Дифференциальные сечения реакций &%23x03c0; А в†’ К s0 Х, К А в†’ К0 , К * (892)0 Х при 11,2 ГэВ и методы измерения характеристик калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС
Диссертация
Автор: Кульчицкий, Юрий Александрович
Название: Дифференциальные сечения реакций &%23x03c0; А в†’ К s0 Х, К А в†’ К0 , К * (892)0 Х при 11,2 ГэВ и методы измерения характеристик калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС
Справка: Кульчицкий, Юрий Александрович. Дубна, 0 170 c. :
Объем: 170 стр.
Информация: Дубна, 0
Содержание:
1 Г л а в а 1 С п е к т р о м е т р Г И П Е Р О Н
11 Постановка эксперимента
12 Разрешение способности спектрометра
13 А н а л и з экспериментальных д а н н ы х
14 Э ф ф е к т и в н о с т ь регистрации событий
15 С п е к т р ы э ф ф е к т и в н ы х масс
16
Выводы к главе
2 Г л а в а
II И н к л ю з и в н о е о б р а з о в а н и е к а о н о в в hA- в з а и м о д е й с т в и я х
23
Выводы к главе II
31 Модель кварк глюонных струн
311 Р а с ч е т д л я реакций К'^ р,А ^ X
312 Р а с ч е т д л я реакций п А ^ X
32 Модель "экранирования цвета"
321 Р а с ч е т д л я реакций К А ^ К^{892у, К'^ X
33
Выводы к главе Ш
4 Г л а в а
IV А д р о н н а я к а л о р и м е т р и я э к с п е р и м е н т а А Т Л А С
41 Калориметрический комплекс
42 Физические требования к калориметрии
43 Адронный tile к а л о р и м е т р
44 Р е г и с т р а ц и я з а р я ж е н н ы х адронов
45
Выводы к главе I V
5 Г л а в а V Х а р а к т е р и с т и к и а д р о н н о г о tile к а л о р и м е т р а
51 П р о т о т и п адронного к а л о р и м е т р а
511 Энергетические спектры пионов
512 Энергетическое разрешение и линейность
513 Нескомпенсированность адронного к а л о р и м е т р а
514 У т е ч к и адронного ливня
52 Модуль О адронного калориметра
521 Реконструкция энергий пионов
522 Энергетическое разрешение д л я пионов
523 К р и т е р и и разделения пионов и электронов
524 Реконструкция энергии электронов
525 Энергетическое разрешение д л я электронов
526 ejh отношение д л я модуля О
53
Выводы к главе V
6 Г л а в а V I Р а з в и т и е а д р о н н о г о л и в н я
61 Адронный ливень
62 Метод измерения радиального профиля
63 Поперечное р а з в и т и е адронного ливня
631 Р а д и а л ь н а я плотность энергии ливня
632 Р а д и а л ь н ы е р а з м е р ы ливня
64 Продольный п р о ф и л ь адронного ливня
65 Трехмерная п а р а м е т р и з а ц и я адронного л и в н я
66 Э л е к т р о м а г н и т н а я ч а с т ь адронного ливня
67
Выводы к главе V I
7 Г л а в а VII Х а р а к т е р и с т и к и к а л о р и м е т р и ч е с к о г о к о м п л е к с а
71 Комбинированный к а л о р и м е т р
72 Измерение энергий электронов
73 Измерение энергий адронов
74 e/h метод реконструкции энергии
75 Нескомпенсированность электромагнитного к а л о р и м е т р а
76 Энергетическая линейность ъ ejh методе
77 Продольное р а з в и т и е адронного ливня
78 Угловое разрешение
79 У т е ч к и энергии ливня
710
Выводы к главе V I I
Введение:
В начале 80-х на установке ГИПЕРОН были начаты наши исследования дифференциальных сечений адрон-ядерных взаимодействий, направленные на изучение проявлений КХД эффектов. Уже тогда было понятно, что полученные результаты по адрон-ядерным взаимодействиям будут представлять интерес и для исследования адронных ливней, которые являются физической основой всей адронной калориметрии. Диссертационная работа обобпдает наиболее существенные результаты 1980 - 2000 годов, полученные автором в завершенном исследовании в области адрон-ядерных взаимодействий и развитии методов прецизионной адронной калориметрии в экспериментах нового поколения на ускорителях ТэВ-ного диапазона. В первой части диссертации содержатся данные, в том числе полученные впервые, о процессе адронизации з-кварка в тг"*", /Г^-рассеянии на ядрах в области фрагментации налетаюгцего мезона. Ряд этих результатов остаются и в настояш;ее время единственными сведениями в указанной области. Вторая часть диссертации включает полученные автором результаты экспериментального исследования пространственного развития адронного ливня и важных свойств калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС с применением новых методов анализа информации, поступающей с адронных и комбинированных, состоящих из электромагнитной и адронной частей, калориметров.Уникальную возможность для получения недоступной в адрон-адронных взаимодействиях информации о пространственно-временной структуре сильных взаимодействий и о цветовой структуре адронов предоставляет изучение адрон-ядерных взаимодействий. Изучение эффектов времени формирования адрона возможно при использовании ядра, как совокупности нуклонных мишеней, поскольку характерное время сильных взаимодействий составляет порядка одного ферми.