Актуальность проблемы.
Исследование радиационных распадов является важной составной частью адронной спектроскопии, позволяющее получить информацию об электромагнитной структуре сильновзаимодействующих частиц и о соответствующих им кварковых конфигурациях. Многочисленные данные о радиационных распадах легких мезонов суммированы, например, в обзорах [1,2], а данные о N и, А барионах — в [3,4]. В то же время радиационные распады гиперонов до сих пор мало изучены [5]. Одним из немногих сравнительно легко доступных для изучения радиационных распадов гиперонов является распад.
А (1520) Л7 (1).
Теоретические предсказания парциальной ширины этого распада в различных моделях очень чувствительны к предположениям об SU (3) структуре волновой функции Л (1520)-гиперона, лежат в широком диапазоне от 30 кэВ до 215 кэВ (см. обзор [5] и ссылки там), и уже одно это представляет интерес для экспериментаторов.
Ширина радиационного распада (1) определялась в двух экспериментах. Первое измерение [6] было выполнено в пузырьковой камере при резонансном образовании Л (1520)-гиперона в сепарированном пучке ^" -мезона с импульсами от 270 до 470 МэВ/с. Фотоны в этом опыте не регистрировались, а выделение радиационного распада (1) проводилось в реакции К~+р —>• Л+(нейтральные частицы) при анализе спектра недостающих масс по отношению к Л-гиперону. Радиационная ширина распада (1), определенная из данных [6], составляла Г[Л (1520) —> Л7] = (134±23) кэВ1. При этом поправка для фотонного спектра, обусловленная другим радиационным распадом Л (1520) —> ?°7, вводилась из теоретических соображений, являлась модельно-зависимой и, по-видимому, приводила к некоторому занижению величины Г [А (1520) —> Л7] в [6]. Второе измерение той же радиационной ширины Г[Л (1520) —> Л7] = 33 ± 11 кэВ было проведено при прямой регистрации Л-гиперона и фотона для соответствующего распада в опытах по резонансному образованию Л (1520). Этот результат был представлен на конференции PANIC-84 [7] (см. также [8]). Резкое расхождение между результатами [6] и [7,8] требует дальнейшего изучения радиационных распадов Л-гиперонов. оригинальной работе приводится значение 150±30 кэВ соответствующее мировому среднему значению для полной ширины тех лет ГЛ (152о) = 17,4 МэВ, цитируемое значение соответствует поправке на текущее мировое среднее — 15,6 МэВ.
В настоящей работе ширина радиационного распада (1) измерялась при прямой регистрации всех продуктов распада по данным, полученным на установке СФИНКС в ИФВЭ.
Цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является измерение относительной вероятности и парциальной ширины радиационного распада Л (1520) —> Л7. Это измерение предполагало предварительные работы по созданию программного обеспечения для массовой обработки большого объема статистики (более 109 триггеров) с целью реконструкции физической информации в каждом из событий, проведение оптимального выделения процесса, в котором наблюдается изучаемый (сигнальный) распад, и калибровочного процесса, оценку количества сигнальных и калибровочных событий, вычисление поправок на эффективность регистрации методом Монте-Карло, изучение систематики полученного результата.
Научная новизна работы.
Научная новизна диссертационной работы состоит в проведении фактически первого прямого измерения распада (1) (результаты [7] по прямому измерению остались неопубликованными, что внушает определенные сомнения в их надежности).
Защищаемые положения.
На защиту выносится:
1. результат измерения парциальной ширины радиационного распада Л (1520) —> Л7;
2. разработка программного обеспечения для поиска и реконструкции треков и вершин взаимодействий для установки СФИНКС, а также для массовой обработки большого объема данных, набранных установкой;
3. систематизация и документирование подробной информации об детекторах, системе сбора данных и устройстве установки СФИНКС в целом.
По результатам выполненных исследований были опубликованы работы в журналах «Physics Letters» [9], «Ядерная физика» [10], был сделан доклад на сессии ОЯФ РАН (ИТЭФ, Москва, 1−5 марта 2004), опубликован препринт ИФВЭ [11].
