Развитие физики частиц в последние два десятилетия в значительной мере связано с экспериментальным обнаружением ряда новых фундаментальных состояний. Началом этого этапа стало открытие в 1974 г. J/f [1] — связанного состояния очарованного кварка, предсказанного ранее в модели GIM [2], и его антикварка. Несколько позже были обнаружены псевдоскалярные D-мезоны, состоящие из очарованного кварка и легкого антикварка [3]. Наблюдение слабых распадов этих очарованных частиц подтвердило предсказанную в модели GIM схему кварковых поколений. Спектроскопия и распады очарованных D-мезонов служат важными источниками информации о динамике сильных взаимодействий.
Образование чарма в yN-взаимодействиях впервые наблюдалось в электронном опыте HPWF [4] в виде димюонных событий. Прямые наблюдения распадов очарованных частиц, образованных в нейтринных взаимодействиях в эмульсии [5], впервые позволили оценить их времена жизни по пробегу. Вскоре, однако, стало ясно, что из-за малости сечения взаимодействия нейтрино свойства очарованных частиц как таковых намного удобнее исследовать в фоторождении на нуклоне (с восстановлением распадной вершины в кремниевом детекторе) и в электрон-позитронных столкновениях, где были получены статистически обеспеченные и «чистые» сигналы от различных распадов чарма. При этом роль нейтринных опытов свелась к исследованию механизмов образования очарованных частиц в-взаимодействиях и к изучению свойств слабого адронного тока.
В отличие от очарованных адронов, обнаруженный почти одновременно тау-лептон [6] не был предсказан теоретически. До сих пор образование t наблюдалось лишь в электрон-позитронных столкновениях. Распадные свойства тау-лептона прекрасно согласуются с универсальной схемой трех лептонных поколений, которая подразумевает существование соответствующего нейтрино У^. Прямое наблюдение нейтринорождения тау-лептона на нуклоне, У, N —> yf~X, 0 возможно в опытах с поглощением первичного пучка протонов в толстой мишени (beam dump). Детектирование СС-взаимодействий тау-нейтрино, в которых образуется тау-лептон, приобретает особую актуальность в связи с исследованиями осцилляционных переходов между нейтрино разных типов [7].
Из всех имеющихся данных по нейтринному рождению очарованных частиц, статистически обеспеченными можно считать только измерения выходов дилептонных событий (см., например, [8]). Однако, опираясь только на дилептонные данные, невозможно оценить даже полное сечение образования чарма, поскольку полулептонные оf f + распадные доли низколежащих состоянии D, D, D и Л далеко не.
5 и одинаковы. По существу, прямая информация о нейтринорождении этих низколежащих состояний ограничена данными единственного эксперимента Е531, в котором распады очарованных частиц детектировались в ядерной эмульсии, а средняя энергия СС-событий была близка к 50 ГэВ. Условия этого эксперимента позволяли надежно идентифицироватьмезоны [9], но состав заряженной компоненты чарма остался весьма неопределенным [10]. В частности, эти данf ные не позволяют выяснить, подавлено ли образование D^. по отношению к без чего интерпретация дилептонных данных остается неопределенной и должна основываться на модельных предположениях.
Имеющиеся данные об образовании векторных очарованных, мезонов в yN-взаимодействиях ограничиваются небольшими (порядка де.
К+ о сяти событий) сигналами D (2 010) —> D п-ь в пузырьковых камерах и в эмульсии при средней энергии нейтрино около 40—50 ГэВ. Эти сигналы позволяют оценить выход D (2010) на СС-событие с неопределенностью порядка 50%. Нейтринное рождение странного векторного мезона D^. (2110) до настоящего времени не исследовалось. Этот процесс интересен тем, что может происходить не только за счет глубоконеупругого образования и последующей фрагментации с-кварка, но также за счет вектор-доминантного механизма [11]. При этом виртуальная система cs, образованная векторным током в Ка-биббо-разрешенном переходе W+ —> cs, испытывает упругое или неупругое рассеяние на нуклоне и «материализуется» в конечном состоянии в виде D^. (2110). Этот механизм может эффективно увеличи л. вать выход Ds и, в простейшей форме, должен проявляться в виде диффракционного образования D на нуклоне [12, 13]. Аналогом последней реакции в секторе ud служит диффракционное рождение р (770) в yN-взаимодействиях [14, 15].
