ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 3, с. 501-511
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПРОЕКТ ВЭПП-2000 - КОЛЛАЙДЕР, ДЕТЕКТОРЫ, ФИЗИЧЕСКАЯ
ПРОГРАММА
© 2004 г. С. И. Середняков
Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск; Новосибирский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 26.03.2003 г.; после доработки 12.08.2003 г.
Приводится краткое описание нового е+е--коллайдера ВЭПП-2000 с максимальной энергией 2Е = = 2000 МэВ, сооружение которого ведется в ИЯФ СО РАН. Эксперименты на ВЭПП-2000 будут проводиться с двумя модернизированными детекторами: КМД-2М и СНД. Основным пунктом физической программы является точное измерение полного сечения процесса е+е- — адроны и парциальных сечений этого процесса с целью проверки моделей QCD, VMD, CVC, а также для уточнения вклада адронов в такие фундаментальные константы, как аномальный магнитный момент мюона ам = и постоянная тонкой структуры аетВажное значение будут иметь также измерения нуклонных формфакторов на пороге в процессах е+ е- — рр, пп.
1. КОЛЛАЙДЕР ВЭПП-2000
Проект ВЭПП-2000 был предложен для продолжения физической программы коллайдера ВЭПП-2М [1] в сторону большей энергии — до 2.0 ГэВ в с.ц.м. В новом ускорительном комплексе коллайдер ВЭПП-2М будет заменен на ВЭПП-2000. Схема ускорительного комплекса ВЭПП-2000 показана на рис. 1. Следует заметить, что инжекционная часть комплекса (линейный ускоритель, электронный синхротрон, бустер) остается без существенных изменений.
Основные параметры ВЭПП-2000 следующие [2, 3]:
а) рабочая энергия (с.ц.м.) 0.4—2.0 ГэВ;
б) светимость L = 1031см_2с_1 при энергии 2E = 1.0 ГэВ; L = 1032см^с"1 при 2E = 2.0 ГэВ;
в) периметр 24.5 м;
г) ток 200 мА (E = 0.9 ГэВ);
д) размер пучка вдоль орбиты 3.4 см (E = = 0.9 ГэВ);
е) энергетический разброс 0.7 МэВ (E = = 0.9 ГэВ).
Хотя ВЭПП-2000 уступает по светимости e+e"-фабрикам, тем не менее его светимость на 2—3 порядка превосходит светимость ранее работающих при энергии 2E > 1.4 ГэВ коллайдеров DCI (Orsay) и ADONE (Frascati). Ожидаемая интегральная светимость ВЭПП-2000 за 5 лет экспериментов составит фбн"1.
Отличительной особенностью ВЭПП-2000 является необычная фокусирующая система, состоящая как из традиционных квадрупольных линз, так
и из принципиально нового элемента — сверхпроводящих соленоидов с магнитным полем 8 Тл. При прохождении электронов через соленоид плоскость бетатронных колебаний поворачивается на 90°, происходит размешивание вертикальных и горизонтальных бетатронных колебаний, пучок становится круглым в поперечном направлении. Предельный по эффектам встречи ток возрастает, что приводит к повышению светимости коллайдера. Такая схема увеличения светимости будет опробована на ВЭПП-2000.
В настоящее время ведется изготовление и монтаж элементов коллайдера в экспериментальном зале.
2. ДЕТЕКТОР СНД
Эксперименты с детектором СНД (сферический нейтральный детектор) [4] проводились на е+е--коллайдере ВЭПП-2М в период с 1995 по 2000 гг. с интегральной светимостью ^30 пбн-1.
