Прецизионное измерение времени жизни Z+- и Z+-мезонов Микиртычьянц Сергей Михайлович

Содержание к диссертации

Введение 5

1. Новый метод измерений времени мсизни 7г⁺- и К⁺ -мезонов 13

2. Экспериментальная установка 18

1. Спектрометр 20

2. Детекторы мюонов и фоновые частицы 24

3. 7г⁺-распад 24

4. і^-распад 39

2.3 Измерение временных распределений 45

2.3.1 Аппаратурные искажения временных

распределений 46

2. Измеритель временных интервалов ИВИ 53

3. Система сбора данных 55

4. Метрологический контроль ИВИ 57

3 Процедура измерения 65

1. 7г⁺-распад 65

2. #⁺-распад 68

4. Обработка данных 69

5. Результаты измерений 74

1. 7г⁺-распад 74

2. К+ распад 77

Заключение 79

Список иллюстраций

1.1 Временная микроструктура протонного пучка и «запаздываю
щих» мюонов 15

3. Схема расположения аппаратуры 19

4. Схема тг-мезошшго капала низких энергий (канал 7Г-2) 21

5. Огибающая пучка и дисперсия для ахроматического режима канала 7г-2 с триплетом в качестве полевой линзы 22

6. Детектор мюонов для 7г⁺-распада 25

7. Блок-схема электроники эксперимента для тг⁺-распада 25

8. Зависимость от импульса скорости счета частиц 26

9. Зависимость глубины X и ширины ДХ слоя мишеней от импульса мюонов 27

10. Горизонтальный профиль протонного пучка на мишени 28

11. Временное распределение позитронов 29

12. Импульсный спектр позитронов 30

13. Эффективность регистрации позитронов 30

14. Временное распределение частиц с импульсом Р — 33 МэВ/с . , 31

15. Временной'спектр частиц с импульсом Р ~ 28,5 МэВ/с, регистрируемых совпадениями счетчиков S1-^S2 33

16. Временные спектры и.⁺ и ц~ с включением всех критериев отбора мюонов 34

17. Зависимость относительного количества мюонов на входе спектрометра от места их образования 35

18. Временной спектр фона экспериментального зала в месте расположения детектора 37

19. Временное распределение фоновых частиц и «запаздывающих» мюонов 38

СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ

18. Детектор мюонов для /^⁺-распада 40

19. Блок-схема быстрой логики для /С"-распада 40

20. Временное распределение мюонов от К^-распада 42

21. Импульсный спектр мюонов, отобранных в интервале At ... . 43

22. Часть временного распределения (за пределами переходной области) фоновых и «задержанных» мюонов из /С"-распада .... 44

23. Функциональная схема измерений временных распределений . . 46

24. Искажения временных распределений

при запуске измерителя синхронно с ВЧ 50

25. Относительные искажения временного распределения ip{t) та Фр{Ь) для различных способов запуска измерителя 52

26. Относительные искажения временного распределения

Т_м = КіТо + Д 52

2.27 Зависимость результата измерений т* от Д для Т_м = КіТо + Д

при загрузках, отличающихся в 50 раз 53

28. Блок-схема измерителя временных интервалов ИВИ 54

29. Система сбора данных 56

30. Функция нелинейности прибора 58

31. Распределение событий в калибровочных пиках 59

32. Блок-схема калибровки ИВИ (способ 1) 61

33. Блок-схема калибровки ИВИ (способ 2) 62

34. Долговременная стабильность расстояния между калибровочными пиками ДЛГ_К 63

1. Долговременная стабильность калибровок и фона между микро-банчами во время сеанса измерения времени жизни 7Г⁺-мезопов 66

2. Результаты измерений средних величии А и времени жизни тг"¹"-мезонов (т_п) для различных серий измерений 67

3. Зависимость т^ от количества каналов в обрабатываемом участке спектра 71

4. Зависимость результатов измерений т^ от величины коэффициента вычитания фона а 72

СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ

5. Сравнение результатов измерений времени ЖИЗНИ 7Г⁺-МЄ30Н0В, выполненных различными группами 76

6. Сравнение результатов измерений времени жизни і^⁺-мезонов, выполненных различными группами 78

Список таблиц

2.1 Экспериментальные и расчетные режимы включения канала тг-2

для Р = 100 МэВ/с 23

2.2 Параметры пучка отрицательных 7г-мезонов для мишеней раз
личной формы из углерода и режимов при схеме канала тг-2 с
поворотом в одну сторону для Р = 100 МэВ/с 24

7. Результаты измерений г„.+для различных мишеней 75

8. Влияние учета фона, нелинейности и статистических искажений, обусловленных мертвым временем Хм, на результирующее значение времени ЖИЗНИ 7Г+МЄЗОНОВ 75

9. Результаты измерений т_к+ для различных мишеней 77

Введение к работе

Прогресс в физике элементарных частиц идет как за счет наблюдения новых частиц, так и за счет прецизионных измерений, позволяющих проверять теорию на уровне радиационных поправок. Общеизвестна роль прецизионной спектроскопии в открытии лэмбовского сдвига и аномального магнитного мо-. мента электрона, что сыграло фундаментальную роль в становлении квантовой электродинамики и квантовой теории поля вообще. В ведущихся сейчас сверх-прецизионпых измерениях аномального магнитного момента мюона в Брукхэй-вене рекордная точность - не самоцель, а способ поиска новой физики вне Стандартной модели через вклад в аномальный момент посредством радиационных поправок [1]. Предмет настоящей диссертации - прецизионное измерение времени жизни положительно заряженных пиона и каша. Точность, достигнутая в пашем эксперименте, является рекордной для пиона и сравнима с достигнутой ранее для каона.

Мотивация

Пионы играют совершенно выделенную роль в сильных взаимодействиях. В основе теории сильных взаимодействий лежит квантовая хромодипамика (КХД) -теория цветных кварков, взаимодействующих с неабелепыми калибровочными векторными мезонами - глюоиами. За исключением того, что глюо-НІ.І тоже имеют цветовой заряд и взаимодействуют сами с собой, квантовая хромодипамика строится по образу и подобию квантовой электродинамики. Другое важное отличие от квантовой электродинамики состоит в том, что фундаментальные частицы КХД - кварки и глюоны в свободном состоянии не наблюдаются, экспериментальный спектр масс содержит только бесцветные кварк-антикварковые состояния - мезоны и трехкварковыс состояния -барионы. Вопрос о чисто глюопных бесцветных состояниях, мезонах из двух

Введение кварк-антикварковых пар, гибридных состояниях, содержащих составляющие глюоны, или барионах из четырех кварков и антикварка остается открытым.

В пределе безмассовых кварков лагранжеан КХД не содержит переходов между кварками с правой и левой спиралыюстями. Эта точная киральная симметрия на кварк-глюонном уровне нарушается спонтанно¹, что приводит на адрошюм уровне к безмассовым псевдоскалярным голдстоуновским мезонам -аналогам магнитных волн в магнетиках. Явное нарушение киральной симметрии малыми массами кварков генерирует небольшие массы и голдстоуновских частиц. Согласно современным представлениям, пионы с массой, которая аномально мала по сравнению с массами других адронов (т-я/тн ~ 1/7), являются именно псевдоголдстоуновскими мезонами со спонтанно (и явно) нарушенной киральной симметрией первого поколения кварков и и d. Представление о спонтанном нарушении симметрии однозначно фиксирует вид взаимодействия пионов с пионами, нуклонами и другими адронами и блестяще описывает современные экспериментальные данные.