Для того, чтобы систематически и всесторонне исследовать нейтринорождение чарма, необходим трековый детектор с пространственным разрешением, позволяющим прямо наблюдать пробеги псевдоскалярных очарованных мезонов и Jit. Поскольку сечение взаимодействия нейтрино мало, таким детектором может служить либо большая пузырьковая камера с голографическим съемом (эта схема так и не была реализована), либо гибридный спектрометр с массивной мишенью из ядерной эмульсии. Действительно, лучшие на сегодня результаты по нейтринорождению очарованных частиц были получены в эмульсионном опыте Е531 на сравнительно небольшой статистике (немногим более 3000 СС-событий). В опытах на пузырьковых камерах были получены значительно большие по объему нейтринные образцы с трековой информацией (сотни тысяч СС-событий), но пространственное разрешение этих детекторов недостаточно для разделения первичной и распадной вершин. Это не позволяет в полном объеме исследовать образование очарованных частиц: при выделении сигналов от слабых распадов низколежащих состояний по массе распадной системы комбинаторный фон, как правило, оказывается слишком высоким.
Важное исключение составляют процессы образования и распада со специфической кинематикой, которая позволяет подавить комбинаторный фон до приемлемого уровня. Так, при поиске сильных и радиационных распадов векторных мезонов (например, D (2010) —> (1864) п+ и dT (2110) —> D^(1969) ft) фон эффективно снижается малостью фазового объема и сравнительно высоким разрешением по разности масс, а в изучении диффракционного рождения чармамалой множественностью частиц в конечном состоянии нейтринного «f Г) события. В свою очередь, выделение сигнала от D —> D п+ позволяет исследовать образование орбитально-возбужденных мезонов по их сильным распадам в D (2010).
Предмет диссертации составляют процессы образования очарованных мезонов и тау-лептонов в нейтринных взаимодействиях. Ней-тринорождение чарма исследуется по экспериментальным данным, полученным в нейтринных опытах на больших пузырьковых камерах. Для увеличения статистики мы, как правило, объединяем несколько наборов данных, полученных в сходных экспериментальных условиях. При этом процедура отбора событий-кандидатов по массе распадной системы должна учитывать различия в экспериментальных разрешениях, что достигается пособытийным вычислением ошибок в измерении инвариантной массы или разности масс. Анализ объединенных данных нескольких нейтринных экспериментов на пузырьковых камерах позволяет исследовать эффекты, которые недоступны для отдельных экспериментов в силу недостаточной статистики.
В первой главе кратко описаны анализируемые наборы данных, которые были получены в пяти нейтринных экспериментах. В проведении и обработке данных двух опытов на 15-футовой камере лабо-тории Ферми (Е180 и Е632) непосредственно участвовали физики из ИТЭФ. Обработанные данные нейтринных опытов на Большой Европейской Пузырьковой Камере в ЦЕРНе (WA59, WA21 и WA25) были предоставлены нам для физического анализа в рамках сотрудничества ИТЭФ-ИФВЭ-ЦЕРН.
Во второй главе обсуждается образование очарованных векторных мезонов D (2010) в yN и yN-взаимодействиях. В области промежуточных энергий нейтрино (порядка 50 ГэВ) полученные сигналы в несколько раз превышают все наблюдавшиеся ранее сигналы от нейтринного рождения D (2010). Это позволяет значительно точнее, чем прежде, оценить выход D (2010) на нейтринное событие, а также впервые исследовать динамику его образования. В области высоких энергий (порядка 150 ГэВ) образование D (2010) исследовано впервыеОбнаружен значительный рост относительного выхода этого очарованного мезона с увеличением энергии нейтрино.
В третьей главе представлены результаты по инклюзивному и диффракционному образованию очарованного странного векторного 0мезона D^ (2110) на нуклоне. Наше раннее наблюдение нейтринного frfрождения D^. (2110) позволило сделать одну из первых оценок массы этого состояния. Обнаружено, что в области промежуточных энергий.
KfXf образование D^. (2110) не подавлено по сравнению с D (2010) и носит «квазидиффракционный» характер. Впервые обнаружен и исследован процесс диффракционного образования D^ (2110) на нуклоне.
