Измерение неупругого рождения J/?-мезонов в процессах глубоконеупругого рассеяния на электрон-протонном коллайдере hera в эксперименте zeus

Квантовая хромодинамика (КХД), неабелева калибровочная теория, реализующая идеи цвета, асимптотической свободы и конфайнмента парто-нов, наряду с теорией электрослабых взаимодействий с конца семидесятых годов двадцатого века является неотъемлемой частью Стандартной Модели элементарных частиц и их взаимодействий. Давая верное качественное описание эксперимента, КХД не обладает единым методом расчёта, применимым при любых характерных энергетических масштабах исследуемых процессов: в то время как расчёты сечений жёстких процессов в высших порядках теории возмущений ввиду малости константы связи КХД позволяют достичь точности на уровне нескольких процентов, в случае непер-турбативных процессов предсказания теории связаны с большими неопределённостями и требуют информации из эксперимента. Находясь на пороге ожидаемого экспериментального подтверждения механизма спонтанного нарушения симметрии в Стандартной Модели, важно иметь понимание всех аспектов теории.

В процессах неупругого рождения чармония ер —> е' J/фХ проявляется тесная взаимосвязь пертурбативных и непертурбативных аспектов КХД [1]. Образование пары очарованных кварков сс может быть рассчитано по теории возмущений в рамках КХД и описывается хорошо известным процессом фотон-глюонного слияния 7*д —> сс. При этом следует отметить чувствительность к распределению глюонов в протоне. Однако картина усложняется непертурбативными эффектами, связанными как с начальными распределениями глюонов в протоне, так и с формированием связанного состояния пары сс, т. е. наблюдаемого состояния чармония.

Данные первых измерений сечений рождения ,//^-мезонов, проведённые в CERN [2] и Fermilab [3J, находились в качественном согласии с предсказаниями модели цветовых синглетов (CSM) [4] в первом («лидирующем», LO) порядке теории возмущений. Полученные позже в Fermilab данные по рождению .//^-мезонов с большими поперечными импульсами [5] оказались более чем на порядок выше результатов расчётов в модели CSM (в рамках коллинеарного подхода). Учёт октетных вкладов в рамках так называемой нерелятивистской КХД (NRQCD) [6] позволил получить согласие с этими экспериментальными данными. С учетом октетных вкладов также воспроизводится распределение по поперечному импульсу J/ф-мсзонов [7], полученное в 77-взаимодсйствиях на LEP2 [8]. Однако поляризационные свойства JУ?/>-мезонов, измеренные в адронных взаимодействиях на установке CDF [9], не соответствуют предсказаниям, полученным в нерелятивистской КХД [10]. Аналогичные трудности возникают при анализе поляризационных свойств чармония в процессах е+е~-аннигиляции, изучавшихся на установках ВаВаг [11] и Belle [12J. Сечения рождения и спектры импульсов J/^-mcsohob, измеренные на этих же установках, также не могут быть объяснены ни в CSM, ни в стандартном подходе NRQCD и требуют «комбинированного» учета как пертурбативных, так и непертур-бативных поправок [13], связанных с описанием процесса обесцвечивания сс-пары при переходе в конечный мезон путем испускания жёсткого или мягких глюонов. Как CSM, так и NRQCD не описывают данные по двойному рождению чармония, полученные экспериментом Belle [14]. Так, для отношения сечения ассоциативного рождения J/ф + сс к инклюзивному сечению рождения J/^-mcsohob было получено значение, приблизительно равное 0.6, тогда как CSM дает для этого отношения значение 0.2, а учет октетных по цвету вкладов делает это отношение еще меньше [13].

Теоретические результаты, полученные в модели цветовых синглетов в коллинеарном подходе с учётом высших поправок (NLO) теории возмущений, описывают фоторождение J/ф-мезонов при энергиях коллайдера HERA. Сравнение предсказаний с данными указывает на то, что учёт высших поправок важен для хорошего описания спектров поперечных импульсов. Следует отметить, что неопределённости теоретического предсказания велики и превосходят неопределенности измерений [15,16]. Экспериментальные данные не противоречат и предсказаниям, полученным в рамках NRQCD в пределах больших неопределённостей, связанных, в основном, с величинами непертурбативных матричных элементов.