Главной частью детектора СНД (рис. 2) является электромагнитный калориметр на основе 1632 кристаллов ^Ц^), выполненный в виде трех сферических слоев. Общий вес кристаллов составляет 3.6 т, телесный угол калориметра <~90% от 4-7Г. Энергетическое разрешение для фотонов составляет аЕ/Е = 4.2%/{/Е(ГэВ) [5], угловое разрешение ~1.5°. Порог на энергию фотона установлен на уровне 20 МэВ. Для измерения углов вылета заряженных частиц используется система из двух цилиндрических дрейфовых камер с телесным углом 95% от 4п. Точность измерения
Конвертор
Рис. 1. Схема ускорительного комплекса ВЭПП-2000. Коллайдер ВЭПП-2000 с двумя детекторами СНД и КМД-2М показаны в правой части рисунка.
Рис. 2. Детектор СНД, вид в плоскости поперек направления пучков: 1 — вакуумная камера; 2 — дрейфовые камеры; 3 — аэрогелевые черенковские счетчики; 4 — №1(Т1)-счетчики; 5 — фототриоды; 6 — железный поглотитель; 7 — стриммер-ные трубки; 8 — сцинтилляционные счетчики.
азимутального угла составляет 0.4°, а полярного угла ^2°. Снаружи калориметра установлен мюонный детектор, состоящий из стриммерных трубок [6].
В настоящее время проводится модернизация СНД [7]. Сооружается новая дрейфовая камера в качестве трекового детектора. Дополнительным элементом СНД будет аэрогелевый черенковский счетчик (показатель преломления п = 1.13), позволяющий разделять п- и К-мезоны до импульса 900 МэВ/с. В новом детекторе СНД будут также обновлены электроника и система считывания и обработки данных.
3. ДЕТЕКТОР КМД-2М
Схема детектора КМД-2М [8] показана на рис. 3. КМД-2М представляет собой сверхпроводящий соленоид с полем 1.5 Тл, толщиной 0.15Х0, внутри которого размещена дрейфовая камера, обеспечивающая измерение углов вылета и импульсов заряженных частиц. Угловая точность мрад, импульсное разрешение ^3% при импульсе 1 ГэВ, среднее число проволочек вдоль трека — 19.
Калориметр КМД-2М — комбинированный. В торцевой части он состоит из кристаллов BGO со считыванием на кремниевых фотодиодах. В бар-рельной части калориметр состоит по ходу частиц
Рис. 3. Детектор КМД-2М, вид вдоль направления пучков: 1 — вакуумная камера; 2 — дрейфовые камеры; 3 — BGO-калориметр; 4 — ^-камера; 5 — сверхпроводящий соленоид; 6 — LXe-калориметр; 7 — CsI-калориметр; 8 — ярмо магнита; 9 — сверхпроводящие фокусирующие соленоиды.
из жидкого криптона (8Х0) и кристаллов CsI(Tl) (5Х0). Калориметр КМД-2М является мелкосек-ционированным по телесному углу, что позволяет с высокой эффективностью регистрировать события с большой множественностью или с близкими частицами. Энергетическое разрешение калориметра ожидается в пределах 3—6% для фотонов с энергией 0.1 — 1 ГэВ. Угловое разрешение — от 0.3° в баррельной части до 1° в торцах.
Снаружи калориметра установлена пробежная система на основе плоских сцинтилляционных счетчиков для улучшения разделения п- и К -мезонов и подавления космического фона.
4. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА
Полное сечение е+е- -аннигиляции в адроны
Величина R =
a(e+e ^ адроны)
является
ошибки в этих сечениях пока велики и приводят к ошибке AR/R ~ 10%. Задача ВЭПП-2000 -уменьшить эту ошибку до 2—3%.