Для описания процессов происходящие при столкновении адронов с ядрами, как правило, используется теория многократных перерассеяний Глаубера-Ситенко [1, 2], в которой предполагается независимость последовательных взаимодействий адронов с нуклонами ядра. В КХД попытки строгого описания периферийных или, как их называют, "мягких" адронных процессов наталкиваются на нерешенную проблему больших расстояний.Поэтому создаются различные феноменологические модели, использующие идеи КХД, которые при определенных упрощениях позволяют понять основные закономерности этих процессов. Волновые функции адронов определяются в потенциальных моделях, модели мешков, модели кварк-глюонных струн. Во всех этих моделях адрон является бесцветным объектом. Взаимное "экранирование цвета" различных составляющих адрона приводит к существенной зависимости сечения взаимодействия от среднеквадратичного радиуса адрона [3, 4]. Эффект взаимного "экранирования цвета" различных составляющих адрона является одним из в а ж н е й п 1 и х качественных предсказаний квантовой хромодинамики. Ярким следствием эффекта "экранирования цвета" является "цветовая прозрачность" ядер для "сжатых" адронных конфигураций.Проблема конфаймента или невылетания цвета решается в моделях как результат нестабильности вакуума и экранирования удаленных цветовых зарядов благодаря туннельному образованию кварк-антикварковых или гпюонных пар из вакуума. Наиболее распространенным вариантом этого подхода является модель хромодинамической трубки [5, б, 7] или струны, которая строится по аналогии с моделью мешков. Если продольный размер трубки значительно превышает поперечный, трубку можно рассматривать как одномерную струну. Нужно заметить, что струна неустойчива: она легко "рвется" из-за того, что под действием поля из вакуума рождаются кварк-антикварковые пары, полностью экранирующие поле струны.Именно разрывы струны являются в этой модели главным источником адронизации. Энергия, необходимая на образование адронов, появляется благодаря торможению цветового заряда, расположенного на конце струны, за счет натяжения струны. Коэффициент натяжения струны (к), возникающий в результате цветовой перезарядки и последующей адронизации, может превышать значение, полученное для статической струны (к 1 ГэВ/фм) , например, из-за тормозного излучения мягких глюонов. Величина к, полученная при описании экспериментальных данных, равна ^ 3 г э в / ф м [8,9, ю; .До настоящего времени при описании процессов адрон-ядерного рассеяния остается ряд нерешенных проблем: последовательный учет эффектов "экранирования цвета" внутри адрона, длина формирования вторичных адронов и взаимодействие еще несформировавшегося адронного состояния (струны) с ядерной средой. В модели, разработанной с работах 8, 9,10,11,12], адронизация лидирующего кварка описывается с учетом эффектов "экранирования цвета" и длины формирования. Пространственновременная картина процесса "экранирования цветовых" зарядов, то есть адронизации партонов в ядерной среде, приводит к нетривиальному ядерному экранированию как жестких процессов (рождение J/ф, адронов с большими р^), так и мягких процессов (инклюзивное рождение адронов с ж/ —>• 1). Поэтому требуется детальное изучение процессов инклюзивного обра5 зования адронов в /гЛ-взаимодействиях в области адронизации лидирующего кварка (xf —> 1). Репюние этих вопросов требует дальнейшего накопления экспериментальной информации. Актуальной проблемой физики частиц является экспериментальная проверка фундаментальных предсказаний КХД в адрон-ядерных взаимодействиях для мягких процессов.Исследование теоретических аспектов адронизации на ядрах в модели "экранирования цвета" [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 21]. и попытки экспериментального обнаружения эффектов КХД сохраняют свою актуальность до настоящего времени. Так, например, недавно получено указание на обнаружение эффекта при исследовании реакций ^lA P^IJ'A при 470 ГэВ в эксперименте Е665 (Fermilab) [23]; для обнаружения этого эффекта исследованы процессы еА —>• р^еА при 25,5 ГэВ в эксперименте H E R M E S (DESY) [24].Актуальность данной тематики подтверждается осуществлением в настоящее время программы исследований инклюзивных процессов р, тг"^ А^7г,К при энергиях 2 - М б ГэВ в ЦЕРН [25 .В работах [28] - [38] представлены методические и физические результ а т ы полученные нами при исследовании процессов (1) - (3).Дифференциальные сечения для реакций (1) измерялись в работе [39 на ядрах АЬ и АП при 250 ГэВ в центральной области по Xf. Полные сечения реакций (1) на ядрах А!), Ag и Mg при 200 ГэВ измерены в эксперименте Е565/570 ЕегтИаЬ на крайне малой статистике [40]. В области фрагментации налетающего пиона нами впервые получены дифференциальные сечения процессов (1) и при иных энергиях подобных измерений не проводилось.