Оглавление
Оглавление 2
Введение 5
1 Рождение и распады очарованных адронов 10
1.1 Рождение с-кварка в пертурбативной КХД ................ 10
1.1.1 Лидирующий порядок теории возмущений.................... 11
1.1.2 Поправки следующих порядков............................. 13
1.1.3 Глюонный обмен в t-канале............................... 14
1.2 Фрагментация с-кварка в очарованные адроны................... 16
1.3 Эффективная теория тяжелого кварка............................ 18
1.3.1 Лагранжиан эффективной теории тяжелого кварка 18
1.3.2 Использование эффективной теории тяжелого кварка для
вычисления сечений рождения очарованных мезонов в е+е” аннигиляции............................................. 21
1.4 Распады очарованных мезонов................................... 23
1.4.1 Лептоиные распады....................................... 23
1.4.2 Полулептонные распады................................... 24
2 Экспериментальный обзор 26
2.1 Рождение очарованных мезонов в е+е” аннигиляции............... 26
2.2 Лептониые распады очарованных мезонов......................... 29
2.3 Полулептонные распады очарованных мезонов..................... 30
3 Экспериментальная установка 32
3.1 Коллайдер КЕКВ................................................ 32
3.2 Детектор Belle................................................ 34
2
Оглавление 3
3.2.1 Вершинный детектор..................................... 35
3.2.2 Дрейфовая камера.......................................... 37
3.2.3 Аэрогелевый детектор Черепковского излучения........... 39
3.2.4 Система измерения времени пролета частиц............... 40
3.2.5 Электромагнитный калориметр............................ 40
3.2.6 Мюонная система........................................ 42
3.2.7 Триггерная система..................................... 42
3.2.8 Идентификация заряженных треков ............................ 43
3.2.9 Моделирование детектора................................ 45
4 Измерение сечения процесса е+е~ —► 47
4.1 Метод.............................................................. 47
4.2 Отбор событий...................................................... 48
4.3 Монте Карло моделирование сигнальных событий....................... 49
4.4 Изучение процессов с+е” —> В*+В*” и е+е“ —> В+В*”.................. 54
4.4.1 Оценка фона для процесса е+е~ —* В*+В*~...................... 54
4.4.2 Угловой анализ и определение сечения процесса
е+е- -> £•+£>*-............................................ 59
4.4.3 Оценка фона для процесса е+е" -» В+В*-................. 61
4.4.4 Угловой анализ и определение сечения процесса е+е~ —♦ В+В*~ 65
4.4.5 Определение сечения без учета поляризаций В*-мезоиов в конечном состоянии 67
4.4.6 Изучение систематических ошибок........................ 73
4.5 Изучение процесса е+е" —> В+В~..................................... 74
4.5.1 Измерение сечения...................................... 74
4.5.2 Изучение систематической ошибки........................ 76
4.6 Выводы и обсуждение результатов.................................... 77
5 Метод изучения полулептонных распадов В-мезонов 81
5.1 Метод.............................................................. 81
5.2 Отбор событий...................................................... 83
5.3 Измерение абсолютных вероятностей распадов В0 —► К~(п~)£+1/ . . 84
5.4 Измерение форм-факторов В —» К(п) переходов........................ 87
Заключение 89
Оглавление 4
Благодарности 91
Список иллюстраций 91
Список таблиц 95
Список литературы 97
Введение
Идея существования с-кварка, впервые была высказана в 1964 году [1], что позволило достичь симметрии между известными на тот момент лептонами и кварками. Шесть лет спустя появилась теоретическая статья Глэшоу, Иллиопулоса и Майами [2). В ней с помощью введения с-кварка было дано теоретическое объяснение малой разности масс К s и Я^-мезонов и малой вероятности распада Кь —>
В 1974 году одновременно на двух ускорителях в США (на протонном синхротроне в Брукхевепе и на электрон-позитронном коллайдере в Стэнфорде) был открыт новый мезон с массой около 3.1 ГэВ/с2. Каждая экспериментальная группа дала мезону свое название. Коллаборация из Брукхевена, возглавляемая С. Тин-гом, назвала ее J [3], а Стэмфордская группа во главе с Б. Рихтером дала вновь открытой частице название тр [4]. Таким образом, за новым мезоном закрепилось двойное название J/ф. В настоящее время надежно установлено, что J/ф — это векторный мезон, являющийся основным состоянием пары из с и с-кварков. Поскольку J/ф содержит одновременно и с и с кварки и, таким образом, не несет очарования, он получил название мезона со “скрытым очарованием”.