С другой стороны, в духе модели составляющих кварков, псевдоскалярный пион и векторный р-мезон являются оба S-волиовыми кварк-антикварковыми состояниями - партнерами по сверхтонкому взаимодействию. Глубокая связь между картиной составляющих кварков и динамическим механизмом нарушения киральной симметрии в квантовой хромодинамике показана в трудах теоретиков ЛИЯФ (ПИЯФ) Д.И. Дьяконова, В.Ю. Петрова и их соавторов [2].

Напомним хорошо известные факты из физики пионных взаимодействий [3]. В киральной теории сильных взаимодействий фундаментальным параметром является константа /„., связывающая пионное поле с аксиальным током. Согласно теореме Вайнберга, эта константа определяет длины рассеяния пионов. В соотношении Голдбергера-Треймана она также определяет аксиальную константу ^-распада нейтрона. Через аксиальную аномалию Белла-Джекива-Адлера эта же константа определяет ширину двухфотонного распада нейтрального пиона и ширину распада т-лептона на пион и г-нейтрино [4].

Фундаментальным процессом, в котором измеряется эта константа, является распад заряженного пиона 7г -+ [W. В ранних экспериментах главным стимулом к прецизионному измерению времени жизни заряженных пионов была проверка СРТ-теоремы, согласно которой времена жизни частицы и античастицы ¹ Привычным примером является спонтанное нарушение вращательной симметрии при спонтанном намагничении ферромагнетиков при температурах ниже точки Кюри.

Введение должны совпадать. Интерес к такому сравнению был стимулирован открытием нарушения СР-иивариаитности в распадах нейтральных каонов. В нулевом приближении, без радиационных поправок, ширина этого распада, практически полностью определяющего время жизни заряженного пиона, равна

Г(х -+ yv) = -GlVtJlm^ где V_Ud - элемент матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы, который определяется независимо сравнением времени жизни мюона и времени жизни ядер, распадающихся сверхразрешенным Ферми бета-распадом.

Многие приложения требуют извлечения /_ж уже с учетом радиационных поправок. Большой прогресс теории здесь достигнут благодаря работам Те-рентьева [5] и Марчиано и Сирлина [4]. Как подробно обсуждают Марчиано и Сирлии, знание радиационных поправок припиципиально для проверок предсказаний киралыюй теории возмущений.

Следует отметить, что радиационные поправки к ширине распада Г(тг —> /ги) содержат модельную зависимость [4,5], и сегодня именно эта модельная зависимость, а не точность измерения времени жизни заряженного пиона, ограничивает точность извлечения Д-. Модельная зависимость в значительной степени исчезает в отношении ширин распадов тг —ї ей и тг —* ци. В Стандартной модели электрослабых взаимодействий подавленный но спиральности распад 7Г —У ей всегда обсуждался с точки зрения жестких ограничений на отклонения от векторно-аксиальной картины слабых токов [6].Отношение ширин двух распадов измерялось на мезонпых фабриках (TRIUMF [7|, PSI [8]). Хотя в идеальном эксперименте отношение двух ширин может быть измерено независимо от времени жизни заряженного пиона, в экспериментах с остановившимися в мишени пионами при достигнутых точностях порядка 0,3 процента извлече- нис относительной ширины распада 7Г⁺ ~* е⁺и становится чувствительным к времени жизни заряженного пиона, и для достижения в извлечении этого отношения точности теоретических предсказаний порядка 0,08 процента требуется знание времени жизни заряженного пиона с достигнутой нами точностью. В обзоре Браймана [9] и в работе [10] подробно обсуждены приложения таких измерений отношения ширин распадов, которые позволят проводить проверки фундаментальных выводов Стандартной модели:

Введение - мюон-электрониой универсальности сравнением ширин распадов 7г -> ей

И 7Г —> \IV, т-/(-уішверсальности сравнением ширин распадов 7г —> \iv и г —> 7rf_r, ограничения на возможные псевдоскалярное и тензорное взаимодействия, ограничения на вклад в амплитуду распада 7Г —> ev за счет обмена скалярными (нижний предел на массу 1.3 ТэВ) и векторными (нижний предел на массу 220 ТэВ) лептокварками или заряженными хиггеовсими частицами (нижний предел на массу 2 ТэВ, все приведенные ограничения на массу отвечают максимальной константе связи).

