Измерение инклюзивных сечений рождения кварк-антикварковых пар в e +e--столкновениях в эксперименте ДЕЛФИ на ускорителе ЛЭП

Целью диссертационной работы являлось определение инклюзивного сечения реакции рождения кварк-антиварковой пары в результате е+е аннигиляции при энергиях столкновения от 89 до 207 ГэВ. Работа была выполнена на основе данных, набранных экспериментом ДЕЛ ФИ на ускорителе ЛЭП в период с 1995 по 2000 год.

Научная новизна исследования. Измерена величина сечения реакции е+е~ —qq (j) в широком диапазоне энергий — как вблизи Z-резонанса, так и при более высоких энергиях, которые для электрон-позитронных столкновений были достигнуты впервые в мире.

Практическая ценность. Полученные автором результаты использовались объединенной группой по электрослабой физике в ЦЕРН вместе с другими данными ЛЭП для проверки Стандартной Модели и определения ее параметров. Выполненная проверка подтвердила правильность предсказаний этой теории, а полученные значения ее параметров вошли в таблицы Particle Data Group.

В ходе анализа создан пакет программ для отбора адронных событий и определения сечения, контроля качества данных, расчета и приложения необходимых поправок к моделированию. Он может использоваться при дальнейшем анализе данных на ДЕЛФИ.

Результаты, выносимые на защиту:

— Измерение сечения реакции е+е~ —" qq^) в районе Z-резонанса в четырех точках на шкале энергии столкновения.

— Метод контроля качества данных с использованием, в том числе, сравнения частот рождения адронных и Баба-событий.

— Измерение сечения реакции е+е-—>gg (7) для десяти значений энергии столкновения, начиная от 161 и до 207 ГэВ. При этом, в каждом случае сечение было измерено для двух различных диапазонов эффективной энергии столкновения.

— Метод подавления фона от процесса рождения WW-пар при отборе адронных событий.

— Проверка предсказаний Стандартной Модели для сечения е+е~ —" gg (7). Интерпретация полученных результатов в рамках подхода S-матрицы. Проверка нескольких теоретических моделей, описывающих существование дополнительного тяжелого промежуточного бозона Z.

Структура диссертации. Диссертация состоит из десяти глав, в том числе Введения и Заключения. Условно ее можно разбить на три основных части: вводная часть (главы 2−4), анализ данных и результаты ЛЭП-1 (главы 5−6), анализ данных и результаты ЛЭП-2 (главы 7−9). Далее следует краткое описание каждой из глав.

Во второй главе излагаются основные положения Стандартной Модели, а также краткая история создания и проверки теории электрослабых взаимодействий.

В третьей главе рассказывается об ускорителе ЛЭП и о методе, применяемом на нем для измерения энергии пучков. Также дано описание экспериментальной установки ДЕЛФИ, которое включает в себя описания основных компонент детектора, системы приема данных и алгоритма реконструкции событий. Описывается метод измерения светимости на ДЕЛФИ с помощью калориметра STIC.

В четвертой главе перечисляются основные типы физических процессов, имеющих место при е+е~ соударениях на ускорителе ЛЭП. Приводятся формулы для расчета сечения процесса рождения фермион-антифермионной пары е+е~ —> //(7) и обсуждается вклад от радиационных поправок. Рассказывается о моделировании событий.

Пятая глава содержит подробное описание проделанного автором анализа по определению сечения процесса е+е~ —> qq (7) при энергиях Z-резонанса. Описываются критерии отбора событий, определение фонового вклада и эффективности отбора, обсуждается внесение некоторых поправок к вычисляемой величине. Перечисляются составляющие общей систематической погрешности измерения.

В шестой главе приводятся полученные значения для сечения. Дается их сравнение с теоретическими предсказаниями и с результатами других экспериментов на ЛЭП. Говорится об использовании полученных результатов для фитирования параметров Стандартной Модели, для определения массы топ-кварка пгц и константы сильного взаимодействия as и для получения пределов на парциальную ширину возможных распадов Z-бозона на еще неизвестные частицы.