В четвертой главе исследуется образование орбитально-воз-бужденных (аксиально-векторных и тензорных) очарованных мезонов в нейтринных взаимодействиях. В распадном канале D пнами не обнаружено значимых сигналов от образования нестранных состояний D^(2420) и D*°(2460), что позволяет установить верхние пределы на выходы этих мезонов. В то же время, нами впервые наблюдается нейтринорождение очарованного странного состояния D^(2535). Полученная оценка массы этого мезона хорошо согласуется с результатами других измерений и не уступает им в точности.
В пятой главе, материал которой не связан с анализом упомянутых выше данных, обсуждается нейтринорождение тау-лептонов. Рассчитаны ожидаемые потоки прямых тау-нейтрино, выходы тау-лептонов и топологии-событий в опытах с поглощением первичного пучка протонов. Предложена постановка эксперимента с детектированием 2* по пробегу в эмульсионной мишени, расположенной на малом расстоянии от поглотителя протонов. Основные черты этой схемы реализованы в эксперименте DONUT в лаборатории Ферми. Также предложена схема гибридного эмульсионного спектрометра с распределенной мишенью, способного детектировать СС-взаимодействия нейтрино всех типов. Оценена чувствительность этого детектора к осцилляционному переходу У —> Ху в нейтринном пучке, образоо ванном мюонным накопительным кольцом.
Основные результаты диссертации перечислены в Заключении. Эти результаты опубликованы в работах [21, 22, 25, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 48, 55, 56, 59, 64, 65], а также докладывались на рабочем совещании по физике тау-лептона в Орсэ (1990 г), на кон ференции WEIN'92 в Дубне (1992 г), на конференциях по физике вы соких энергий в Марселе (1993 г) и в Брюсселе (1995 г) и на семинарах в ряде ведущих физических центров.
4.3 ВЫВОДЫ о.
Наш поиск нейтринорождения Р-волновых состояний D (2420) и 0^(2460) по их распадам в D пне дал положительного результата, и мы лишь получили ограничения на относительные выходы этих.
Yf мезонов. Не более 18% всех Dмезонов, образованных в yN и ><Nвзаимодействиях с <Е > = 40—50 ГэВ, являются продуктами распада.
0 4,0 о.
D^ (2420) или D^(2460). В распадах Z —> сс соответствующая доля всех Dмезонов близка к 10% [51, 52]. Иными словами, в УЫ-взаимодействиях мы не наблюдаем аномально высокого вклада 0^(2420) и D^(2460) в образование чарма по сравнению с электрон-позитронными столкновениями в области Ъ°.
В то же время, мы наблюдаем нейтринорождение странного Р4 волнового мезона D^(2535) на уровне, близком к нашему верхнему пределу на выход нестранного мезона D^(2420) (см. выше). Отметим, что в распадах Ъ°—> сс измеренные выходы D^, [52] и D + [51] находятся в отношении Р (с —> D) / Р (с —> D) = 0.06±0.02. Согласно нашим данным, в yN и уN-взаимодействиях в области энергий 40—50 ГэВ относительные выходы D близки к 1%. Поэтому вклад фрагментации с-кварка в выход D^(2535) на СС-событие не.
Глава 5.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО НЕЙТРИНОРОЖДЕНИЮ ТАУ-ЛЕПЮНОВ.
5.1 ВВЕДЕНИЕ.
Распадные свойства тау-лептона, детально исследованные в электрон-позитронных столкновениях, прекрасно согласуются с универсальной схемой трех лептонных поколений и указывают на существование соответствующего нейтрино У^, отличного от У^ и У^. Однако, прямым доказательством существования тау-нейтрино может быть только наблюдение его СС-взаимодействий в нейтринных опытах и, в частности, в экспериментах с полным поглощением протонного пучка [53]. Детектирование СС-взаимодействий тау-нейтрино приобретает особый интерес в связи с фундаментальной проблемой переходов на лету между нейтрино разных типов [7]. Недавние атмосферные данные [54] указывают на значительное исчезновение мюонных нейтрино, которое можно объяснить осцилляционным переходом с z -3−2 2. разностью квадратов масс Дш порядка 10 —10 эВ и с почти мак2 симальным эффективным смешиванием (sin 2© > 0.8). Эти данные плохо согласуются с гипотезой X —> У^ и указывают на доминирующую роль перехода У^ —> Уу •.
