Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008. - презентация

1 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА-взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» Сотрудничество ИФВЭ – НИИЯФ МГУ – ОИЯИ Рис.1 Схема установки [1] С1, С2 – пучковый стинциляционный и Si-годоскоп; С3, С4 – мишенная станция и вершинный Si-детектор (АМ и ВД); 1, 2, 3 – трековый детектор на минидрейфовых трубках (МД); 4 – пропорциональные камеры магнитного спектрометра (МС); 5 – пороговый черенковский счётчик (ЧС); 6 – сцинтиляционный годоскоп (СГ); 7 – детектор гамма-квантов (ДЕГА) X,Y-разрешение для треков: 7-10 мкм Z-разрешение: для первичной вершины: мкм для вторичной вершины: мкм Разрешение по промаху: ~ 14 мкм Ошибка импульса для трека с р~5 ГэВ/c: 1% Разрешение по эфф. массе: K0: 4.4 МэВ : 1.6 МэВ Si active target 1 mm pitch PbC 25 μm 50 μm X Y U W X Y 10 mm Tracking detectors

2 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Обзор экспериментальных данных: Таблица 1. Экспериментальные данные для сечения рождения D-мезонов в pA-взаимодействиях [4]. ЭкспериментМишень Пучок (ГэВ) _ s N(D 0 ) (соб.) (D 0 ) (мкб/нуклон) N(D + ) (соб.) (D + ) (мкб/нуклон) E769 NA16 NA27 E743 E653 HERA-B Be,Al,Cu,W H 2 Эмульсия C,Ti,W Рис. 2 Зависимость сечения рождения заряженных (слева) и нейтральных (справа) D-мезонов в pA- взаимодействиях от энергии.

3 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Кривые на рис.2 получены параметризацией данных в виде степенной функции: ( s) = P1*( s) P2. Если экстраполировать кривые в область s=11.8 ГэВ, то получаем: (D 0 + Ď 0 )=4.3±2.3 (мкб/нуклон) (D + + D )=1.8±1.0 (мкб/нуклон) Взяв из экспериментальных данных работы [4] значения выходов частиц: Выход (D 0 + Ď 0 ) = 48.7/49.6/2. = 0.49, Выход(D + + D ) = 20.2/49.6/2. = 0.20, получаем оценку для сечения рождения cĉ-пар при нашей энергии: ( cĉ, s=11.8) 4.5 ± 2.5 мкб/нуклон. Таблица 2. Отношения выходов очарованных частиц Отношение выходов Эксперимент HERA-B [4] FRITIOF (70 Гэв) УглеродКремнийСвинец D + / D D* + / D D s + / (D + +D 0 ) D* + / D D* / (D 0 +Ď 0 )

4 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Оценка количества событий с распадами очарованных частиц В эксперименте Е-184 на установке СВД-2 была набрана статистика в 52 млн. соб. Экспериментально установлено, что сечение рождения чарма растет с ростом атомного номера ядер мишени как А, где = [5], в то время как для сечения неупругих рА-взаимодействий =0.7. N(cĉ) = N 0 ( (cĉ)*A 1 )/( ( in (pp)*A 0.7 ), где N 0 – число всех событий, (cĉ) принимаем за 1 мкб, in (pp)=31.44 мб при 70 ГэВ/с [6] Таблица 3. Число ожидаемых событий с распадами D-мезонов и с + -гиперона. РаспадБренчинг [7] УглеродКремнийСвинец Общее число соб. ВыходЧисло событий ВыходЧисло событий ВыходЧисло событий D 0 K Ď 0 K D + K D K с + pK ИТОГО:

5 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Моделирование по программе FRITIOF Разыгрывались рА-взаимодействия с учетом фермиевского движения нуклонов, деформации ядра мишени и многократного перерассеяния. В отобранных minibias событиях рождение кварк-антикварковых пар моделировалось в рамках дипольно- каскадной модели. Для параметров модели использованы значения, в соответствии с результатами e + e - экспериментoв OPAL[7] и CLEO[8], в которых настройка параметров делалась по измеренным спектрам D 0 и Ď 0 - мезонов. Для всех других параметров модели использованы установочные значения программы FRITIOF7.02 Рис.3 Средняя множественность заряженных и нейтральных (K 0 s и 0 ) частиц в первичной вершине (слева) и их средние значения импульсов (справа) для мишеней p, C, Si и Pb. В рА-взаимодействиях средние множественности частиц, примерно, в 2 раза выше для C, Si и в ~3 раза выше для Pb, чем в рр-взаимодействиях.