Данные по электророждению J/ip-мезонов, полученные экспериментом HI [17], сравнивались с теоретическим расчётом в лидирующем порядке теории возмущений в рамках нерелятивистской КХД с учетом и без учета октетных вкладов [18]. Без учёта октетных вкладов результаты расчётов лежат ниже экспериментальных данных при больших поперечных импульсах. Однако при малых поперечных импульсах учет этих вкладов приводит к переоценке экспериментальных данных почти в 2 раза. Форма спектра по переменной г также не описывается в случае учёта октетных вкладов.

В полужёстком (А^-факторизационном) [19−22] подходе ожидается, что вклады октетных состояний значительно меньше или в них совсем нет необходимости по сравнению с расчетами в коллинеарном приближении. Полужёсткий подход успешно применялся для описания целого ряда процессов (см., например, обзоры [23]). В работах [24−27] было показано, что в рамках данного подхода могут быть описаны данные по неупругому фоторождению «//^-мезонов, опубликованные экспериментами ZEUS и HI. Однако теоретические результаты содержат значительные неопределенности, связанные с поведением (неинтегрированных) глюонных распределений, зависимостью константы связи от энергетического масштаба, поправками высших порядков теории возмущений и непертурбативными эффектами. Таким образом применимость нерелятивистской КХД к процессам инклюзивного рождения чармония и существование октетных вкладов требует дальнейшего теоретического и экспериментального исследования.

Измерения, представленные в настоящей работе [28−32], были проведены в кинематической области 2 < Q2 < 80ГэВ2, 50 < W < 250 ГэВ, 0.2 < z < 0.9 и -1.6 < Улх. < j где Q — виртуальность обменного фотона, И7 —энергия в системе центра масс фотона и протона, г —доля энергии фотона, переданная J/ф-мезону, в системе покоя протона («неупругость»), а Ул. с. — быстрота J/^-мезона в лабораторной системе. Тем самым кинематическая область расширена по сравнению с той, которая использовалась экспериментом HI [17], также работающем на коллайдере HERA. В настоящем анализе данных впервые для процессов электророждения ер —> ё J/фХ представлено измерение параметров адронной системы X в конечном состоянии: инвариантной массы Мх и быстроты УхИзучение процессов с большой виртульностью фотона имеет ряд преимуществ: наличие жёсткого энергетического масштаба должно обеспечивать хорошую точность теоретических вычислений по теории возмущений, а вклады фоновых упругих и дифракционных процессов должны быть подавлены. Вклады от процессов рождения ф (2S) — и В-мезонов с последующим распадом в Jjijj-мезон были оценены и учитывались в настоящей работе при сравнении данных с теоретическими вычислениями.

В главе 1 даётся краткий обзор теоретических подходов к описанию процессов рождения чармония. В главе 2 описаны коллайдер HERA и экспериментальная установка ZEUS. Глава 3 посвящена полупроводниковому адрон-электронному сепаратору установки ZEUS, игравшему важную роль в анализе экспериментальных данных при реконструкции кинематики событий. В главе 4 дано описание анализа экспериментальных данных на установке ZEUS, процедура отбора событий и вычисление сечений неупругого рождения J/^-мсзонов в процессах глубоконеупругого рассеяния (ГНР), даётся сравнение полученных результатов с расчётами в кол-линеарном и полужёстком подходах. В заключении формулируются основные результаты, полученные в настоящей работе и выносимые на защиту. В приложении протабулированы величины измеренных дифференциальных сечений.

Результаты работы опубликованы в трудах конференций «CALOR 2002» [65] и «DIS 2003» [28], в журнале «The European Physical Journal С» [29], в препринтах НИИЯФ МГУ [30,32]. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Проведена работа необходимая для включения в анализ данных полупроводникового адрон-электронного сепаратора установки ZEUS. Исследована степень влияния данных сепаратора на реконструкцию переменных, используемых в анализе. Усовершенствована процедура мониторинга качества данных сепаратора.