Практическая ценность работы.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученный результат по радиационному распаду (1), во-первых, разрешает ситуацию неопределенности, связанную с 1 существованием двух противоречащих друг другу измерений ширины этого распада, вовторых, служит дальнейшему развитию наших представлений о внутренней структуре гиперонных состояний, позволяя проверять состоятельность теорий на основе сравнения предсказываемых ими результатов с данным.
Созданное программное обеспечение для поиска и реконструкции треков и вершин взаимодействий, а также скрипты, позволяющие осуществлять массовую обработку в почти автоматическом режиме, по-существу, обеспечили основу для дальнейших исследований на установке СФИНКС по данным сеансов 1996;1999 гг.
Корректное описание вещества и элементов конструкции установки служит базисом для создания процедур калибровки и восстановления физической информации, для проведения надежных расчетов методом Монте-Карло, а также для учета достоинств и недостатков элементов аппаратуры и дизайна установки в целом при планировании новых экспериментов.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из настоящего введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе дается краткий обзор теоретических подходов к описанию барионных состояний на основе кварковой модели, суммируются, в виде таблицы, расчетные значения ширин радиационных распадов гиперонов в моделях, для которых такие расчеты проводились. Также описываются способы качественного понимания свойств таких распадов на основе простых соображений 811(3)-симметрии и наглядных представлений для возбужденных барионных состояний.
Во второй главе дается подробное описание устройства установки СФИНКС, ее детекторов, системы сбора данных и схемы выработки триггерного сигнала. Систематизация и документирование сведений об установке являлось в значительной степени личным вкладом автора.
В третьей главе описывается структура глобальной процедуры обработки статистики эксперимента, а также принципы работы алгоритмов восстановления трековой информации, вершин взаимодействий и динамических параметров нейтральных частиц, алгоритмов идентификации. Создание программного обеспечения для реконструкции треков и вершин взаимодействий, а также организация процесса массовой обработки статистики являлось личным вкладом автора.
В четвертой глаже детально описывается способ измерения парциальной ширины радиационного распада Л (1520) —> Л7, состоящий из следующих этапов: выделение «сигнального процесса (то есть такого, в котором наблюдается изучаемый распад) и оценка наблюдаемого количества событий с резонансным образованием Л7, выделение калибровочного процесса (используемого для нормировки) и оценка количества нормировочных событий, расчет поправок на эффективность регистрации для сигнальных и калибровочных событий. В главе приводится полученное значение бренчинга и парциальной ширины, исследуется систематика полученного ответа и дается оценка систематической ошибки. Глава также включает в себя описание способа более сильного подавления фона с целью верификации наблюдения исследуемого распада и обсуждение результата, в котором он сравнивается с аналогичными существующими измерениями и теоретическими предсказаниями.
Описанные исследования в значительной степени являлись личным вкладом автора.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Основные результаты фита приводятся в разделе 4.2.1. Интересно отметить, что для фонового усиления от распадов по каналам Е°7, Е°7Г° получились следующие параметры: М = 1,411о'оз ГэВ, а = 301^ МэВ, N = 300tf°°, т. е. значения получились разумными, хотя и очень приблизительными.
4.4 Полученное значение относительной вероятности и парциальной ширины распада.
Выпишем еще раз цифры, найденные в предыдущих разделах, и значения бренчин-гов распадов, необходимые для подстановки в формулу (4.6) и получения результата (определения обозначений см. в разделе 4.1): N = 290 ± 60, iV2 = (21,2 ± 0,3) • 103, ei = 4111/105 = 0,4 111, б2 = 8734/105 = 0,8 734, В[Л (1520) -«• рК~] = 0,225±0,005 [37], В[А —ртг~] = 0,639 ±0,005 [37]. Делая подстановку, получим искомое значение относительной вероятности распада:
В[Л (1520, л7] = «^. ^^. = 0,225 • (4,54 ± 0,94) х 10~2 = [1,0 ± 0,2 (ст.) ± 0,15 (сист.)] х 10» 2 (4.8).
Используя мировое среднее для полной ширины [37], для парциальной ширины получим:
Г[Л (1520) Л7] = [156 ± 35 (ст.) ± 26 (сист.)] кэВ (4.9).
Статистическая ошибка практически полностью определяется неопределенностью в измерении количества событий в резонансном пике Л (1520) для сигнального распада. Систематические ошибки обсуждаются в следующем разделе.