6 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 а) б) в) Моделирование по программе FRITIOF = 1.9 (C) = 2.3 (Si) = 3.6 (Pb) Рис.4 Число нуклонов ядра, участвующих во взаимодействии для мишеней из: ( – C, – Si, - Pb) Рис.5 а) Полный заряд в первичной вершине для мишеней из углерода, кремния и свинца; б) Зависимость средней величины от числа взаимодействующих нуклонов ядра; в) Зависимость от числа заряженных частиц. В случае рА-взаимодействий интересной характеристикой событий, которая помогает экспериментально проверить предсказания модели, является величина суммарного заряда частиц в первичной вершине (Q tot). Для рр-взаимодействия она равна 2. Но, когда во взаимодействии участвуют несколько нуклонов ядра, как протонов, так и нейтронов, то полный заряд частиц в первичной вершине принимает положительные значения от 1 и выше.

7 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Моделирование регистрации событий. Программа GEANT3.21. Геометрия чувствительных элементов и пассивных конструкций установки моделировалась согласно чертежам, реальным метрологическим измерениям и анализа alignmentа по восстановлению прямых треков. Значения величин напряженности магнитного поля задавались измеренной картой, которая используется при обработке экспериментальных данных. Координаты точки рА-взаимодействия. Вычислялась вероятность взаимодействия в данной пластинке АМ с учетом ее толщины и значения ядерной длины вещества. Сумма вероятностей всех семи пластинок нормировалась на 1, при этом учитывались условия экспериментального триггера. Используя генератор случайных чисел, равномерный в интервале [0,1], определялся номер пластинки, в которой произошло взаимодействие. Продольная координата Z задавалась положением центра пластинки АМ и смещением равномерно по толщине данной пластинки. Поперечные координаты (x, y) задавались профилем пучка, полученным из экспериментальных данных. Кинематика частиц в точке взаимодействия определялась данными, полученными в программе FRITIOF7.02, с учетом вида вещества АМ. Использовались три файла с взаимодействиями на углероде, кремнии и свинце. Распад нестабильных частиц осуществлялся непосредственно при работе программы GEANT. Для очарованных мезонов задавалась определенная мода распада. При прохождении частицы через ВД производился учет размытия заряда по стрипам, внесение шума в каждый канал согласно экспериментальным данным, обрезание амплитуд, использовавшемуся при сборе данных в эксперименте. При формировании хитов в МС учитывались экспериментально полученные эффективности срабатывания пропорциональных проволочных камер.

8 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Моделирование регистрации событий. Фильтрация и геометрическая реконструкция. Процедуры системы обработки данных: фильтрация данных вершинного детектора (ВД) и отбор событий с вторичной вершиной вблизи точки взаимодействия, кандидатов в события с рождением чарма. Для этого применяется метод анализа в пространстве параметров треков {a,b} [2]; геометрическая реконструкция событий в магнитном спектрометре (МС) и определение импульса заряженных частиц; анализ событий, в том числе и кинематический. Рис.6 Координата точки взаимодействия вдоль пучка (мм) для экспериментальных событий (сплошная линия) и МК событий (штриховая линия)

9 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 а) б) Моделирование регистрации событий. Фильтрация и геометрическая реконструкция. Рис.7 Сравнение предсказаний программы FRITIOF ( линия) с экспериментальными данными ( – C, – Si, - Pb): а) распределение по множественности заряженных частиц в первичной вершине; б) импульсное распределение заряженных частиц.

10 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Моделирование регистрации событий. Фильтрация и геометрическая реконструкция. Рис.8 Зависимость среднего значения полного заряда в первичной вершине от числа восстановленных в магнитном спектрометре (МС) треков. Зависимость от числа треков после геометрической реконструкции в МС отличается от зависимости показанной на рис.5в, т.к. не все треки удается восстановить из-за аксептанса установки и эффективности восстановления трека в МС. Q tot = Ntr(+) – Ntr(–) = – ε = / ε(+) = ε(–) = ε