2. Впервые в эксперименте ZEUS проведено измерение неупругого рождения J/ф-мезонов в процессах глубоконеупругого рассеяния. Измерение проведено в кинематической области 2 < Q2 < 80 ГэВ2, 50 < IV < 250 ГэВ, 0.2 < z < 0.9 и -1.6 < УА.С. < 1.3. Сечения рождения J/^-мезонов получены в более широкой кинематической области по сравнению с той, которая использовалась экспериментом HI [17], также работающем на коллайдере HERA. Впервые для процессов ер —" е' J/фХ измерены параметры адронной системы X в конечном состоянии: инвариантной массы Мх и быстроты УхПри сравнении с теоретическими расчётами были учтены вклады от распадов ф (2S) — и В-мезонов.

3. Было проведено сравнение измеренных сечений с теоретическими предсказаниями в коллинеарном подходе. Расчёты в лидирующем порядке теории возмущений в коллинеарном подходе с учётом только синглетных вкладов в целом согласуются с измерениями, но предсказывают более мягкий спектр по поперечному импульсу по сравнению с данными. Учёт октетных вкладов приводит к переоценке полного сечения по сравнению с данными. С учётом октетных вкладов не описываются формы чувствительных к механизмам рождения J/ф-мезонов спектров по неупругости (z) события, инвариантной массе (g{M/ГэВ2)) и быстроте (Ух) адронной системы. В то же время спектр по поперечному импульсу при наличии ограничения на этот импульс (р*р > 1 ГэВ2) описываются лучше, чем при учёте только синглетных вкладов.

4. Было проведено сравнение измеренных сечений с теоретическими предсказаниями в рамках модели цветовых синглетов, в которых на уровне партонной динамики учитывается ненулевая виртуальность (поперечный импульс) начального глюона. Сравнение с аналитическими расчётами в полужёстком подходе показало, что предсказания, основанные на уравнениях эволюции BFKL, хорошо описывают экспериментальные данные. Предсказания, полученные с помощью программы Cascade, в которой для начального глюонного каскада реализована эволюция CCFM с функцией расщепления глюона, содержащей несингулярные члены, переоценивают полное сечение, но хорошо описывают формы спектров в данных.

5. Полученные экспериментальные данные и проведённое сравнение с широким спектром теоретических предсказаний продемонстрировали отсутствие необходимости учёта дополнительных вкладов процессов, в которых обесцвечивание пары очарованных кварков происходит при испускании мягких глюонов (октетных вкладов).

6. Было проведено дополнительное измерение сечений рождения J/ф-мезонов в кинематической области 2 < Q2 < 100 ГэВ2, 50 < W < 225 ГэВ, 0.3 < z < 0.9 и pj? > 1ГэВ2. Полученные результаты находятся в согласии с измерениями, проведенными экспериментом HI.

Автор выражает благодарность за постановку задачи, постоянное внимание и помощь в работе Л. К. Гладилину и П. Ф. Ермолову. Автор благодарит Н. П. Зотова, В. А. Кузьмина и А. С. Проскурякова за внимание и полезные обсуждения. Автор выражает искреннюю признательность за внимание и поддержку О. Ю. Лукиной и всем сотрудникам отдела экспериментальной физики высоких энергий. Работа всего коллектива НИИЯФ МГУ и всех участников эксперимента ZEUS сделала возможным выполнение данной диссертационной работы.

Заключение

.

В настоящей работе проведён анализ данных эксперимента ZEUS, работающего на электрон-протонном коллайдере HERA, по неупругому (в отличие от дифракционного) рождению ,//-^-мезонов в процессах глубоконеупру-гого рассеяния с виртуальностью обменного фотона Q2 > 2 ГэВ2. В анализе экспериментальных данных при реконструкции кинематики событий активно использовался полупроводниковый адрон-электронный сепаратор установки ZEUS. Измеренные сечения сравниваются с широким спектром теоретических предсказаний в коллинеарном и полужёстком подходах. Для изучаемых процессов расчёты доступны лишь в лидирующем порядке теории возмущений.