4.5 Оценка систематической ошибки.
Поскольку выполненное измерение — относительное, многие систематические ошибки сокращаются. Это относится к эффективностям, связанным с триггером и реконструкцией заряженных частиц. Основные систематические неопределенности в данном измерении связаны с моделированием регистрации фотонов и описанием фитируемых спектров, а точнее спектра М (Л7) на рис. 4.3, т.к. он при небольшом количестве событий в пике резонанса, очевидно, вносит доминирующий вклад в статистическую и соответствующую систематическую ошибки.
Для изучения систематики связанной с моделированием регистрации фотонов программой Монте-Карло разыгрывались другие распады Л (1520)-гиперона с различным количеством фотонов в конечном состоянии, а именно:
Л (1520) £°7Г°.
Ц 77 (4.10) Л7- Л —> рп~ и.
Л (1520) -«¦ £+7Г~.
I—> ртт°] 7Г° —> 77 с тремя и двумя фотонами в конечном состоянии соответственно. А также.
Л (1520) -«¦ nKsKs тг+тГ (4.12).
Последний распад, хотя и не имеет фотонов в конечном состоянии, очень близок к исследуемому распаду топологически: нейтрон регистрируется в электромагнитном калориметре и «выполняет роль» фотона, распад Ks образует характерную «вилку». Сравнивая отношения количества событий в пиках резонансов предсказываемые Монте-Карло и полученные на реальных событиях была получена оценка для данной систематики в 7%. Изучение систематических ошибок, связанных с моделированием регистрации нейтральных частиц вообще (в том числе фотонов), было темой подробного изучения в рамках исследований [69] коллаборации СФИНКС и описано в этой работе.
Для изучения систематики, связанной с фитированием спектра рис. 4.3, были опробованы различные модификации этой процедуры: варьировалось описание гладкого фона, из фита исключались различные фоновые структуры или варьировались описывающие их кривые и параметры. Систематическая ошибка оценивалась по вариации числа событий в резонансном пике А (1520). Таким образом была получена оценка в 13%.
Полная систематическая ошибка при измерении относительной вероятности распада Л (1520) —> Л7 получается квадратичным сложением и оценивается в 15% (результат.
4.8) в предыдущем разделе). Систематическая ошибка для парциальной ширины в.
4.9) несколько больше из-за соответствующей неопределенности в значении мирового среднего.
4.6 Подтверждение наблюдения резонанса.
Спектр М (Л7), представленный на рис. 4.3, соответствует довольно мягким, хорошо воспроизводимым программой Монте-Карло критериям отбора. Если не ограничивать.
4.11) себя этим условием, возможно более значительное подавление фона. На рис. 4.9 показан тот же спектр, полученный при дополнительном требовании отсутствия адронных ливней в электромагнитном калориметре, что позволяет понизить порог на энергию фотонного кластера с 1 до 0,5 ГэВ и, следовательно, эффективнее подавлять фоны с «потерянными» фотонами. Неявно, эти требования способствуют также усилению компоненты статистки с более мягкими заряженными треками (адроны не попадают в ECAL в результате отклонения магнитом установки), следовательно, с более жесткими фотонами, которые чаще попадают в электромагнитный калориметр и легче идентифицируются. Это, очевидно, также способствует подавлению фонов с потерянными фотонами. D о N с а> > U.
1.7 1.8 1.9 2.
М (Лу), GeV.
Рис. 4.9: Спектр масс Л7 системы в реакции р + N —* [Л7]К+ + N при более жестких критериях отбора для подавления фона (см. текст). Рисунок служит для качественного подтверждения наблюдения распада Л (1520) —> Л7.
Из рисунка видна ожидаемая картина изменений: подавляются пики, идентифицированные как фоновые от реакций с потерянными фотонами, сигнальный же пик выделяется более отчетливо. Это дополнительно подтверждает реальность наблюдения исследуемого радиационного распада. Интересно, что в области > 1,6 ГэВ, по-видимому, наблюдаются радиационные распады более массивных гиперонов.