11 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Моделирование регистрации событий. Регистрация K 0 s-мезонов. FRITIOF+GEANT: 540 тыс. событий, из них 100 тыс. событий с K 0 s. Критерии отбора событий (=апертура): 1) число заряженных треков > 3; 2) расстояние между первичной вершиной и вершиной K 0 s > 0.5 мм; 3) Z-координата K 0 s < 35 мм, 4) треки от распада K 0 s должны попадать в последнюю плоскость ВД. Из 100 тыс. событий с K 0 s только 2674 (=3%) удовлетворяют этим условиям. Быстрый фильтр по данным ВД: событий с V 0. Критерии отбора для V 0 : - трек от V 0 должен иметь промах относительно первичной вершины, b/ b >2; - два трека от V 0 пересекаются в одной пространственной точке, 2 3; - модифицированный критерий Армантероса-Подолянского [3]. Геометрическая реконструкция треков в МС: 1313 событий. Спектр эффективных масс системы ( + ): K 0 s. Фит сигнала функцией Лоренца и фона полиномом 2-й степени: масса K 0 s = МэВ (табличное значение – МэВ), ширина пика на полувысоте Г=7.4 МэВ. Эффективность процедур быстрого фильтра и геометрической реконструкции событий с распадом K 0 s равна =317/2674=0.12. 3; 2) расстояние между первичной вершиной и вершиной K 0 s > 0.5 мм; 3) Z-координата K 0 s < 35 мм, 4) треки от распада K 0 s должны попадать в последнюю плоскость ВД. Из 100 тыс. событий с K 0 s только 2674 (=3%) удовлетворяют этим условиям. Быстрый фильтр по данным ВД: 59268 событий с V 0. Критерии отбора для V 0 : - трек от V 0 должен иметь промах относительно первичной вершины, b/ b >2; - два трека от V 0 пересекаются в одной пространственной точке, 2 3; - модифицированный критерий Армантероса-Подолянского [3]. Геометрическая реконструкция треков в МС: 1313 событий. Спектр эффективных масс системы ( + ): 317 19 K 0 s. Фит сигнала функцией Лоренца и фона полиномом 2-й степени: масса K 0 s = 497.5 МэВ (табличное значение – 497.6 МэВ), ширина пика на полувысоте Г=7.4 МэВ. Эффективность процедур быстрого фильтра и геометрической реконструкции событий с распадом K 0 s равна =317/2674=0.12.">

12 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Моделирование регистрации событий. Регистрация K 0 s-мезонов. Рис.9 а) Спектр эффективных масс системы ( + ) для МК событий; б) импульс и в) X f восстановленных K 0 s. б) в) a)

13 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Регистрация K 0 s-мезонов. Экспериментальные данные экспериментальных событий Фильтр: события с V0 Геометрической реконструкции треков в МС: 2495 с полностью восстановленным V0 Число K 0 s: , масса: МэВ, ширина на полувысоте: Г=12 МэВ Аппаратный коэфф.: (K ap =N GEANT N Exp ) = 2.7 Рис.10 Спектр эффективных масс системы ( + ) для экспериментальных событий. Рис.11 Распределение по импульсу (а) и переменной Xf (б) восстановленных K 0 s для МК событий (сплошная линия) и экспериментальных событий (черные точки).

14 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 в) б) д) е) г) ж) а) Моделирование регистрации событий. Регистрация D 0 -мезонов. D 0K + ( соб.), Br=3.8% В апертуре: событий (=28%) После фильтра: событий с V 0 После «геометрии»: 5951 событие В пике: D 0 Масса=1864 МэВ, Г=33 МэВ, =18.2 ГэВ/с, = 6.9 C = 7.3 Si = 7.9 Pb Эфективность фильтр+геометрия: 13% Эффективность регистрации событий с распадом D0: 3.7% Рис.12 а) Спектр эффективных масс системы (K + ); б) импульс, в) X f, г) длина пробега всех и восстановленных D 0 (заштриховано); эффективность регистрации D 0 в зависимости от импульса (д), Xf (е) и длины пробега (ж).

15 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 б) д) в) е) г) ж) а) Моделирование регистрации событий. Регистрация Ď 0 -мезонов. Ď 0K + ( соб.), Br=3.8% В апертуре: событий (=13%) После фильтра: событий с V 0 После «геометрии»: 3433 событие В пике: Ď 0 Масса=1866 МэВ, Г=36 МэВ, =18.5 ГэВ/с, = 6.6 C = 7.0 Si = 7.6 Pb Эфективность фильтр+геометрия: 12% Эффективность регистрации событий с распадом Ď 0 : 1.6% Рис.13 а) Спектр эффективных масс системы (K + ); б) импульс, в) X f и г) длина пробега всех и восстановленных Ď 0 (заштриховано); эффективность регистрации Ď 0 в зависимости от импульса (д), Xf (е) и длины пробега (ж).