Измеренные нами сечения реакций (3) остаются и поныне единственными вне зависимости от энергии положительных пучковых каонов [42 .Ранее на установке ГИПЕРОН были получены данные об А-зависимости инклюзивного образования тг^ и 77-мезонов в реакциях 7Г -f А ^ П%Г]) -h X (5) при энергии 10.5 ГэВ [43, 44, 45, 46], исследованы процессы эксклюзивного образования тг^ тг^ - и гу-мезонов [47 .Измеренные сечения адрон-ядерных взаимодействий (1), (2) и (3) будут полезны при планировании программы адрон-ядерных и ядро-ядерных исследования на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН и для более детального описания развития адронных ливней в программах моделирования (например, G E A N T ) , используемых в экспериментах, подобных АТЛАС (БАК) и в физике космических лучей.Вторая часть диссертации посвящена разработке и исследованию характеристик калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС и, в особенности, цилиндрического железо-сцинтилляционного адронного tile калориметра новой конструкции, с продольным расположением черепицеподобных детектирующих элементов. Этот калориметр является крупнейшей частью калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС, представленного схематически на рисунке 1 и предназначенного для исследования физических процессов на большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Женева) в новом энергетическом диапазоне, при 14 ТэВ, протон-протонных взаимодействий. Приведены разработанные автором методы адронной калориметрии и результаты исследования характеристик калориметрического комплекса проекта A T L A S .Важнейшими задачами современной физики высоких энергий являются исследование механизма спонтанного нарушения симметрии в электро-сла7 т. § Рисунок 1: Схематическое изображение установки А Т Л А С . Представлено событие с распадом Я -> ZZ* -> е^е 1л^ц {гпн = 130 С е У ) , полученное в р е з у л ь т а т е моделирования .Представлены кривые статистической значимости д л я и н д и в и д у а л ь н ы х каналов р а с п а д а хиггсовского бозона и с у м м а р н а я кривая в предположении полной светимости 100 fb^. ваться электромагнитным калориметром. В области 130 41 реконструируется с использованием калориметрической информации для выделения ^ 2 электронов (рисунок 1).В обоих случаях фоновые события отсекаются с использованием калориметрического комплекса. Для примера, сечение образования хиггсовского бозона с массой 500 ГэВ составляет 10^^atot- При тпн > 600 ГэВ доминируют каналы: H —>• ZZ —)• Пии, для выделения которого необходимо точное измерение калориметрическим комплексом недостающей поперечной энергии, ТА H WW —>• II/ jet jet, который может быть обнаружен в случае реконструкции W -> jet jet с использованием калориметрии.Исследование характеристик адронного калориметра нового типа, с продольным расположением детектирующих элементов, и всего калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС, разработка и применение новых методов анализа калориметрической информации - являются актуальными проблемами физики высоких энергий. Решение этих задач необходимо для изучения физических процессов в новом ТэВ-ном энергетическом диапазоне протон-протонных взаимодействий. Решению этих задач посвящена вторая часть диссертации.Результаты данного исследования описаны во второй части диссертации и опубликованы в работах [48] - [62 .Результаты, проведенных с участием автора и не вошедшие в диссерта9 цию, разработок для адронного калориметра эксперимента АТЛАС и исследований на нем опубликованы в работах [63] - [76 .Цель настоящей работы состояла в следующем: 1. Получение новых экспериментальных данных о динамике мягких адронядерных взаимодействий при высоких энергиях. Исследование в рамках современных модельных представлений процесса адронизации s-кварка в ядерной среде.2. Разработка новых методов анализа калориметрической информации, обеспечивающих достижение ± 2 % линейности и энергетического разрешения 50%/yfE ф 3%, что позволит провести поиск хиггсовских бозонов ( Я —)• WW, Н —)• 66, АР/Н^ —> гт ) , структуры кварков и явлений за пределами Стандартной модели, существенно повысить точность измерения массы tкварка и решить другие важные физические задачи в новом ТэВ-ном диапазоне протон-протонных взаимодействий.3. Получение новых экспериментальных данных о пространственном развитии адронного ливня, являющегося проявлением процесса полного поглощения адрона в веществе.4. Проведение исследований, направленных на получение характеристик адронного tile калориметра и всего калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС при облучении в пучках пионов и электронов с энергиями 10 - 300 ГэВ и методом моделирования.