В этой главе представлены результаты наших расчетов, связанных с детектированием СС-взаимодействий тау-нейтрино в различных экспериментальных условиях. Рассчитаны ожидаемые потоки прямых тау-нейтрино, выходы тау-лептонов и топологии-событий в опытах с поглощением первичного пучка протонов. Предложена постановка эксперимента по исследованию СС-взаимодействий прямых Ур в эмульсионном детекторе тау-лептонов, расположенном на малом расстоянии от поглотителя протонов. И наконец, предложена постановка эксперимента по детектированию осцилляционных переходов ^ и ^в-—3 гибридном эмульсионном спектрометре с распределенной мишенью, облучаемом нейтринным пучком от мюонного накопительного кольца. Разработанная нами процедура моделирования нейтринорождения и распада тау-лептона, которая учитывает влияние поляризации на распределения распадных частиц, описана в работе [55].
5.2 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СС-ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРЯМЫХ ТАУ-НЕЙТРИНО.
В опытах с поглощением протонного пучка [53] основным источником прямых тау-нейтрино служат лептонные распады очарованных странных D^-мезонов, образованных в pN-стокновениях в толстой мишени с малой длиной взаимодействия:
D^ (1969) — > Г±> fx.
При этом фоновый поток мюонных и электронных нейтрино подавляется тем, что большая часть вторичных пионов и каонов поглощается в мишени до распада.
С увеличением энергии Ер протонов, падающих на поглотитель,.
— f увеличивается сечение образования D, сужается угловое распределение пучка У^ и возрастает его средняя энергия, что, в свою очередь, приводит к росту сечения взаимодействия I и к увеличеu нию пробега вторичного тау-лептона. В силу этих причин как абсолютный выход, так и эффективность регистрации тау-лептонов в реальном детекторе увеличиваются с ростом Ер. Ожидаемые потоки тау-нейтрино, выходы тау-лептонов и топологии «^-распадных событий для энергии первичного пучка Е^ = 3 ТэВ, которую планировалось достичь на ускорителе УНК в ИФВЭ, рассчитаны нами в работе [56]. В расчете потока у^ мы учитываем вклады всех основных распадных каналов «первичного» тау-лептона.
Неопределенность потока) L, в основном, связана с динамикой образования D^(1969) в pN-соударениях. Зависимость сечения этого процесса от Фейнмановской переменной X параметризуется в виде (1 — jxj)^, а от поперечного импульса — в виде ехр (-ар^). В наших расчетах мы полагаем, а = 1 ГэВ, что согласуется с большей частью данных по образованию очарованных мезонов в pN-взаимодей-ствиях в широком диапазоне энергий. Ожидаемый поток тау-нейтрино намного более чувствителен к параметру п, который, видимо, увеличивается с ростом энергии: согласно данным [57], n = 4.9±0.5 и 8.6±2.0 для Ер = 400 и 800 ГэВ, соответственно. Расчеты потока ^ и выхода Ц при Ер, = 3 ТэВ проводятся для двух значений па4 раметра Х-распределения Dмезонов: п = 5 и п = 10. Мы предполагаем, что при Ер = 3 ТэВ полное сечение рЫ-соударений и сечение образования чарма равны, соответственно, 50 мбн и 100 мкб, и что с-кварк фрагментирует в D^ с вероятностью 10%. Вероятность распада D^ в ГХ/ полагается равной 4%.
Оцененные выходы и средние энергии СС-взаимодействий прямых тау-нейтрино представлены в Табл. 3 для разных аксептансов детектора по углу вылета У^ (© < 0^). Чувствительность предска4зания к Х-распределению D^-мезонов иллюстрируется тем, что при переходе от п = 5 к п = 10 расчетный выход событий уменьшается примерно втрое, а их средняя энергия — в полтора раза. Сильная зависимость потока У^ от угла вылета 0^ приводит к тому, что при увеличении углового аксептанса от 1 до 10 мрад число-событий на тонну детектора падает примерно на порядок. Приведенные ниже результаты получены для значения п = 10, которое можно считать более реалистическим для Ер = 3 ТэВ, и относятся к детектору с угловым аксептансом 0 = 2 мрад.