Два года спустя были открыты мезоны с “открытым очарованием”, содержащие только один очарованный кварк, получившие название D°, D+ и D8-мезонов1 Скалярные мезоны D0 и D+ (основные состояния2 пар кварков ей и cJ, соответственно) были открыты в 1976 году [5, 6] в эксперименте MARK I на ускорителе SPEAR. Основное состояние es, получившее название D+ мезон, было впервые обнаружено в 1983 году в канале распада D* —> 07г+ [7] на установке CLEO [8|. Вскоре это открытие было подтверждено группами TASSO [9] и ARGUS [10], причем коллаборация ARGUS восстановила этот мезон не только в канале распада
lDs-мезон, представляющий собой связанное состояние пары с и кварков, первоначально обозначался буквой F.
2В дальнейшем для обозначения lSi и ^-состояний пары кварк-антикварк cq, где q - легкий антикварк (û, d, s) будет использоваться термин “основное состояние”.
Введение
6
Dg —* фк+, но и в канале D+ —► <^7г+7г_7г+.
Векторные мезоны3 D*+ и D*0, открытые в 1976 году на установке MARK I [11], могут распадаться как за счет сильного взаимодействия D* —> Dn> так и посредством электромагнитного D* —> D7. Для системы es кварковая модель предсказывает векторное состояние DJ, аналогичное состоянию D* для системы cü(d). Распад DJ-мезона на псевдоскалярный Д,-мезон и пион нарушает закон сохранения изотопического спина, поскольку начальное состояние обладает нулевым изоспином, а конечное за счет изоспина пиона имеет 1 = 1. Однако, распады нарушающие закон сохранения изоспина не запрещены абсолютно, хотя их вероятность очень мала. К увеличению относительной вероятности распада DJ+ —> D+7Г° приводит подавление основного канала распада DJ+ —► Df 7 в силу деструктивной интерференции двух процессов. Радиационный распад DJ —► D+7 был впервые зарегистрирован группой ARGUS [12]. В 1995 коллаборация CLEO обнаружила распад D*+ —> D+7Г° [13], относительная вероятность которого оказалась значительно меньше, чем вероятность радиационного распада.
Для возбужденных состояний очарованных мезонов с орбитальным моментом L = 1 предсказывается существование триплета состояний, соответствующего сумме орбитального момента L = 1 и спина 5 = 1 системы cq, и синглета, соответствующего сумме L = 1 и s = 0 системы cq. Согласно спиновой симметрии тяжелых кварков, свойства Р-волновых мезонов (L = 1) определяются, в основном, полным угловым моментом легкого кварка: jq = L + sqy где sq — спин легкого кварка. В пределе бесконечно тяжелого очарованного кварка эти четыре состояния (триплет и синглет) образуют два дублета с jq = 1/2 и jq = 3/2 соответственно. Р-волновые мезоны распадаются, в основном, двухчастично: D** —> Dh и D\' -» D^K. В этом случае законы сохранения углового момента и четности определяют для каждого состояния разрешенные каналы распада и разрешенные волновые состояния [14, 15]. Члены дублета jq =1/2 могут распадаться в 5-волне и, таким образом, являются широкими, в то время как состояния с jq = 3/2 распадаются только через D-волну и, следовательно, являются узкими (Г ~ 20МэВ/с2). Все шесть ожидаемых узких состояний (jq = 3/2) были зарегистрированы в экспериментах ARGUS (16,17, 18, 19, 20, 21, 22] и CLEO [23, 24, 25, 26, 27, 28]. Широкие состояния cq, q = uyd с jq = 1/2 были открыты коллаборацией Belle в 2004 году [29]. В 2003 году коллаборация ВаВаг обнаружила узкий пик в зависимости
3 Состояния 3$i пар cd пей.