Вклад величины! Ц в аномальный магнитный
д - 2
момент (АММ) мюона ац = —-—
АММ мюона является одной из фундаментальных констант физики элементарных частиц. По
10
-3
от полного магнитного момента, и эта маленькая величина а^ =
а(е+е- — л+¡-) фундаментальной величиной в кварковой модели и в КХД. В первом приближении К = 3 ^ е^, и для первых трех кварков и, й, в величина К ~ 2. Расчетное значение величины К с учетом поправок КХД согласуется с экспериментальными данными при энергии 2Е > 1.5 ГэВ. Область ВЭПП-2000 2Е = 1.4—2.0 ГэВ является резонансной или переходной областью энергии. Здесь сечения основных процессов, дающих наибольший вклад в К, резко изменяются с энергией. Экспериментальные
величине АММ составляет тного д-2
= —-— в настоящее время в эксперименте Е821
(БЫЬ) [9] измерена с точностью 0.7 ррт (1 ррт = = 10-6). Расчетное значение АММ имеет примерно такую же точность: 0.9 ррт [10]. Однако в расчете есть проблемы. Дело в том, что определяющий вклад в расчетную точность дает адронная поляризация вакуума (АПВ), которая пока не может быть получена из первых принципов КХД. Для расчета АПВ используются экспериментальные данные по полному сечению процесса е+е- — адроны. В величину К, а она как раз и измеряется на ВЭПП-2М и ВЭПП-2000, наибольший вклад дают меньшие энергии (область р-мезона).
Наиболее точные измерения величины К были сделаны группой КМД-2 [11] в Новосибирске. Расчетная величина АММ по этим данным отличается в меньшую сторону (на три стандартных
о, нбн 8
★ СНД ■ БМ2
{
i * í
0 г 1000 1500 2000 Л МэВ
Рис. 4. Экспериментальные данные по сечению процесса е+е- ^ п+п-п0.
отклонения (2.9 ppm)) от эксперимента Е821. Значение АММ по распадам т-лептона также ниже результата Е821, но здесь разница меньше (1.5а). Новые измерения К на ВЭПП-2000 являются совершенно необходимыми, так как достоверно установленное отклонение эксперимента от раcчета для АММ означало бы нарушение стандартной модели.
Вклад величины Ц в значение постоянной тонкой структуры aem (М)
Постоянная тонкой структуры ает, как известно, слабо растет с ростом энергии и на пике Z0-бозона ее значение составляет уже 1/129 (вместо привычного значения 1/137 в пределе нулевой энергии). Однако если точность ает(0) составляет 4 х 10-8 [12], точность величины ает(М|) гораздо хуже: -10-3.
Улучшение точности ает(М|) имеет важное значение для прецизионной проверки электросла-
бой модели. Например, проверка соотношения
эт2 6^(1 - эш2 6^) =
пае
,(М2)
\Z2GpMf
(зависимость от М1 и Мн не включена) ограничена точностью ает(М2). Погрешности в других величинах этого соотношения значительно меньше:
5СР
10
-5.
5Мг -10
-4
Константа ает(М|) рассчитывается в КЭД с привлечением экспериментального сечения процесса е+е- — адроны аналогично расчету АММ, однако здесь наибольший вклад в поправку АПВ дают более высокие энергии. Тем не менее по данным 1999 г. область энергии 2Е < 2 ГэВ дает вклад > 30% в ошибку ает(М|). Поэтому новые более точные измерения величины К на ВЭПП-2000 (< 1% на р-мезоне и 2-3% в интервале 1-2 ГэВ) с условием улучшения точности при более высокой энергии, например на ВЭПП-4М, позволят в
4
о, нбн 3
о СНД
• СМБ2
• БМ2
т
+ 1 т I
1200
1600
2000 2Е, МэВ
Рис. 5. Экспериментальные данные по сечению процесса е+е ^ шп+п .
будущем значительно улучшить точность проверки электрослабой модели.
Отдельные процессы е+е- -аннигиляции в адроны и спектроскопия возбужденных векторных мезонов
Величина Я определяется суммой сечений всех адронных процессов, например:
е+е- — 2п, 3п, 4п, 5п, КК, ККп, NN,...
Эти процессы доминируют на ВЭПП-2000. При энергии 2Е < 1 ГэВ наибольшее сечение имеют процессы е+е- — 2п, 3п, далее с ростом энергии эти сечения падают и начинает доминировать процесс е+е- — 4п. Для каждого отдельного процесса сечение сравнительно хорошо описывается моделью векторной доминантности (МВД) с поправками, например с учетом зависимости ширины резонанса от эне
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.