ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2014, том 77, № 2, с. 234-240
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПОИСКИ РАСПАДА D0
ß+ß
НА АДРОННЫХ КОЛЛАИДЕРАХ
©2014 г. Д. Ю. Голубков*, В. Ю. Егорычев**, Ю.М.Зайцев**
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия Поступила в редакцию 18.06.2013 г.
Исследования редких распадов очарованных мезонов используются для проверки стандартной модели и поисков новой физики. Рассматривается прогресс в поисках редкого распада D0 экспериментах на адронных коллайдерах HERA, Tevatron и LHC за последние несколько лет.
DOI: 10.7868/S0044002714020081
j
1. ВВЕДЕНИЕ
Распад D0 — //- чувствителен к нейтральным токам, не сохраняющим кварковый аромат (flavor-changing neutral currents, FCNC). Такие токи отсутствуют в первом порядке теории возмущений стандартной модели (СМ). В рамках СМ с вершиной элементарного взаимодействия, где меняется аромат кварка, связан только заряженный ток слабого взаимодействия. Несмотря на то что в СМ FCNC-процессы разрешены в высших порядках теории возмущений, они сильно подавлены в механизме Глэшоу—Илиопулоса—Маяни [1]. Требования сохранения спиральности в случае распада D0 — л- приводят к дополнительному подавлению его вероятности на величину порядка m2^/mW, где mц и mw — соответственно массы мюона и W-бозона. Для кварков верхнего типа (u, c, t) FCNC-процессы подавлены особенно сильно. Поэтому в физике взаимодействий с изменением аромата наибольшее внимание традиционно привлекают исследования K- и Б-мезонов, отвечающих кваркам нижнего типа. Тем не менее очарованные кварки являются единственно доступными для экспериментального изучения массивными кварками верхнего типа. FCNC-распады очарованных мезонов, для которых удается твердо установить верхнее ограничение на вклад от непертурбатив-ных взаимодействий на больших расстояниях, используются для поиска новых физических сценариев. Оценка вклада в относительную ширину распада D0 — за счет процессов на малых
расстояниях в рамках СМ дает значения порядка
10 9-10"18 [2-4].
''Здесь и далее D0 означает D0 и D0. E-mail: dimgol@mail.desy.de E-mail: Victor.Egorychev@cern.ch E-mail: zaitsev@itep.ru
Оценка непертурбативных поправок за счет сильного взаимодействия на больших расстояниях связывает их вклад с вероятностью двухфотонного распада £°-мезона: B(D0 — ц+ц-)СМнеперт ~ ~ (2.7 х 10-5) х B(D° — yy) [4]. В свою очередь, вероятность двухфотонного распада D° — yy в настоящее время экспериментально ограничена измерением B(D° — yy) < 2.2 х 10-6 с уровнем доверительной вероятности 90% (90% C.L.) [5]. При этом соответствующая теоретическая оценка (в рамках СМ) составляет B(D° — yy) ~ 10-8 [4]. Таким образом, в рамках СМ учет непертурбативных поправок, связанных с сильным взаимодействием на больших расстояниях, приводит к возможному увеличению вероятности распада D° примерно до 10-13 [4]. Однако даже такое увеличение вероятности распада не оставляет возможности для наблюдения данного процесса в существующих или планируемых в ближайшее время экспериментах.
В расширенных моделях вне рамок СМ, таких, как модели с хиггсовскими дублетами, а также дополнительными калибровочными бозонами, может происходить дополнительный обмен скалярными, псевдоскалярными и аксиальными векторными токами за счет вклада новых частиц в петлевые процессы. Это может привести к существенному увеличению вероятности распада D° — ц+ц-. В частности, в минимальном суперсимметричном расширении СМ (МССМ) с несохранением Д-четности (RPV) вероятность такого распада может достичь B(D° — ц+ц-)кРуМССМ ~ 3.5 х
х 10"7 < 3.5 х 10"7 [6], где X'ijk - кон-
станты связи, стоящие в данной модели при вершине перехода между лептоном поколения i, кварком верхнего типа поколения j и кварком нижнего типа k-го поколения (или их суперпартнерами). По другим оценкам для той же модели,
связывающим распад D'
о
¡i+ß
с D — D0
m
dk
смешиванием, вероятность этого распада оценивается величиной B(D° — ^+^-)RPVMGGM ~
~ 4.8 х 10-9 (300 ГэВ< 10-8, где
масса суперсимметричного партнера d-кварка [7]. В сценариях новой физики, основанных на модели Рэндалл—Сундрума c закрученными дополнительными измерениями, вероятность данного распада достигает значений порядка 10-10 [8]. Поэтому экспериментальное обнаружение таких процессов с неожиданно большими вероятностями распада означает существование FCNC на древесном уровне вне рамок СМ [4]. Это делает изучение данного распада особенно интересным с точки зрения поиска новой физики вне пределов СМ.