Введение
7
числа реконструированных D+n° комбинаций от инвариантной массы [30]. Узкое состояние, распадающееся на D]iг°, было вскоре зарегистрировано коллаборацией CLEO [31]. Дня этих es состояний с jq = 1/2 распад на D^K запрещен по закону сохранения 4-импульса. Для них основной модой является изоспин-нарушающий процесс DJ* —> что является причиной малой ширины этих резонансов.
Более подробно ознакомиться с историей открытия очарованных частиц можно, например, в [32].
Таким образом, в настоящее время экспериментально наблюдались все состояния очарованных мезонов со значениями углового момента L = 0,1. Тем не менее теоретическое описание процессов рождения очарованных мезонов все еще требует уточнения. Если рождение с-кварка в е+е“-анпинигиляции или при распаде 6-кварка удовлетворительно описывается в рамках пертурбативной КХД или электрослабой теории, то последующая адронизацня поддается только феноменологическому описанию.
Долгое время загадку представляли собой времена жизни очарованных мезонов. Теоретические оценки, базирующиеся, в основном, на спектаториых моделях предсказывают сравнимые времена жизни всех очарованных адронов, в то время как эксперимент показывает, что, например, £)+-мезон живет примерно в 10 раз дольше чем Пс-барион и в 2.5 раза дольше чем 1>0-мезон. Тщательное изучение этой проблемы привело к отказу от наивных спектаториых моделей слабого распада и осознанию необходимости учета интерференции конечных состояний и диаграмм W-обмена для описания распадов очарованных частиц.
Темой диссертации является обнаружение и измерение сечения процесса двухчастичного рождения пар очарованных мезонов е+е” аннигиляции, поляризации Л*-мезоиов в конечном состоянии в этих процессах, а также разработка метода восстановления процессов двухчастичного рождения очарованных мезонов и его использование для изучения полулетпонных распадов D-мезонов.
Экспериментальные данные, использованные для анализа, получены на установке Belle [33, 34], работающей на асимметричном е+е"-коллайдере КЕКВ [35] (Япония, г. Цукуба) при энергии рождения Т(45)-резоианса и в контрольной области на ЗОМэВ/с2 ниже порога рождения В В пар.
На защиту выносятся следующие вопросы:
1. Первое обнаружение процессов двухчастичного рождения очарованных ме-
Введение
8
30II0B е+е~ —► DW+jD^“, результаты измерений сечений этих процессов и поляризации D*-мезонов в конечном состоянии.
2. Оригинальный метод использования разности масс отдачи для неполного восстановления двухчастичных процессов рождения узких резонансов в е+е“ аннигиляции.
3. Использование метода частичного восстановления процесса е+е“ —> £(♦)+£>(*)- для измерения форм-факторов D К(п) переходов в полулеп-тонных распадах D-мезонов.
Основные материалы диссертации опубликованы в работах [36, 37]. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях международного сотрудничества Belle, а также многочисленных международных конференциях, включая EPS 2003 (г. Аахен, Германия) [38], DIS 2004 (Штребске Плесо, Словакия) [39], ICHEP 2006 (г. Москва, Россия).
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Первая глава содержит обзор современных теорий, описывающих рождение очарованных мезонов. Приведены основные положения иертурбативной КХД, фрагментационных моделей и низкоэнергетических эффективных теорий. В частности, рассматриваются предсказания счения двухчастичного рождения очарованных мезонов, сделанные в рамках эффективной теории тяжелого кварка.
Во второй главе приведен обзор экспериментальных работ, посвященных изучению рождения очарованных мезонов в е+е”-аннигиляции. Приведены последние измерения функций фрагментации D^-мезонов, выполненные сотрудничеством Belle. Также описываются измерения лептониых и полулептонных распадов D-мезонов. Приводятся методы извлечения форм-факторов D —> К(я) переходов и вакуумных констант /я+ и fD+.
В третьей главе представлены характеристики асимметричного е+е~-коллайдера КЕКВ, детектора Belle, а также процедура идентификации частиц и процесса моделирования событий методом Монте Карло.
Четвертая глава посвящена обнаружению процесса е+е" —► dM+dW- при
10.6 ГэВ. Приведены результаты первого измерения сечения этого процесса и измерения поляризации очарованных мезонов в конечном состоянии. Изложена оригинальная методика неполного восстановления двухчастичных процессов рождения адронов в е+е~ столкновениях; использование специальной переменной —
- Київ+380960830922