Достигнутая нами точность в измерении времени жизни пиона такова, что сегодня определяющим фактором в отношении ширин 7г - ev и 7г - \iv распадов все еще остаются другие экспериментальные неопределенности, но при достижении теоретического предела точности наше уточнение времени жизни пиона станет критически важным.

Примененная нами техника поверхностных мюонов использует пионы, остановившиеся в веществе мишени. Возникает законный вопрос о влиянии химических эффектов на время жизни пиона. В принципе, сравнение времен жизни в разных материалах возможно с точностью, заметно превышающей точность абсолютного измерения времени жизни. Общеизвестно, что времена жизни свободного и связанного в ядре нейтрона различаются, большая энергия связи делает нейтрон вообще стабильным. Времена жизни отрицательного и положительного пиона в веществе тоже отличаются, так как отрицательные пионы захватываются в мезоатомпые состояния и после атомного каскада поглощаются ядром за счет сильного взаимодействия. Имеется обширная литература по возмущению скоростей ядерных распадов химической связью атомов, в которые эти ядра входят [11,12]. Например, распады ядер за счет захвата К-электронов с очевидностью чувствительны к модификациям плотности окружающих ядро электронов. Это же справедливо для внутренней конверсии. Нетривиальным примером влияния атомных электронов па свойства ядер является бета-распад ¹⁸⁷Re: голое ядро ^1S7Re вообще стабильно относительно бета-распада, и распад атомов рения возможен только постольку, поскольку полная энергия связи атомарных электронов осмии и рении отличается на 15 кэВ [13,14]. Еще одним

Введение примером является предсказанный Львом Абрамовичем Слипом эффект неполной перестройки электронного окружения ядра после предыдущего ядерного перехода, когда последующие ядерные переходы идут в условиях нестационарной, сильно искаженной атомарной структуры [15]. Сливом было предсказано испускание моноэнергетических позитронов, впоследствии подтвержденное па опыте [16,17].

В случае остановившихся в веществе положительных пионов и каонов эффекты среднего потенциала вещества на массу мезонов, возможно, и невелики. Эффект, который может быть численно заметным, обсуждался недавно в литературе Сривастава и Вайдомом [18] для распадов остановившихся мюонов -это модификация радиационных поправок веществом. Эффекты поляризации среды меняют пропагатор фотона, который входит в вычисление радиационных поправок. Кроме того, если в отсутствие вещества конечный электрон может излучать только тормозным образом, то в веществе возможно и черенковское излучение. Согласно этой работе, в металлах эффект мал, но в диэлектриках он может быть порядка одной десятой процента. К сожалению, такие же оценки для пионов и каонов в литературе отсутствуют. Тем не менее в защищаемой работе была предпринята попытка наблюдения влияния среды на время жизни 7г⁺-мсзопа. Однако измерения, проведенные для диэлектрика (Si0₂) и проводников (С и Си), дали при относительной точности ~ 4 Ю^-4 одинаковые значения Тк+.

Измерение времени жизни /С"-мезона также представляется актуальным, поскольку наблюдается отличие в три стандартных ошибки в усредненных значениях величины тіс, измеренных различными методами (па лету и в остановках). Новые измерения времени жизни ІіГ⁺-мезона, возможно, помогут выяснить причину этого различия.

Введение

Цель работы

Как следует из вышеизложенного, новые прецизионные измерения времени жизни положительно заряженного пиона будут важным звеном в определении фундаментального параметра КХД: константы f_v, связываюшей пионное поле с аксиальным током. Проведение эксперимента по измерению времени жизни 7г⁺-мезопа с точностью, превышающей почти на порядок всю раннюю совокупность мировых данных, было основной целью представляемой работы. Помимо этого, дальнейшее развитие предложенного в этой работе нового метода измерения времени жизни 7г⁺-мезона, основанного на технике поверхностных мюонов, было целью для измерения времени жизни А'⁺-мезона с точностью на уровне мировых данных.