Седьмая глава открывает раздел диссертации, посвященный анализу данных набранных при энергиях выше Z-резонанса. Обсуждаются особенности физических процессов в этом диапазоне энергий, а также их моделирование.

В восьмой главе дано описание методики измерения сечения на ЛЭП-2. Рассказывается о методе вычисления сечения, об оценке систематической погрешности.

В девятой главе приводятся результаты измерения сечения на ЛЭП-2 и их интерпретация.

Результаты работы кратко суммируются в Заключении. Они были опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах [1−3], а также неоднократно докладывались на международных научных конференциях [4−5, и др.], в том числе самим автором.

2 Стандартная Модель.

Стандартная Модель — это теория, описывающая взаимодействие элементарных частиц на основе математического аппарата квантовой теории поля. За последние десятилетия она прошла многочисленные проверки на экспериментах и все ее предсказания успешно подтверждались.

Фундаментальными частицами в Стандартной Модели являются леп-тоны и кварки, а также бозоны — переносчики взаимодействия трех типов — электромагнитного, слабого и сильного. Ими являются фотон, Z-и Ш^-бозоны, и глюоны, соответственно.

Физика сильных взаимодействий существенно отличается от слабого и электромагнитного, и поэтому эти два сектора описывают разные теории. Сектор сильных взаимодействий относится лишь к кваркам и описывается квантовой хромодинамикой. Слабое и электромагнитное взаимодействие объединены в теории электрослабых взаимодействий.

Выводы и результаты работы.

1. Автором определены сечения реакции е+е~ —" qq (7) для четырех различных значений энергии столкновения в районе Z-резонанса на основе данных, набранных на установке ДЕЛФИ в 1995 году.

Для обеспечения высокой точности этого измерения были рассчитаны и применены поправки к моделированию, а также произведена многосторонняя проверка качества данных. В результате, систематическая погрешность выполненного измерения составила 0.15%, при статистической точности порядка 0.25−0.35%. Найденные значения сечения, наряду с результатами других измерений в ДЕЛФИ, были использованы для определения параметров Z-резонанса.

2. Проанализированы данные, набранные ДЕЛФИ на этапе ЛЭП-2 при энергиях столкновения от 161 до 207 ГэВ, и определено сечение реакции е+е~ —> qq (7) в этом диапазоне энергий. При этом автором был разработан и применен метод эффективного подавления фона от событий рождения W.+W~~ пар.

3. Сравнение экспериментальных и теоретических данных показало, что имеется хорошее согласие между предсказаниями Стандартной Модели и измерениями. С использованием полученных результатов были проверены несколько теорий, построенных на гипотезе о существовании дополнительного тяжелого Z'-бозона. Фитирование не дало подтверждения данной гипотезы и в результате выведен нижний предел на массу Z', равный 300 ГэВ/с2. Результаты были также проинтерпретированы в рамках формализма S-матрицы. В этом исследовании тоже было найдено хорошее согласие со Стандартной Моделью.

4. Результаты измерения сечения, полученные автором, стали составной частью данных, используемых объединенной группой по электрослабой физике в ЦЕРН для проверки Стандартной Модели и фитирования ее параметров. С их помощью были определены с высокой точностью основные параметры Стандартной Модели, и найденные значения опубликованы в таблицах Particle Data Group. А также показано, что данная теория успешно описывает процессы взаимодействия элементарных частиц в диапазоне энергий, достижимых на сегодняшний день.

Благодарности.

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

Автор благодарен В. Николаенко и Т. Тодорову за значительную помощь, которую они ему оказали в освоении анализа данных на ДЕЛФИ.

Автор благодарен Г. А. Шелкову за всяческую поддержку.

Автор благодарен своим коллегам по ST1 группе в ДЕЛФИ Д. Делла Рике, Т. Майклбусту и И. Бойко за интересное и результативное сотрудничество в течение нескольких лет.

10 Заключение.