Измерение сечений рождения тау-лептонных пар в двухфотонных столкновениях, установление пределов на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона и дополнительные пространственные измерения

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное определение сечения процесса рождения пар тау-лептонов в двух-фотонных столкновениях в реакции е+е~ —* е+е~т+т~ при энергиях столкновений электронов и позитронов в диапазоне 183 — 206 ГэВ, поиск аномального магнитного и дипольного электрического моментов тау-лептона, а также экспериментальная проверка теории струн с субмиллиметровыми пространственными измерениями.

Исследования, положенные в основу диссертационной работы, были выполнены автором в эксперименте DELPHI в течение 1997;2003 гг.

Научная новизна исследования. Впервые с высокой точностью были измерены сечения рождения пар тау-лептоиов в двухфотонных столкновениях, установлен лучший предел на аномальный магнитный момент тау-лептона, установлен предел на дипольный электрический момент того же порядка, что и другие современные пределы, а также впервые установлен предел на массовый параметр теории струн.

Практическая ценность. Полученные результаты с высокой точностью подтвердили предсказания квантовой электродинамики в четвертом порядке теории возмущений. Полученные пределы на электромагнитные моменты тау-лептона вошли в таблицы Particle Data Group. Объединение результатов, полученных для проверки теорий с дополнительными пространственными измерениями с результатами других экспериментов позволяет исключить значительную область значений параметра теорий.

Автором была разработана и осуществлена процедура физического анализа данных эксперимента DELPHI. В частности, был проведен отбор событий рождения тау-пар в двухфотонных столкновениях, определение эффективности триггера установки к таким событиям, разработана процедура оценки систематических погрешностей. Полученные результаты и разработанные процедуры использовались другими членами коллаборации DELPHI в дальнейшем физическом анализе.

Результаты, выносимые на защиту:

• Проведена обработка данных DELPHI, полученных при наиболее высоких энергиях столкновений (интегральная светимость — 650 пб-1) и разработан метод отбора событий е+е~ —> е+е~т+т~ .

• Улучшена точность измерения ионизационных потерь для частиц с низким импульсом при помощи разработанного алгоритма калибровки dE/dx и разработан метод определения триггерной эффективности детектора, позволивший уменьшить систематическую погрешность измерения сечения до 3%.

• Измерено сечение процесса е+е —> е+е т+т для энергий в диапазоне 183 — 206 ГэВ с точностью порядка 4%.

• Установлен лучший в мире предел на аномальный магнитный момент тау-лептона и установлен предел на электрический дипольный момент тау-лептона, сравнимый с другими современными пределами.

• Проведена проверка теории струн с дополнительными субмиллиметровыми пространственными измерениями и установлен нижний предел на массовый параметр этой теории.

Структура диссертации. Диссертация состоит из шести глав, в том числе Введения и Заключения.

Во Введении сформулированы цели диссертационной работы, перечислены выносимые на защиту результаты, подчеркнуты их новизна и практическая ценность.

Во второй главе проводится общее описание ускорителя ЛЭП и эксперимента DELPHI. Описывается экспериментальная установка, система сбора данных и программы реконструкции и моделирования детектора.

В третьей главе описывается теория двухфотонных столкновений, приводятся необходимые для физического анализа формулы и определения, описываются Монте Карло генераторы, отбор событий двухфотонных столкновений, а также отбор событий рождения пар тау-лептонов в двухфотонных столкновениях. Описывается процедура калибровки измерения ионизационных потерь, процедура измерения эффективности триггера, а также оценка остаточного фона и систематической погрешности. Далее приводится процедура определения сечений рождения пар тау-лептонов в двухфотонных соударениях.

В четвертой главе описывается формализм, допускающий аномальные электромагнитные моменты заряженного лептона, чувствительность эксперимента к вкладу в сечение рождения пар тау-лептонов, обусловленному аномальными электромагнитными моментами, а также приводится процедура определения аномального магнитного и электрического дипольного моментов тау-лептона.

В пятой главе описывается теория с субмиллиметровыми пространственными измерениями, приводится описание используемых дифференциальных сечений рождения лептонов и процедуры их интерпретации. Особое внимание уделяется вычислению вклада радиационных поправок в дифференциальное сечение рождения лептонов с учетом дополнительных пространственных измерений.

Результаты работы кратко суммируются в Заключении.

Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались автором на международных научных конференциях (в том числе на Рочестерской конференции 2002 г. в Амстердаме), семинарах и рабочих совещаниях коллаборации, а также были опубликованы в виде статей в отечественных и зарубежных изданиях [1] - [7].

Выводы и результаты работы.

• Автором разработан метод отбора событий рождения пар тау-лептонов в двухфотонных соударениях. В пределах аксептанса метод имеет эффективность от 52% до 56% в зависимости от энергии столкновений при низком уровне остаточного фона 12%).

• Улучшена точность измерения ионизационных потерь для частиц с низкими импульсами с 6.8% до 5.4% при помощи разработанного алгоритма измерения dE/dx. Вклад в систематическую погрешность, связанный с измерением ионизационных потерь составил 2.9%.

Разработан метод определения триггерной эффективности детектора. Вклад в систематическую погрешность, связанный с измерением триггерной эффективности составил 2.8%.

• Впервые с высокой точностью измерены сечения процесса е+е —> е+е~т+т~ для энергий в диапазоне 183 — 206 ГэВ. Измеренные сечения согласуется с предсказанием Стандартной Модели. Усредненное для всех энергий отношение наблюдаемых и ожидаемых сечений составило.

RLEP2 = 0.96 ± 0.04.

Среднее сечения для ЛЭП-2 составило.

TLEP2 = 429 ± 17 пб, что соответствует усредненной по интегральной светимости энергии 197.1 ГэВ. Сечение, предсказываемое Стандартной Моделью для этой энергии, составляет 447.7 ± 0.3 пб.

• Установлен лучший в мире предел на аномальный магнитный момент тау-лептона.

— 0.052 <ат< 0.013, 95% CL и установлен предел на электрический дипольный момент тау-лептона, сравнимый с другими современными пределами dT < 3.7 • 10~16 е • cm, 95% CL.

Оба предела получены в кинематический области, дополнительной к ранее полученным пределам.

• Проведена проверка теории струн с дополнительными субмиллиметровыми пространственными измерениями и установлен предел на массовый параметр этой теории.

Ms > 0.79 ТэВ, А = +1 (95% CL), Ms > 0.73 ТэВ, А = -1 (95% CL).

Благодарности.

Автор искренне благодарен А. Г. Ольшевскому за руководство и помощь в проделанной работе и за разъяснение многих теоретических вопросов.

Автор искренне благодарен И. Р. Бойко за помощь в проделанной работе и плодотворные дискуссии по ряду вопросов.

QQ.

6 Заключение.