измерены сечения процессов е+е- — п0п0^, е+е- — п+п-п0п0, е+е- — п+п-п0, е+е- — п+п-п, е+е- — рр, сечения согласуются с предыдущими измерениями, но имеют более высокую точность. Впервые измерено сечение е+е- — пл в диапазоне энергии от 1.4 до 2 ГэВ. Впервые измерено отношение Ое/Ом нейтрона во времениподобной области.
DOI: 10.7868/80044002715050025
1. ВВЕДЕНИЕ
Предсказания стандартной модели ограничиваются сегодня точностью вычисления вклада поляризации вакуума адронами в пропагатор фотона. Поляризацию вакуума адронами условно разделяют на "низкоэнергетическую" и "высокоэнергетическую" части. "Высокоэнергетическую" часть вычисляют с помощью пертурбативных методов квантовой хромодинамики [1], и вычисления хорошо согласуются с экспериментом. К "низкоэнергетической" части обычно относят диапазон энергий 2Е < 2 ГэВ, и в данной области поляризацию вакуума адронами вычисляют с помощью дисперсионных соотношений, интегрируя экспериментально измеренные зависимости сечения аннигиляции в адроны от энергии.
На данный момент имеется расхождение предсказаний стандартной модели для аномального магнитного момента мюона с прямым измерением на уровне достоверности в три стандартных отклонения [1], что является указанием на существование "Новой физики". Для увеличения значимости
''Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН,
Новосибирск.
2'Новосибирский государственный университет, Россия.
E-mail: A.G.Kharlamov@inp.nsk.su
расхождения и проверки моделей "Новой физики" требуется улучшить точность расчета аномального магнитного момента в стандартной модели или улучшить точность прямого измерения. Наибольшую неопределенность ^70% в вычисление поляризации вакуума вносит неопределенность измерения сечения е+е- — п+п-, процесс е+е- — — п+п-п0п0 дает вклад в ошибку вычисления ~15%, оставшиеся 15% вносят сечения других процессов из диапазона 1—2 ГэВ. За последние годы достигнут значительный прогресс в измерении сечения е+е- — п+п-. В 2009 г. результаты своих экспериментов представили БАБАН и КЬОБ, в обоих случаях измерения сделаны с помощью метода радиационного возврата [2] и имеют существенно лучшую статистическую точность по сравнению с предыдущими измерениями. К сожалению, между результатами измерений БАБАН и КЬОБ имеется существенное расхождение, что указывает на наличие неучтенных систематических ошибок хотя бы в одной из этих работ. В настоящее время требуются независимые измерения сечений е+е--аннигиляции в адроны с более высокой точностью, как статистической, так и систематической. Желательно прямое измерение сечений, поскольку точность самого метода радиационного возвра-
та ограничена точностью вычисления радиационной поправки во втором за главным приближении (NNLO).
Увеличение точности измерения адронных сечений е+е--аннигиляции может привести к обнаружению "новой физики", если статистическая значимость разности измерения и расчета составит пять стандартных отклонений.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Детектор СНД [3] работает с 2009 г. на коллайдере ВЭПП-2000 [4] в энергетическом диапазоне 360—2000 МэВ. Детектор включает в себя несколько подсистем. Трековая система представляет собой дрейфовую камеру с ячейкой струйного типа. Трехслойный электромагнитный калориметр сконструирован на основе кристаллов ^Ц^). В состав мюонной системы входят сцин-тилляционные счетчики и два слоя стримерных трубок. Энергетическое и пространственное разрешения калориметра зависят от энергии фотонов
следующим образом: ое/Е(%) = 4.2%/^/4_Б(ГэВ) и а^в = 0.82о/л/£(ГэВ) е 0.63°. Телесный угол калориметра составляет 0.94 от 4п. Разрешение трековой системы составляет 0.5° и 2° для азимутального и полярного углов соответственно. Подробное описание детектора и процедур реконструкции можно найти в [3].
В настоящей работе использовалась статистика трех экспериментов: Mhad10, Mhad11 и Mhad12, набранная в 2010—2012 гг. Интегральная светимость в эксперименте Mhad10 составила 5 пбн-1, Mhad11 - 25 пбн-1, Mhad12 - 15 пбн-1. Интегральная светимость измерялась двумя независимыми способами по событиям упругого электрон-позитронного рассеяния и аннигиляции в два фотона. Систематическая неопределенность светимости оценивалась как разность этих двух измерений и составила ~2%.
В настоящей работе представлен обзор результатов экспериментов с детектором СНД на ВЭПП-2000.