Научная новизна диссертации состоит в следующем.1. Впервые измерены дифференциальные сечения инклюзивных процессов 7г"^ -Ь Ве,Си —)- при Xf > 0,4. Эти данные и сейчас являются единственными. Изучена их А-зависимости от Xf. Столь же единственными остаются наши измерения дваждыдифференциальных сечений А К^, К*(892)^ -Ь X. Изучена их А-зависимости от Xf и pt- В рамках предложенной схемы проведен анализ измеренных сечений в КХД-модели, учитывающей эффекты длины формирования адронов и "цветовой прозрачности" ядер. Сечения реакций 7г , К'^ А ^ X описаны в рамках модели кварк-глюонных струн, что делает обоснованным расширение применимости модели для области средних энергий.2. Созданы новые методы анализа калориметрической информации: беспараметрический метод определения энергии адронов в комбинированном калориметре; метод измерения нескомпенсированности электромагнитного калориметра; метод трехмерной параметризации адронных ливней.3. Получены новые, отсутствовавшие ранее, данные о пространственном развитии адронного ливня [h'^A ^ X ) в железо-сцинтилляционных калориметрах и результаты исследования характеристик адронного tile калори10 метра, а также всего калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС в пучках пионов, электронов с энергиями от 10 до 300 ГэВ и методом моделирования.Практическая ценность диссертации заключается в следующем.1. Результаты измерений сечений могут быть использованы и уже используются при разработке программ исследований адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий на Большом адронном коллайдере, других современных ускорителях и в физике космических лучей, а также для детального моделирования адронных ливней. Теоретический анализ полученных экспериментальных данных проясняет роль эффектов длины формирования адронов и "цветовой прозрачности" ядер в мягких адрон-ядерных взаимодействиях и будет полезен при планировании исследований динамики сильных взаимодействий в других реакциях и в широкой области энергий.2. Создан беспараметрический метод определения энергии адронов в комбинированном калориметре, который может быть использован для отбора событий на уровне триггера в экспериментах на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) и других ускорителях.3. Создан метод параметризации, учитывающий трехмерную структуру адронного ливня, который в настоящее время использован при создании программы быстрого моделирования и может быть использован для улучшения двух-ливневого разделения и решения других задач калориметрии, требующих интегрирования по объему.4. Предложенные новые методы анализа калориметрической информации, разработанное программное обеспечение и полученные новые результаты исследований характеристик калориметров могут быть полезны при разработке, тестовых испытаниях и калибровке адронных и комбинированных калориметров.На защиту выносятся следующие основные положения.1. Результаты завершенного экспериментального исследования, выполненного с применением разработанных методик и программного обеспечения: дифференциальные сечения реакций тт^ Ве, Си —)• -\- X ж дваждыдифференциальные сечения реакций К'^ -Ь Ее, Си, РЪ К^, 7^*(892)^ X в области фрагментации налетающих мезонов при энергии 11,2 ГэВ. Полученные данные остаются единственными.2. Результаты теоретического анализа процесса адронизации в кварка в ядерной среде.3. Новые методические разработки и полученные на их основе результаты измерения важных характеристик адронного, электромагнитного и комбинированного калориметров эксперимента АТЛАС в пучках заряженных пи11 онов и электронов.4. Результаты экспериментального исследования пространственного развития адронного ливня в железо-сцинтилляционном калориметре.5. Результаты исследования базовых характеристик калориметрического комплекса эксперимента АТЛАС методом моделирования.Диссертация написана на основе завершенных научных работ, выполненных автором в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ИФВЭ (Протвино) , Институте физики H A H Республики Беларусь (Минск) и ЦЕРН ( Ж е нева) в 1980 - 2000 гг. Автору диссертации принадлежит значительный, и в ряде разделов диссертации определяюгций, вклад как в постановку задач, так и в их решение.Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.Первая глава содержит описание установки "Гиперон" и условий проведения эксперимента по исследованию инклюзивных процессов (1) - (2).Разработана и использована система программ анализа информации с установки "Гиперон", учитывающая особенности спектрометра и кинематику изучаемых процессов, обеспечившая быструю и эффективную обработку экспериментальных данных, позволившая рассчитать дифференциальные сечения. Аксептанс установки рассчитывался с использованием метода существенной выборки. В результате анализа спектров 7г''"7г"- и Х'^7г-мезонов получены несмещенные значения масс и К*(892)^.