научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПРЕЦИЗИОННОМУ ИЗМЕРЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4 С ДЕТЕКТОРОМ КЕДР Физика

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПРЕЦИЗИОННОМУ ИЗМЕРЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4 С ДЕТЕКТОРОМ КЕДР»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 1, с. 20-33

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.076+621.384.6.01

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ПРЕЦИЗИОННОМУ ИЗМЕРЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4 С ДЕТЕКТОРОМ КЕДР

© 2010 г. О. В. Анчугов, В. Е. Блинов, А. В. Богомягков, А. А. Волков, А. Н. Журавлев, С. Е. Карнаев, В. А. Киселев, Е. Б. Левичев, О. И. Мешков, С. И. Мишнев, И. И. Морозов, Н. Ю. Мучной, С. А. Никитин, И. Б. Николаев, В. В. Петров, П. А. Пиминов, Е. А. Симонов, С. В. Синяткин, А. Н. Скринский, В. В. Смалюк, Ю. А. Тихонов, Г. М. Тумайкин, В. М. Цуканов,

А. Г. Шамов, Д. Н. Шатилов, Д. А. Шведов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 26.05.2009 г.

Прецизионное измерение энергии пучка методами резонансной деполяризации и обратного комп-тоновского рассеяния позволяет проводить на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР высокоточные эксперименты по физике высоких энергий. Массы //у- и у(2з)-ме-зонов, измеренные на ВЭПП-4М, входят в десятку наиболее точно известных масс элементарных частиц, измеренных за всю историю физики. Точность измерения нами массы т-лептона по пороговому поведению сечения е+е- —»- т+т- лучшая в мире. Для повышения эффективности работы комплекса разработаны, изготовлены и введены в эксплуатацию системы автоматического регулирования температуры дистиллята, охлаждающего магниты основной структуры и высокочастотные ускоряющие резонаторы коллайдера ВЭПП-4М. Одновременное измерение поперечного смещения и угла наклона пучка вблизи места встречи реализовано с помощью многоточечной рентгеновской камеры-обскуры.

1. ВВЕДЕНИЕ

Ускорительный комплекс ВЭПП-4, включающий в себя инжектор, бустерный накопитель ВЭПП-3 и электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-4М с универсальным магнитным детектором КЕДР, предназначен для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронны-ми пучками [1]. ВЭПП-4М представляет собой модернизированный коллайдер, на котором проводились эксперименты по физике высоких энергий с 1977 г. Модернизация позволила значительно увеличить светимость.

Детектор КЕДР — это универсальный магнитный детектор, позволяющий проводить эксперименты по физике высоких энергий в области от 2 до 11 ГэВ в системе центра масс. Детектор КЕДР [2] содержит следующие основные системы: вершинный детектор, дрейфовую камеру, аэрогеле-вые черенковские счетчики, времяпролетные сцинтилляционные счетчики, электромагнитный калориметр на основе жидкого криптона, торцевой электромагнитный калориметр на основе кристаллов Сз1, сверхпроводящую магнитную катушку, мюонную систему, систему регистрации рассеянных электронов и монитор светимости.

В табл. 1 приведены результаты экспериментов по прецизионному измерению масс частиц, проводившихся на комплексе ВЭПП-4.

С 2002 г. на комплексе ВЭПП-4 проводятся эксперименты по физике высоких энергий в диапазоне энергии пучка 0.9—2.0 ГэВ. При работе на такой низкой энергии пиковая светимость элек-трон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М составляет (1—2.5) • 1030 см-2 • с-1, средний темп набора интеграла светимости — около 300 нб-1 в неделю. На рис. 1 представлен график набора интеграла светимости за 2004-2008 гг.

Несмотря на проигрыш в светимости по сравнению с современными коллайдерами, комплекс ВЭПП-4 с детектором КЕДР обладает рядом преимуществ, основными из которых являются:

1) уникальный для существующих машин диапазон энергий от 0.9 до 5.5 ГэВ в пучке;

2) измерение энергии пучка методом резонансной деполяризации с рекордной относительной точностью 10-6, не достигнутой ни в одной другой лаборатории мира;

3) возможность непрерывного мониторирова-ния энергии пучка с относительной точностью 5 • 10-5 и энергетического разброса с точностью 10% по измерению положения края комптонов-

Таблица 1. Эксперименты по физике высоких энергий на комплексе ВЭПП-4

Частица Энергия, МэВ Относительная точность Детектор Годы

//V 3096.93 ± 0.10 3.2 • 10-5 ОЛЯ 1979-1980

у(2з) 3685.00 ± 0.12 3.3 • 10-5 ОЛЯ 1979-1980

У 9460.57 ± 0.09 ± 0.05 1.2 • 10-5 МД-1 1983-1985

У' 10023.5 ± 0.5 5.0 • 10-5 МД-1 1983-1985

у 10355.2 ± 0.5 4.8 • 10-5 МД-1 1983-1985

//V 3096.917 ± 0.010 ± 0.007 3.5 • 10-6 КЕДР 2002-2005

у(2з) 3686.119 ± 0.006 ± 0.010 3.0 • 10-6 КЕДР 2002-2005

у(3770) 3772.9 ± 0.5 ± 0.6 2.1 • 10-4 КЕДР 2002-2005

D0 1865.43 ± 0.60 ± 0.38 3.8 • 10-4 КЕДР 2002-2005

D± 1863.39 ± 0.45 ± 0.29 2.9 • 10-4 КЕДР 2002-2005

т 1776.69+1Л9 ± 0.15 1.3 • 10-4 КЕДР 2005-2007

ского спектра обратнорассеянных монохроматических лазерных фотонов;

4) входящий в состав комплекса универсальный магнитный детектор КЕДР по параметрам сравним с современными детекторами для экспериментов на электрон-позитронных коллайде-рах, его отличительными особенностями являются: система регистрации рассеянных электронов и позитронов с рекордным разрешением 10-3, электромагнитный калориметр на основе жидко-

го криптона с возможностью измерения координаты точки конверсии у-кванта с точностью 1 мм и система аэрогелевых черенковских счетчиков.