Экспериментальные поиски D0 — ц+ц- проводились в адрон-адронных, электрон-позитрон-ных, а также в соударениях лептонов или адронов с ядрами [9]. Настоящая статья представляет собой обзор работ по поиску распада D0 — ц+ц-, выполненных в экспериментах по изучению протон-ядерных и адрон-адронных соударений. В качестве наглядного примера общей схемы анализа D0 — ц+ц- вначале более подробно рассмотрим, как этот анализ был проведен в эксперименте по протон-ядерным взаимодействиям HERA-B, а затем кратко опишем специфику и основные характеристики последующих измерений в адрон-адронных взаимодействиях.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ HERA-B
Поиск распадов D0 — ц+ц- был проведен [10] на данных, содержащих х 107 событий протон-ядерных взаимодействий при импульсе протонов 920 ГэВ/с, что соответствует энергии протон-нуклонного взаимодействия в системе центра масс (с.ц.м.) л/s = 41.6 ГэВ.
Детектор HERA-B представлял собой универсальный широкоапертурный магнитный спектрометр, работавший с использованием внутренней мишени протонного пучка с импульсом 920 ГэВ/с накопительного комплекса HERA в лаборатории DESY в Гамбурге (Германия). Спектрометр и триг-герная система были разработаны для реконструкции в реальном времени J/^-мезонов, распадающихся на лептонные пары. В качестве мишени использовались две станции, отстоящие друг от друга на 40 мм. Каждая станция состояла из четырех проволочек различного материала, которые вводились в гало пучка. Положение проволочек дистанционно изменялось для поддержания постоянной скорости счета в пределах от 1 до 40 МГц [11]. Вершинный детектор [12], расположенный по направлению пучка протонов, состоял из восьми плоских
станции с полным числом микрополосковых силиконовых детекторов, равным 64. Расстояние между полосками составляло около 50 мкм.
Основная система регистрации треков частиц [13] была расположена за широкоаппер-турным магнитом с интегралом магнитного поля, равным 2.13 Тл м. Внешний трекер состоял из пропорциональных дрейфовых камер гексагонального сечения, которые позволяли достичь пространственного разрешения около 350 мкм.
Идентификация частиц эксперимента HERAB обеспечивалась детектором регистрации колец черенковского излучения (RICH) [14], электромагнитным калориметром (ECAL) [15] и мюонным детектором (MUON) [16]. Детектор RICH обеспечивал разделения пионов, каонов и протонов в широком диапазоне импульсов частиц. Электромагнитный калориметр типа "шашлык" состоял из трех зон с различным размером ячейки и был оптимизирован для хорошего энергетического разрешения и улучшения идентификации электронов по отношению к адронам. Мюонная система состояла из четырех плоскостей обычных газовых трубочных двухслойных камер, расположенных между поглотителями из армированного бетона и железа. Две последние плоскости были оборудованы также чувствительными элементами, которые осуществляли катодное считывание и использовались для создания претриггера.
Дилептонный триггер инициализировался либо мюонной, либо электронной системой претриггера. Многоуровневая система триггеров выделяла либо пару мюонов с суммарным поперечным импульсом более 700 МэВ/с, либо пару электронов с поперечной энергией более 1 ГэВ [17].
Данные, использованные в настоящей работе, были получены в сеансах, проведенных на детекторе в период с октября 2002 г. по март 2003 г. За этот период было записано на магнитные ленты около 164 х 106 событий с дилептонным триггером. В эксперименте использовались мишени из углерода, титана и вольфрама. Более подробное описание детектора, триггера и условий набора данных в эксперименте HERA-B можно найти в работе [10].
Кандидаты димюонных распадов D0- и J/ф-мезонов, содержащиеся в рассматриваемом образце данных, анализировались совместно. К обоим каналам применялись одни и те же общие критерии отбора.
Ожидаемое среднее число сигнальных событий в детекторе определялось по формуле
(Ndo ) = NJ
B(DÖ ->■ fj+fj-)
B{J/4> -»■ fi+fi-)
х (1)
аз/Ф
рА
аро
рА З/'Ф
а
рА 7з/Ф и J/ф-
а ар0 и а3/ф -
ц+ц в каче-
где N3/' — число зарегистрированных событий
распада J/ф-мезона в мюонном канале; В — относительная вероятность распада; адо и а3/ф — полная эффективность экспериментальной установки для — и J/ф — при применении общих для обоих каналов ограничений; едо — эффективность ограничений, применяемых только к событиям Б0 — ц-, а арА
поперечные сечения образования Б0 мезонов на ядре мишени.
Использование распада J/ф стве нормировочного приводит к тому, что при оценке ожидаемого числа сигнальных событий величина светимости и значительная часть систематических неопределенностей, связанных с тригге-рованием и идентификацией мюонов, сокращаются.
Основной вклад в фон к каналу распада Б0 — — вносят пары мюонов от распадов
или К ± на лету, случайно образующие вторичную вершину, отделенную от первичной вершины, в которой произошло протон-ядерное (рА) взаимодействие. Требования отбора, применяемые в анализе, были нацелены на то, чтобы минимизировать этот фон, сохраняя при этом высокую эффективность для распадов — ц+ц-.
Для анализа отбирались события, содержащие хотя бы одну реконструированную первичную вершину рА-взаимодействия, но не более, чем одну первичную вершину на мишень. Треки мюонных кандидатов были отобраны с использованием минимальных требований на вероятность мюонной гипотезы, вычисляемую на основании информации от мюонного детектора, на качество восстановленного трека (х2-/ст.св.) и на функцию правдоподобия каонной гипотезы трека, определяемую на основе информации от детектора колец черенков-ского излучения.
В анализе рассматривались две облас
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.