Данные дополнительные требования выделения приводят к значительному уменьшению статистики отобранных событий, и кроме того вводят дополнительную систематику, связанную с влиянием шума в ECAL (при меньшем пороге) на эффективность регистрации реакций, а также с необходимостью моделировать вероятность непопадания заряженных частиц в калориметр и прохождение сквозь него без образования адрон-ных ливней. Поэтому данный спектр не используется для получения количественного результата и приводится здесь для качественного подтверждения наблюдения распада.
Л (1520) Л7.
4.7 Обсуждение результатов.
Полученное значение согласуется с ранее опубликованным измерением [6] и находится в серьезном противоречии с измерением [7,8].
В работе [6], однако, измерение проводилось без регистрации фотонов, а события отбирались по анализу спектра недостающих масс. При таком способе отбора в конечной выборке всегда будут присутствовать события реакции Л (1520) —>¦ Е°7 и результат может быть получен только при учете вклада от этой реакции на основе модельно зависимых теоретических предположений. В работе [6] это было сделано в предположении, что А (1520) является 811(3)-синглетом, и полученная поправка составляла ~ 15% (количество «наблюдаемых» событий было уменьшено на эту величину). Однако, даже в этом предположении учет влияния распада Л (1520) —> ?°7 был сделан в [6] не очень корректно. Было предположено, что.
R = Г [Л (1520) -" Е°7]/Г[Л (1520) Л7] = (SU (3) структур, фактор) • (фактор фаз. объема) = 3 ¦ [Р7(Е°)/Р7(Л)] и 3 • 0,833 «2,5 см. также раздел 1.2). Однако, следует учитывать, что распады (3/2)» —> (½)+7 (то есть Л (1520) —> Л7- Е°7) являются электрическими дипольными переходами, матричные элементы которых пропорциональны Р7 (см., например, [44] или [5]). Откуда следует, что.
R = (SU (3) структур, фактор) • (фактор фаз. объема = Р7(Е°)/Р7(Л)) • [Р7(Е°)/Р7(Л)]2 = 3 • [Р7(?°)/Р7(Л)]3 «1,73.
Поэтому, даже в модели 8и (3)-синглета для Л (1520), число событий распада должно было быть уменьшено не на 15%, а на 10%, т. е. измеренная радиационная ширина увеличилась бы на 5%. Отметим также, что вопрос о систематической ошибке в работе [6] вообще не рассматривается. С другой стороны, в разных теоретических моделях отношение R может сильно меняться — в пределах 0,35−3,8 (см. таблицу 1.3). При этом в модели Изгура-Карла, предсказания которой, по-видимому, наиболее соответствуют измерению, приводимому в данной работе, отношение R лежит в диапазоне 0,35−0,8. Очевидно, что применение соответствующих поправок, для получения результата из измерения [6], привело бы к его увеличению на 12−15% и приблизило бы его к результату нашей работы [9,10], представленному в настоящей диссертации.
Следует также заметить, что так же как и в описываемом исследовании, в работе [6] был измерен, по-существу, бренчинг. Для получения парциальной ширины было использовано текущее для тех лет значение мирового среднего для полной ширины Л (1520) — 17,4 МэВ, что соответствовало результату Г[Л (1520) —* Л7] = 150 ± 30 кэВ. Везде в данной работе цитировалась величина Г[Л (1520) —> Л7] = 134 ± 23 кэВ, что соответствует современному мировому среднему — 15,6 МэВ.
При получении результата [7,8] проводилось (также как и в данной работе) прямое измерение, то есть регистрировались все вторичные частицы (включая фотоны). В 1986 г. работа была издана в виде препринта [45] и направлена в журнал «Physics Letters». Однако журнальная статья так и не была опубликована, что внушает некоторые сомнения о степени уверенности авторов работы в надежности полученных значений радиационных ширин.