Система измерения энергии частиц методом резонансной деполяризации и отработанная нами процедура восстановления энергии между калибровками с использованием измеряемых параметров ВЭПП-4М позволяет измерять массу элементарных частиц с чрезвычайно высокой точностью. Так, точность измерения масс //у- и

25

20

ю

п

43

15

10

4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1/ 7/ 1/ 7/ 1/ 7/ 1/ 7/ 1/ 7/ 1/

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Рис. 1. Интеграл светимости, записанный с детектором КЕДР.

5

0

у(2,у)-мезонов в 3—4 раза лучше среднемировой [3]. В настоящее время точнее измерены только массы электрона, протона, нейтрона, мюона и я±-мезона.

В 2008 г. закончен набор статистики в эксперименте по прецизионному измерению массы т-лептона на пороге его рождения. Главной целью эксперимента являлось уточнение массы т-леп-тона, знание которой при известных значениях времени жизни и вероятности распада на электрон, нейтрино и антинейтрино позволяет выполнить проверку гипотезы лептонной универсальности — одного из основных постулатов теории электрослабого взаимодействия Вайнберга—Салама. Обработка данных эксперимента позволяет получить массу т-лептона с наилучшей в мире на текущий момент точностью [4]:

PDG 2006: 1776.90+0:26 МэВ; BES 1996: 1776.96+0.37 МэВ; BELLE 2006: 1776.77-0.35 МэВ; KEDR 2008: 1776.69-0.24 МэВ.

Продолжаются эксперименты по физике высоких энергий в области рождения c-кварков. Получены предварительные результаты по измерению масс заряженного и нейтрального D-мезо-нов, у(3770)-мезона с точностями, сравнимыми или выше среднемировых [3]. Нейтральный и заряженный D-мезоны являются легчайшими состояниями с открытым очарованием. Точное знание их масс важно, так как оно является точкой отсчета для масс возбужденных состояний. Кроме того, измерение их масс необходимо для понимания природы недавно открытого состояния X(3872), близкого по массе к порогу рождения пары D0-D*0.

До 2007 г. среднемировая точность измерения масс D-мезонов составляла ~0.5 МэВ и в основном определялась двумя наиболее точными экспериментами ACCMOR и MARK-II. В 2007 г. кол-лаборацией CLEO-c измерена масса D0 с точностью 0.18 МэВ из анализа распада D0 —>- Ksq>. В эксперименте с детектором КЕДР нами измерены массы нейтрального и заряженного D-мезо-нов. Наше значение массы D0-мезона согласуется с полученным другим методом коллаборацией CLEO-c более точным значением, а массы D±-мезона — со среднемировым значением, т.е. является наиболее точным прямым измерением массы D±-мезона.

Резонанс у (3770) был открыт тридцать лет назад, но его теоретическое описание до сих пор неясно. Существующие модели предсказывают параметры резонанса, отличающиеся от экспериментальных данных. На детекторе КЕДР проведено три сканирования резонанса у(3770) и набран суммарный интеграл светимости ~2.4 пб-1, в результате чего из-

мерены его масса и полная ширина. Наше измерение массы у(3770) является самым точным.

2. ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПУЧКА

Одной из основных составляющих экспериментов по измерению масс частиц является прецизионное измерение энергии пучка. В настоящее время на ВЭПП-4М используются две методики измерения энергии пучка: с помощью резонансной деполяризации (р.д.) пучка и методом обратного комптоновского рассеяния (о.к.р.).

Наиболее точным современным методом калибровки энергии пучка является метод р.д. В экспериментах с детектором КЕДР проводились регулярные калибровки энергии пучка с рекордной точностью (до 10-6). В промежутках между калибровками энергия пучка вычислялась методом интерполяции с использованием измеренных параметров ВЭПП-4М.

Наряду с несомненными преимуществами, метод р.д. обладает и рядом недостатков: он разрушает состояние поляризации и не позволяет проводить оперативные измерения во время набора интеграла светимости. Поэтому для оперативного измерения энергии пучка была разработана система, основанная на методе обратного комптоновского рассеяния. И хотя точность этого метода хуже (~3 • 10-5), однако процесс измерения занимает меньше времени, не требует поляризации пучка и измерения могут проводиться непосредственно в процессе набора интеграла светимости. Использование двух подходов позволяет повысить надежность получаемых результатов и обеспечить необходимую точность. При этом энергия измеряется точным методом р.д. в начале и в конце набора интеграла, а мониторинг, осуществляемый с помощью о.к.р., проводится в процессе набора.

2.1. Метод резонансной деполяризации

Метод резонансной деполяризации для измерения энергии пучка был впервые предложен и реализован в ИЯФ [5]. Впоследствии этот подход широко использовался как в ИЯФ, так и в других лабораториях мира.

В ускорителе с плоской орбитой (когда отсутствуют радиальные и продольные магнитные и электрические поля, а также поперечное электрическое поле) спин прецессирует вокруг направления ведущего магнитного поля B. Вычисляя набег спиновой фазы за период

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.

Показать целиком