Энергетическая калибровка калориметра детектора СНД

Метод встречных электрон-позитронных пучков в настоящее время является одним из основных способов исследования элементарных частиц, позволяющий проводить наиболее точные измерения их параметров. Сейчас в мире около десяти работающих или строящихся ускорителей этого типа в области энергий от 0,36 до 200 ГэВ.

Единственной электрон-позитронной машиной, работающей в области низких энергий, является накопитель ВЭПП-2М [1] в Новосибирске с предельной энергией 1,4 ГэВ и светимостью ¿-о 10зосм-2с-1, которая может увеличиться до 1032см~2с-1 после осуществления идеи круглых пучков [2]. В настоящее время идет создание электрон-позитронных накопителей для данной области энергии со светимостью ?0 ~ 1033см-2с-1, оптимизированных на энергию 1020 МэВ (масса ^-мезона) так называемых ¿-«-фабрик. Сооружение одной из таких установок ведется в рамках проекта ВЭПП-5 в Новосибирске [3], другая ^"-фабрика, БА<�ШЕ [4, 5], должна начать работать в Национальной Лаборатории Фраскати в Италии в 1998 году.

Исследования легких векторных мезонов р, и, ф на электронпозитронных накопителях ведутся уже более 30 лет. За это время для этих частиц с высокой точностью измерены основные каналы распадов [6]. Однако, редкие моды распадов легких векторных мезонов ж большая часть нерезонансных процессов в области энергии ~ 1ГэВ изучены еще недостаточно. Особенно важны для проверки теоретических предсказаний в этой области энергии величины вероятностей радиационных распадов мезонов. Они в меньшей степени, чем адронные распады, зависят от адронизации легких кварков, следовательно, несут прямую информацию о строении и свойствах легких мезонов.

Сферический нейтральный детектор работает на накопителе ВЭПП-2М с 1995 года [7, 8, 9,10,11]. Детектор оптимизирован для изучения нейтральных процессов. Его физическая программа включает в себя:

1. изучение радиационных распадов легких векторных мезонов р, ш, ф-> тг07, VI ф —" Г) 7 ф а07, /о7,7Г7Г7- ^Т.

Р, СО —" 7Г7Г7.

2. изучение распадов, подавленных по 021 и С-четности, ф —> ОЖ, 7Г7Г, 777Г7Г /5 —>• 37 Г, со 2к.

3. изучение электромагнитных распадов /?, о-, ф —" г}е+е~, 7г°е+е~.

4. изучение аннигиляции е+е~ —> адроны е+е~ —> 2тт, Зтс, 4тг, 07 г е+е~ —о>7г, 777Г7Г, фж е+е" К+К~, К8Кь, ККтт.

5. проверку квантовой электродинамики З7, е+е-7 е+е~ —> 47, е+е~77,4е е+е~ —07,37е+е, 4е7.

6. поиск редких распадов и г) мезонов К8 27,37Г°, 27Г°7, 7г°77, 7г°е+е~ г] —> З7, е+е~, 4е.

7. поиск С-четных реакций е+е" -«• г] ?2.

Решение этих задач требует высокой точности измерения энергии фотонов в диапазоне от 50 до 700 МэВ. Это необходимо для регистрации фотона, испущенного при переходе между различными кварковыми состояниями и для подавления фона при реконструкции промежуточных 7г° и ту мезонов. Для измерения энергий и углов вылета фотонов, в детекторе СНД, используется трехслойный сферический электромагнитный калориметр на основе сцинтилляционных кристаллов Nal (Tl). Таким образом энергетическая калибровка калориметра является задачей, решение которой чрезвычайно важно для проведения экспериментов с детектором СНД на ВЭПП-2М.

Электромагнитные калориметры на основе сцинтилляционных счетчиков являются важной частью многих современных детекторов элементарных частиц, например Crystal Ball [12], CLEO-II [13], L3 [14]. Методика калибровки таких установок хорошо развита, но ее нельзя непосредственно применить к многослойному калориметру детектора СНД. Для его энергетической калибровки была разработана процедура, позволившая получить хорошее разрешение в широком диапазоне энергии фотонов.