В работах [18,20] отмечалось, что в моделях мешков абсолютные значения радиационных ширин не следует рассматривать слишком серьезно, и более надежными являются отношения соответствующих вероятностей для различных распадных каналов. В этой связи было бы особенно интересно измерение бренчинга распада Л (1520) —> Е°7. Такое измерение, в принципе, возможно сделать на основе уже набранной в эксперименте СФИНКС статистики, хотя фоновые условия должны быть в этом случае более тяжелыми из-за интенсивного распада Л (1520) —> Е°7г°, который при потере одного из фотонов (в основном низкоэнергетичного фотона от распада Е° —> Л7) симулирует сигнальный распад. Было проведено предварительное исследование, которое показывает, что резонансоподобная фоновая структура от распада Л (1520) —> Е°7г° с одним потерянным фотоном при разумных обрезаниях частично перекрывается с резонансным пиком Л (1520) —" Е°7 в спектре эффективных масс М (Е°7), что делает получение результата сильно зависящим от корректности воспроизведения формы этой структуры в Монте-Карло расчетах и, таким образом, требует дополнительных тщательных исследований по изучению систематики этого измерения. Изучение этого распада запланировано при дальнейшем анализе данных эксперимента СФИНКС.
Заключение
.
В заключение кратко сформулируем основные результаты диссертационной работы:
1. На данных, полученных в эксперименте СФИНКС, было проведено исследование радиационного распада Л (1520) —> Л7, выделяемого в реакции эксклюзивного образования p + N{С) -> [A7]K+ + iV©.
I—> а также распада Л (1520) —" рК~ в реакции эксклюзивного образования p + N (C)^pK-]K+ + N©, используемого в качестве калибровочного. Рассчитаны эффективности регистрации этих распадов в установке СФИНКС методом Монте-Карло. В результате, получено значение для парциальной ширины распада Л (1520) —> Л7:
Г[Л (1520) -«¦ Л7] = [156 ± 35 (ст.) ± 26 (сист.)] кэВ.
Проведено исследование и дана оценка систематике данного измерения.
Это измерение — фактически первое прямое (не зависящее от теоретических предположений) измерение для этого распада.
2. Создано программное обеспечение для поиска и реконструкции треков и вершин взаимодействий и для массовой обработки большого количества 109 триггеров) набранной на установке СФИНКС статистики.
Эти работы обеспечили основу для дальнейших исследований на установке СФИНКС по данным сеансов 1996;1999 гг.
3. Систематизированы и задокументированы детальные сведения о устройстве детекторов, системы сбора данных и дизайне установки СФИНКС в целом. Это послужило основой для создания базы данных, используемой для моделирования установки, для создания процедур калибровки и восстановления физической информации.
Благодарности.
Диссертация основана на работах, выполненных вместе с коллективом, работавшим на установке СФИНКС в ИФВЭ (г.Протвино), и автор считает своим приятным долгом поблагодарить своих коллег и соавторов: Ю. М. Антипова, А. В. Артамонова, В. А. Ба-тарина, В. А. Викторова, В. А. Еремина, О. В. Ерошина, С. В. Головкина, Ю. П. Горина, В. А. Кириллова, А. П. Кожевникова, В. 3. Колганова, А. С. Константинова, В. П. Ку-баровского, В. Ф. Куршецова, А. Е. Кушниренко, JT. Г. Ландсберга, В. М. Леонтьева, Г. С. Ломкаци, В. В. Молчанова, В. А. Мухина, А. Ф. Нилова, Д. И. Паталаху, С. В. Петренко, А. И. Петрухина, В. Т. Смолянкина, А. В. Склезнева.
Автор выражает чувство глубокой признательности своему научному руководителю и руководителю лаборатории — Леониду Григорьевичу Ландсбергу за постановку задачи, научное руководство и всестороннюю поддержку, оказываемую автору на протяжении всех лет работы в лаборатории.
Пользуясь случаем, автор хотел бы выразить особую благодарность своим коллегам, непосредственно способствующим продвижению данных исследований: В. Ф. Кур-шецову, В. В. Молчанову — за многочисленные плодотворные дискуссии и советы, В. А. Мухину, А. Е. Кушниренко — за обеспечение работы и поддержку локальной сети компьютеров и ценные советы по оптимальному использованию их ресурсов, А. В. Артамонову, С. В. Головкину, В. А. Мухину, С. В. Петренко — за помощь в сборе и систематизации сведений о детекторах установки и системе сбора данных.
Автор также благодарен своей супруге О. Л. Вавиловой за терпение и поддержку проявленные при выполнении автором данных исследований.
Автор благодарен Дирекции ИФВЭ за поддержку выполненных исследований, и всем службам института, чья работа способствовала их реализации. ч.