Защищаемые положения

Впервые применен новый метод измерения времени жизни х⁺- и К⁺-мезонов, основанный на использовании периодичности микроструктуры пучка протонов, взаимодействующих с мишенью, и на детектировании положительно заряженных мюонов из распада х⁺- и і<"⁺-мезонов, рожденных и остановившихся в этой мишени.

Разработан математический и аппаратный алгоритм подавления статистических искажений при измерении временных распределений периодического пуассоновского потока событий.

Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения времени жизни 7Г⁺- и ЛГ⁺-мезоиов с относительной систематической точностью 7,5 Ю^-5 и 5,5 Ю^-4, соответственно.

Разработан измеритель временных интервалов ИВИ с системами абсолютной временной калибровки и подавления статистических искажений, суммарный вклад которых в относительную ошибку результатов измерений r_w+ и т_к+ не превышает 3,5 - Ю^-5.

Измеренные значения времени жизни тг⁺-мезоиа на различных мишенях ти-(С) = 26,0349 ± 0,0078 не, tv+(Cu) = 26,0329 ±0,0076 не, T»+(SiQa) = 26,0418 ±0,0096 не, согласуются между собой в пределах ошибок и дают по суммарному

Введение спектру значение времени жизни 7ґ⁺-мезона т_ж+ = 26,0361 ± 0,0052 не, х² = 0,97, C.L. = О,60; точность измерения почти на порядок превосходит точность предыдущих работ, и полученное значение является определяющим в мировых данных.

6. Значения времени жизни К⁺-мезона, измеренные для медной и урановой мишеней т_к+(Сп) = 12,368 ± 0,041 не (х² = 1,06, C.L. = 0,66) и _T/f+(U) = 12,451 ± 0,030 не (х² = 1,07, C.L. = 0,63) , отличаются друг от друга на две стандартных ошибки и дают средневзвешенное значение: Tift- - 12,415 ± 0,024 не, которое подтверждает значение времени жизни А^-мсзонов, измеренное ранее методом остановок.

Содержание работы

Похожие диссертации на Прецизионное измерение времени жизни Z+- и Z+-мезонов

Измерение времени жизни Z+Z--атомов на установке DIRACЖабицкий Михаил Вячеславович

Рождение Z-мезонов в нейтрон-углеродных взаимодействиях при энергиях Серпуховского ускорителяМолоканова Наталья Александровна

Изучение распадов Z- и Z-мезонов в псевдоскалярный мезон и e+e--пару с детектором КМД-2Казанин Василий Фёдорович

Исследование фоторождения Z и Z мезонов на протоне и дейтроне в области энергий гамма-квантов 700-1500 МэВМушкаренков Александр Николаевич

Образование Z-мезонов в ультрапериферических столкновениях ядер золота и дейтона при энергиях 200 ГЭВ/нуклон в эксперименте STARТимошенко Сергей Леонидович

Исследование реакций ZZZdK+K° и ZZZdZ+Z в области образования a+(980) мезона при энергии протонов 2.65 ГэВ на спектрометре ANKE ускорителя COSYФедорец Павел Викторович

Прецизионное измерение времени жизни нейтрального пиона, основанное на эффекте ПримаковаЛарин, Илья Феликсович

Хранение ультрахолодных нейтронов и применение их для измерения времени жизни нейтронаМорозов, Василий Иванович

Исследование образования адронов в e+e- взаимодействиях в экспериментах DELPHI и Belle, прецизионное измерение массы и времени жизни тау -лептона в эксперименте BelleШапкин Михаил Михайлович

Измерение массы и времени жизни Омега с0 барионаГерасимов, Сергей Григорьевич