Измерение энергии пучка ускорителя ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации

Понимание фундаментальных законов природы невозможно без проведения экспериментов. В физике элементарных частиц наиболее важным является определение массы элементарной частицы, её спина, заряда и других параметров. Эксперименты в физике элементарных частиц, как и положено в квантовой механике, проводятся по следующей схеме: приготовление начального состояния системы, затем происходит её свободная квантоме-ханическая эволюция и, наконец, измерение её конечного состояния [1]. В экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках приготовление начального состояния осуществляется при помощи ускорителя, затем, после свободной эволюции системы (столкновения), измерение конечного состояния системы выполняется детектором элементарных частиц. Чем лучше известно начальное состояние сталкивающихся частиц, тем более определённо конечное состояние системы. Главными характеристиками описывающими состояние сталкивающихся частиц являются их энергия, импульс и поляризация. Поэтому измерение энергии частиц имеет первостепенное значение для прецизионного определения их масс. Диссертационная работа посвящена калибровке энергии пучков сталкивающихся частиц в ускорителе.

В настоящее время в Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН) ведутся эксперименты с универсальным магнитным детектором КЕДР [2] на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М [3]. Кол-лайдер ВЭПП-4М состоит из бустерного накопителя ВЭПП-3 с энергией от 0.5 ГэВ до 2 ГэВ и основного кольца с энергией пучка от 1 до 5.5 ГэВ. Физическая программа детектора нацелена на изучение Фи Т-мезонов и двухфотонной физики, а также на измерение массы т-лептона.

Прецизионное измерение масс узких резонансов Ф и Т семейства дает возможность проверить ряд теоретических моделей квантовой хромодина-мики, предсказывающих значения масс этих частиц, создает прецизионные реперы в энергетической шкале ускорителей, работающих в области энергии от 1-го до 5.5 ГэВ. Точность измерения масс ограничена точностью определения энергии пучков и составляла (1 -=-5) х Ю-5 в предыдущих экспериментах [4−7]. Для увеличения точности в несколько раз, необходима калибровка энергии пучков с точностью 106.

Значение массы т-лептона вместе с его временем жизни и вероятностью распада в evv может быть использовано для проверки гипотезы лептонной универсальности [8] — одного из постулатов Стандартной модели элементарных частиц. Табличное значение массы тт = 1777.99ig- 2б МэВ до недавнего времени определялось лишь одним экспериментом коллаборации BES [9]. Поэтому требовалось новое независимое измерение массы т-лептона.

Таким образом, всё вышеперечисленное подчеркивает важность прецизионного измерения энергии сталкивающихся пучков с точностью 10б (1 кэВ) на ускорителе ВЭПП-4М. Самым точным методом измерения энергии релятивистских пучков является метод резонансной деполяризации [10]. Целью данной работы является создание системы прецизионного измерения энергии пучка ускорителя методом резонансной деполяризации для для проведения экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М.

Основные результаты выносимые на защиту.

1. Создана система регистрации тушековских электронов поляриметра ВЭПП-4М, предназначенная для прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации со скоростью счёта около 1 МГц.

Деполяризационный эффект определяется с достоверностью до 70 стандартных отклонений. Система позволяет проводить многократные калибровки энергии на одном пучке и исключить потенциально опасные источники систематических ошибок в измерении энергии.

2. Создана система сбора данных и программное обеспечение для автоматизации процесса калибровки энергии методом резонансной деполяризации. Впервые в мире процесс калибровки энергии был полностью автоматизирован. За время экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М проведено более 3500 калибровок энергии, что превышает суммарное число измерений энергии, проведенных в мире, с использованием этого метода.

3. Проведён анализ систематической ошибки в измерении частоты прецессии спина. Относительная ошибка измерения энергии для однократной калибровки энергии составляет 0.9×106 (2 кэВ), что в несколько раз лучше точности, достигнутой ранее методом резонансной деполяризации.

4. Выполнен численный расчёт скорости счета частиц внутрисгусткового рассеяния и величины деполяризационного эффекта в двумерном релятивистском приближении по модели Байера-Каткова-Страховенко.

5. Измерена интенсивность внутрисгусткового рассеяния в диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

6. Развита методика интерполяции энергии пучка ВЭПП-4М между калибровками энергии методом резонансной деполяризации с использованием измеряемых параметров ускорителя. Достигнута точность (8-г-15) • 10~6 (15 -ь 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

7. Проведён цикл прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М, в которых для измерения энергии пучка использовался тушековский поляриметр. С лучшей в мире точностью в них измерены массы J/ф-, ф (23)~, ф{3770)-, 1)±мезонов и т-лептона.

Основные результаты настоящей работы.

1. Создана система регистрации тушековских электронов поляриметра ВЭПП-4М, предназначенная для прецизионного измерения энергии пучка методом резонансной деполяризации со скоростью счёта около 1 МГц. Деполяризационный эффект определяется с достоверностью до 70 стандартных отклонений. Система позволяет проводить многократные калибровки энергии на одном пучке и исключить потенциально опасные источники систематических ошибок в измерении энергии.

2. Создана система сбора данных и программное обеспечение для автоматизации процесса калибровки энергии методом резонансной деполяризации. Впервые в мире процесс калибровки энергии был полностью автоматизирован. За время экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М проведено более 3500 калибровок энергии, что превышает суммарное число измерений энергии, проведенных в мире, с использованием этого метода.

3. Проведён анализ систематической ошибки в измерении частоты прецессии спина. Относительная ошибка измерения энергии для однократной калибровки энергии составляет 0.9×10~6 (2 кэВ), что в несколько раз лучше точности, достигнутой ранее методом резонансной деполяризации.

4. Выполнен численный расчёт скорости счета частиц внутрисгусткового рассеяния и величины деполяризационного эффекта в двумерном релятивистском приближении по модели Байера-Каткова-Страховенко.

5. Измерена интенсивность внутрисгусткового рассеяния в диапазоне энергий от 1.85 до 4 ГэВ.

6. Развита методика интерполяции энергии пучка ВЭПП-4М между калибровками энергии методом резонансной деполяризации с использованием измеряемых параметров ускорителя. Достигнута точность (8 15) • 10~6 (15 -т- 30 кэВ) в зависимости от режима работы ускорителя.

7. Проведён цикл прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на ускорителе ВЭПП-4М, в которых для измерения энергии пучка использовался тушековский поляриметр. С лучшей в мире точностью в них измерены массы З/ф-, ф (28)-, ф (3770)-, Х)±мезонов и т-лептона.

В заключение автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю В. Е. Блинову за предложение принять участие в работе по калибровке энергии ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации, а также всестороннюю поддержку и чуткое руководствоС.А. Никитину за плодотворную совместную работу, в особенности за всё, что касается поляризации частиц и внутрисгусткового рассеянияГ.М. Тумайкину за основополагающий вклад в данную работуA.C. Старостину и А. И. Микайылову за создание системы регистрацииВ.М. Страховенко за прояснение теории внутрисгусткового рассеянияГ.В. Карпову и Е. И. Шубину за создание системы измерения магнитного поля по ЯМР и синтезатор частотыН.И. Зи-невичу и В. П. Черепанову за создание деполяризатораВ.А. Киселёву за создание соленоида для сохранения поляризации позитроновA.B. Богомяг-кову за вычисление энергии пучков в системе центра масс, а также за обес.

Заключение

.