На электрон-позитронных накопителях кроме процессов связанных с е+е~ столкновениями идут реакции, обусловленные взаимодействием пучков с ядрами остаточного газа в вакуумной камере. Сюда относятся тормозное излучение и электророждение е+е~ пар в поле ядра, упругое и квазиупругое рассеяние электронов на протонах и процессы электророждения мезонов и барионов на нуклонах.

В экспериментах с детектором СНД при энергии пучка ~ 500 МэВ были выделены события процесса электророждения Д-изобары на ядрах остаточного газа с последующим распадом на пион и нуклон. Это не только показывает возможности детектора, но и позволяет оценить ожидаемое число событий этой реакции на ©—фабриках.

Основной задачей ^"-фабрик является изучение CP-нарушения в распадах /í—мезонов [15]. Кроме того, важными пунктами их физических программ являются исследования распадов^{-мезона,} анигиляции е+е~ —> адроны и двухфотонной физики в области малых энергий [16]. Процесс eN —> еД, А —?• 7tN может ограничивать точность измерений сечений в этой области энергий.

Он также может служить фоном при более высоких энергиях.

В данной работе представлена процедура энергетической калибровки калориметра детектора СНД и результаты изучения процесса еАт —" еД, Д —> 7гЛГ, проведена оценка фона от этого процесса для строящихся е+е~ фабрик.

Основное содержание диссертации изложено в работах [17,18, 19, 20, 21, 9] и докладывалось на семинарах Института, на международной конференции по методике экспериментов на встречных электрон-позитронных пучках в Новосибирске в 1996 году [22] и на международной конференции по адронной спектроскопии в Брукхевене (США) в 1997 году [11].

2 Эксперимент.

6 Заключение.

В представленной работе получены следующие основные результаты.

1. Создана процедура предварительной калибровки калориметра детектора СНД по космическим мюонам. Статистическая точность определения калибровочных коэффициентов составляет ~ 1% для всех слоев калориметра. Время проведения калибровки не превышает 5 часов. Достигнуто энергетическое разрешение 5,5% для фотонов с энергией 500 МэВ. Данная процедура используется для калибровки калориметра с 1996 года.

2. Изучена временная стабильность счетчиков калориметра. Средний сигнал со счетчиков 1 и 2 слоев уменьшается на величину ~ 1% в течение двух лет, для 3 слоя эта величина составляет ~ 3% за месяц, что связано с деградацией используемых на нем фототриодов.

3. Создана процедура калибровки калориметра по событиям е+е~ —" е+е~. С использованием полученных калибровочных коэффициентов удалось на 10% улучшить разрешение калориметра, которое составило аЕ/Е = 5% для фотонов с энергией 500 МэВ. Статистическая точность определения калибровочных коэффициентов составляет ~ 2 -г 3% для 1 и 2 слоев.

4. Изучен ответ калориметра при регистрации у и е в широком диапазоне энергий. Показано, что главным фактором, определяющим различие между ожидаемым по моделированию разрешением и достигнутым в эксперименте, является неоднородность светособирания по объему кристаллов. Определена зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии фотонов аЕ/Е — 4,.

5. Осуществлено моделирование процесса eN —" еД, А —" л N.

6. Выделено 80±9±10 событий процесса электророждения Д+ на протонах ядер остаточного газа с последующим распадом на тг° и р.

7. Полученные данные позволили оценить ожидаемое число событий реакции еМ -7- еД, Д —> 7гЛ?" на (^-фабриках, что составило ~ 4Гц/м. За эффективный год 107с) работы ф-фабрики число ожидаемых событий этого процесса составит ~ 4 • 107 на одном метре взаимодействия, что дает возможность дополнительно к экспериментам по е+е~ взаимодействию проводить исследования в области ядерной физики.

В заключений автор выражает признательность всем своим коллегам, принимавшим участие в создании детектора СНД и в проведении экспериментов, за совместную работу, Н. Н. Ачасову за полезные обсуждения, Ю. М. Шатунову и всем сотрудникам группы ВЭПП-2М, которые обеспечили работу накопителя. Я благодарен своим научным руководителям А. Д. Букину и В. Б. Голубеву за руководство работой. Хочется выразить глубокую благодарность С. И. Середнякову за поставленные задачи и постоянное внимание и поддержку данной работы.