3. ПРОЦЕСС е+е- — шп° — п°п°7
В анализе использовались данные, набранные с детектором СНД на ВЭПП-2000 в 2010 и 2011 гг. Для выделения событий изучаемого процесса е+е-
шп — п п 7 были использованы следующие условия отбора:
найдены пять или более фотонов с энергией более 30 МэВ и ни одной заряженной частицы;
число сработавших проволочек в дрейфовой камере меньше либо равно пяти;
Х2(57) < 30 для Е(ц.м.) < 1.7 ГэВ и х2(57) < < 15 для Е(ц.м.) ^ 1.7 ГэВ;
Х2(п0п°ч) - х2(57) < 10;
инвариантная масса хотя бы одной из двух комбинаций п07 удовлетворяет условию \т(п°^) —
— т(ш)\ < 200 МэВ, где т(ш) — табличное значение массы ш-мезона.
Здесь х2(57) и х2(п°п°^) — значения функции X2, полученные в результате процедуры кинематической реконструкции событий, которая проверяет совместимость кинематики зарегистрированного события с кинематикой процессов е+е- —
— 57 и е+е- — п0п°7 соответственно. Так как при заполнении гистограммы использовались обе комбинации п°7 в событии, нерезонансная часть распределения также определяется в основном событиями изучаемого процесса. Источниками фона являются электродинамические процессы е+е- —
— З7, 47, 57, процессы с адронами е+е- — п! шп°п°. Кроме того, возможен вклад от
и е+е-
процессов е+е-
п п 7 с промежуточными состояниями, отличными от шп°. Описание процедуры кинематической реконструкции можно найти в [5].
Для того чтобы определить число событий изучаемого процесса N(Е), распределение по инвариантной массе системы п°7 было аппроксимировано суммой распределений для сигнала и фона. Учитывались обе комбинации п°7. Распределение для сигнала было получено при помощи непараметрической аппроксимации смоделированного спектра масс. Распределение для фона описывалось линейной функцией, к которой при энергии Е(ц.м.) ^ ^ 1.7 ГэВ добавлялся расчетный фон от процесса е+е- — шп°п°. Видимое сечение вычислялось следующим образом:
avis(E) =
N (Е)
(1)
1Ь(Е)'
где N — число событий сигнала; ТЬ(Е) — инте
гральная светимость.
Видимое сечение может быть записано в виде
^шах
аv
J ег (Е, хЕ/2) х
(2)
х Е(х,Е)<т(Еу/1 -хйх),
где а — борновское сечение; ег (Е, хЕ/2) — эффективность регистрации; Е описывает вероятность излучения фотонов с энергией хЕ/2. Эффективность регистрации событий изучаемого процесса определялась при помощи моделирования методом Монте-Карло и учитывала радиационные поправки.
°
о0, нбн
Рис. 1. Сечение процесса e+e ^ шп0 ^ n0n0j в сравнении с результатами [5—7].
Рис. 2. Квадрат нормированного переходного формфактора ш ^ п0^*. Кривые: сплошная — предсказания теоретической модели, использованной при аппроксимации сечения; штриховая — вклад от резонанса р(770).
Борновское сечение, показанное на рис. 1, было аппроксимировано выражением, основанным на модели векторной доминантности с учетом возбужденных состояний р-мезона [5]. Было установлено, что в рамках этой модели не удается описать энергетическое поведение сечения вкладами только двух резонансов р (770) и р (1450). Вклад резонанса р (1700) является необходимым.
Из параметров, полученных в результате аппроксимации, были вычислены произведения относительных вероятностей распадов р (1450) и р(1700): Б(р' — e+e-)Б(р — шп0) = (5.3 ± ± 0.4) х 10-6, Б(р" — e+в-)Б(р" — шп0) = (1.7 ± ± 0.4) х 10-6. Сечение изучаемого процесса может быть выражено через переходный формфак-тор вершины ш — n°Y*. Это дает возможность
совместно анализировать данные, полученные в
настоящей работе, и данные эксперимента NA60,
о + —
полученные при изучении распада и — ц [8, 9]. Переходный формфактор связан с сечением процесса е+е~ — ип° следующим образом [10,11]:
^ЛЕ) = ^\РШ^{Е2)\2Р{{Е). (3)
На рис. 2 приведен квадрат нормированного переходного формфактора (д2)/^п7(0)|)2, полученный из данных СНД по реакции е+е~ — ип° и из данных по распаду и — .
Было проведено сравнение сечения е+е~ — — ип° — п0п°7, измеренного детектором СНД, и данных, полученных из спектральной функции
распада т- — шп-, измеренной в эксперименте CLEO [12]. Данные хорошо согласуются друг с другом: значение х2 (V — число степеней свободы) при сравнении данных CLEO и теоретической кривой составило 19.7/16. Для количественной проверки гипотезы сохранения векторного тока была вычислена величина Г(т- — шп-ит)В(ш —
— п°7) = (3.68 ± 0.04 ± 0.13) х 10-6 эВ. Используя табличные значения для времени жизни т-лептона и B(ш — п° y), можно вычислить относительную вероятность распада т — шп-: B(т —
— шп-) = (1.96 ± 0.02 ± 0.10) х 10-2, которая согласуется с табличным значением В(т — шп-) = = (1.95 ± 0.08) х 10-2 [13]. Можно сделать вывод, что гипотеза сохранения векторного тока для системы шп является спр
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.