В четвертой главе описан калориметрический комплекс эксперимента АТЛАС и физические требования, предъявляемые к калориметрии. Предложен простой метод реконструкции энергии адронов, учитывающий нескомпенсированность калориметров и потери энергии в "мертвом" веществе.На основе полного моделирования проведено исследование энергетического разрешения и линейности калориметрии эксперимента АТЛАС для пионов с энергией 20 - 1000 ГэВ в широкой области псевдобыстрот. Показано, что калориметрический комплекс обладает необходимыми точностными характеристиками.Пятая глава посвящена описанию цилиндрического железо-сцинтилляционного адронного tile калориметра установки АТЛАС с инновационным продольным расположением детектирующих элементов. Исследованы характеристики 1 м прототипа и модуля О адронного tile калориметра, облученного в пучках пионов и электронов с энергиями от 10 до 300 ГэВ ускорителя SPS ЦЕРН. Показано, что полученное энергетическое разрешение калориметра для одиночных адронов удовлетворяет требованию, предъявляемому к энергетическому разрешению адронных струй калориметрическим комплексом эксперимента АТЛАС. Исследованы продольная и поперечная утечки энергии адронного ливня за пределы калориметра для пионов и их влияние на энергетическое разрешение. Обнаружен эффект улучшения энергетического разрешения калориметра для событий с боковой утечкой энергии адронного ливня. Установлено, что энергетическая линейность адронного калориметра вдоль оси Z составляет 0.7%. Разработан критерий разделения адронов и электронов в адронном калориметре. Исследовано энергетическое разрешение калориметра для электронов и определена его нескомпенсированность.В шестой главе описано детальное исследование поперечного развития адронного ливня с использованием пучка пионов с энергией 100 ГэВ падающего на адронный tile калориметр в диапазоне от —360 до 200 мм по Z координате, а так же продольного развития адронного ливня для пионов в диапазоне энергией от 20 до 300 ГэВ. Показано, что полученные для tile калориметра результаты согласуются с результатами для других калориметров и предсказаниями моделирования. Разработан и применен новый метод для описания поперечного профиля адронного ливня, основанный на трех-экспоненциальной функции для плотности энергии. Создан и применен метод трехмерной параметризации адронного ливня в адронном калориметре, основанный на аналитических формулах для определения параметров адронного ливня.Седьмая глава посвяпдена описанию комбинированного калориметра эксперимента АТЛАС и исследованию его характеристик в пучках пионов и электронов с энергиями от 10 до 300 ГэВ. Наилучпгее энергетическое разрешение получено при использовании весового метода реконструкции энергии. Определена нескомпенсированность комбинированного калориметра и его угловое разрешение. Разработан и применен беспараметрический метод определения энергии адронов в комбинированном калориметре. Создан и применен метод измерения нескомпенсированности электромагнитного калориметра, как супдественной части комбинированного калориметра. Получены энергетические распределения продольного профиля адронного ливня в комбинированном калориметре. Создан и применен новый метод описания продольной плотности энергии адронного ливня в комбинированном калориметре, учитывающий нескомпенсированность его составляющих.В заключении приведены основные результаты диссертации.Изложенные в диссертации материалы докладывались автором на научных семинарах Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ИФ НАНБ (Минск), ИЭФ САН (Кошице); на международных совещаниях сотрудничества Гиперон (1983 - 1989 г.); в ЦЕРН на международных конференциях коллаборации АТЛАС (1995 - 2000 г.); на заседаниях специализированных комитетов ОИЯИ; на международном совещании Беларусь - ЦЕРН по экспериментам на Большом адронном коллайдере (Минск, 1996); на международной конференции "Структура адронов" (Стара-Лесна, Словакия, 1998 г.); на 8-ой (Лиссабон, Португалия, 1999 г.) и 9-ой (Аннси, Франция, 2000 г.) международных конференциях по калориметрии в физике высоких энергий. Цикл работ автора с коллегами по исследованию эффектов экранирования цвета в адрон-ядерных взаимодействиях отмечен первой премией ОИЯИ (1991 г.).Экспериментальные, теоретические и методические исследования, положенные в основу диссертации, выполнены в 1980 - 2000 гг. и опубликованы в авторитетных отечественных и международных научных журналах, трудах конференций, препринтах ОИЯИ и ИФВЭ [28] - [38] и [48] - [62] (26 научных работ).
|