В эксперименте с поглотителем протонного пучка число фоновых взаимодействий мюонных и электронных нейтрино будет на 1—2 порядка превышать выход-событий. Поэтому эффективный отбор СС-взаимодействий невозможен без прямого наблюдения пробега Т в вершинном детекторе. В рассматриваемых условиях полный пробег в среднем близок к 8 мм, а поперечный пробег — к 17 0 мкм (детектировать Z по поперечному пробегу предлагалось в [58]). Сигнатурой тау-лептона служит излом или «трайдент» на заряженном треке вблизи первичной вершины. Средние углы изломов для основных од-нолучевых распадов, которые определяют угловое разрешение детектора, приведены в Табл. 4. Левая поляризация тау-лептона приводит к тому, что в лептонном и пионном распадах заряженная част.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации исследуются процессы образования очарованных частиц и тау-лептонов в нейтринных взаимодействиях. Нейтринорож-дение чарма анализируется по данным нейтринных экспериментов на больших пузырьковых камерах. Нейтринорождение Z исследуется на уровне расчетов, связанных с детектированием взаимодействий тау-нейтрино в различных экспериментальных условиях. Перечислим основные физические результаты, изложенные в диссертации и выносимые на защиту:
1. Измерены сечения и исследована динамика образования D (2010) в yW и-взаимодействиях со средними энергиями около 50 ГэВ. Неопределенность сечения рождения D в этой области энергии уменьшена более чем вдвое.
2. Впервые исследовано образование D (2010) в yN-взаимодействи-ях в области энергий нейтрино выше 100 ГэВ. Обнаружено значительное увеличение выхода D на нейтринное СС-событие с ростом энергии нейтрино.
3. Впервые наблюдалось нейтринорождение странного векторного меjff зона Dj (2110), что позволило сделать одну из самых ранних оценок его массы.
4. Исследовано образование D (2110) в yN-взаимодействиях со среО дней энергией около 4 0 ГэВ и получены указания на то, что в этой области энергий механизмы рождения векторных очарованных.
— Xмезонов D (2110) и D (2010) различны.
5. Впервые наблюдалось диффракционное образование очарованных странных мезонов в yN и >Ы-взаимодействиях на нуклоне. Исследована форма t-распределения и измерено сечение процесса. т.
6. Проведен поиск образования орбитально-возбужденных состояний D^(2420) и 0^(2460) в yN и yN-взаимодействиях. Установлены значимые верхние пределы на относительные выходы этих мезонов .
7. Впервые наблюдалось образование орбитально-возбужденного cs.
— f мезона D (2535) в нейтринных взаимодействиях. Проведено измерение его массы, по точности сравнимое с мировыми данными, и оценено сечение рождения.
8. Рассчитаны ожидаемые потоки прямых тау-нейтрино, выходы тау-лептонов и топологии-распадных событий в опытах с поглощением протонного пучка. Предложена схема эксперимента с эмульсионным детектором тау-нейтрино, расположенным вблизи поглотителя протонного пучка с энергией 800 ГэВ, основные принципы которой были впоследствии реализованы в эксперименте D0NUT в лаборатории Ферми.
9. Предложена постановка эксперимента по исследованию осцилляци-онных переходов X —> «У^ и у —> %С в эмульсионном детектоis & L, ре с распределенной мишенью, облучаемом нейтринным пучком мю-онного ускорителя на большой эффективной базе. Проведено моделирование-событий в предложенном детекторе и оценена его чувствительность к нейтринным переходам в области Л in2*, на которую указывают данные атмосферных опытов.
Эти результаты опубликованы в пятнадцати работах, а также докладывались на ряде международных конференций и научных семинаров в ведущих физических центрах.
Я благодарю всех своих коллег по экспериментам Е18 0 и Е632 за многолетнюю совместную работу по обработке и осмыслению данных этих нейтринных опытов на 15-футовой пузырьковой камере. Я признателен коллегам из экспериментов WA59, WA21 и WA25 на камере ВЕВС за то, что они с энтузиазмом восприняли идею об объединении данных нескольких нейтринных опытов, предоставили нам свои ленты суммарных результатов и активно участвовали в физическом анализе объединенных данных. Я глубоко признателен всем своим российским и зарубежным соавторам и, в особенности, В.В. Аммосо-ву, В. Венусу, B.C. Веребрюсову, Дж. Гаю, Г. Джонсу, B.C. Кафта-нову, С. П. Кручинину, М. А. Кубанцеву, Дж. Лиссу, П. Маражу, И. В. Махлюевой, Д. Моррисону и М. Неве за их вклад в физические анализы, представленные в диссертации. Я также благодарю А.Г. Дол-голенко и С. В. Семенова за то, что они внимательно прочли рукопись и сделали ряд конструктивных замечаний и предложений.