16 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 K0K0 0 D0D0 PTPT Выделение событий с возможным распадом D 0 -мезонов. Основные критерии отбора: 1)расстояние между первичной вершиной и вершиной V 0 должно быть больше 0.5 мм; 2)распадные треки V 0 -частицы должны иметь промах по отношению к первичной вершины, а общий трек должен смотреть в нее; 3)эффективная масса системы (K ) должна лежать в области ±0.5 ГэВ от табличного значения массы D 0 (=1.865 ГэВ); 4)импульс системы (K ) должен быть больше 10 ГэВ/с; 5)поперечный импульс распадной частицы по отношению к направлению движения системы (K ) должен быть больше 0.3 ГэВ/с, что вытекает из анализа критерия Армантероса- Подолянского и условия подавления фона от распада нейтральных каонов и 0 -гиперонов; 6)из двух гипотез (K + ) и (K + ) отбиралась та, у которой значение эффективной массы ближе к табличному значению массы D 0 -мезона; 7)V 0 удовлетворяет критериям физ. просмотра. Рис. 14 Армантероса-Подолянского плот для K 0, 0 и D 0. =(P L + P L ) (P L + + P L ) Рис. 15 Пример события с V 0 частицей.

17 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Выделение событий с возможным распадом D 0 -мезонов. Рис.16 Спектры эффективной массы системы (K ) до (слева) и после (справа) физического просмотра. Рис.17 Распределения (сверху вниз) по длине пробега, импульсу и переменной Фейнмана (x f ) системы (K ). Источники фона: 1)незнание alignmentа и маг. поля; 2)внутренний фон от распада чарма. 3)наличие фоновых частиц; Результат фита прямой и Гауссом данных после физ. просмотра дает для D 0 значение массы 1861 МэВ/с 2 и ширину распределения =21 МэВ/с 2. Отношение сигнал / шум равно (51±17) / (38±13). Область масс: M D ±3 Спектры для (K + ) и (K + ) систем объединены

18 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Оценка сечения рождения чарма. Рис.18 Распределение по множественности заряженных частиц в первичной вершине для экспериментальных событий, полученных с пучковым триггером (красная линия) и триггером на множественность > 3 (синие точки). Имеем: бренчинг распада D 0 K : Br =0.038 [6] выход D 0 = 49% [4] число событий в сигнале: N reg = 51 эффективность регистрации: = ( )/51=0.025 [3] предсказания для числа событий без учета K trig и (cĉ)=1 мкб: N pred =243 [3] коэффициент триггирования K trig = 0.74 (см. рис.18) аппаратный коэффициент K ap = 2.7 [3] интегральная светимость: L int = [5] среднее значение А 0.3 = 4.0 Способ 1: (cĉ)= K ap ( N reg / ) / (N pred / K trig ) = 16.7 (мкб/нук.) Способ 2: (D) = K ap Nreg(D) / (Br L int ) / (А 0.3 ) = 15.7 (мкб/нук.) (cĉ)= (D) / 0.49 /2. = 16.0 (мкб/нук.) Ошибки: N reg =34%, = 3%, K trig = 6%, K ap = 11% (cĉ) = 34% стат. 20% сист. 3 (синие точки). Имеем: бренчинг распада D 0 K : Br =0.038 [6] выход D 0 = 49% [4] число событий в сигнале: N reg = 51 эффективность регистрации: = (0.038 21+0.016 30)/51=0.025 [3] предсказания для числа событий без учета K trig и (cĉ)=1 мкб: N pred =243 [3] коэффициент триггирования K trig = 0.74 (см. рис.18) аппаратный коэффициент K ap = 2.7 [3] интегральная светимость: L int = 2.3 10 33 [5] среднее значение А 0.3 = 4.0 Способ 1: (cĉ)= K ap ( N reg / ) / (N pred / K trig ) = 16.7 (мкб/нук.) Способ 2: (D) = K ap Nreg(D) / (Br L int ) / (А 0.3 ) = 15.7 (мкб/нук.) (cĉ)= (D) / 0.49 /2. = 16.0 (мкб/нук.) Ошибки: N reg =34%, = 3%, K trig = 6%, K ap = 11% (cĉ) = 34% стат. 20% сист.">

19 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Заключение В результате анализа данных эксперимента Е-184 на установке СВД-2 по распаду нейтральных D-мезонов, была получена оценка сечения рождения чарма в рА- взаимодействиях при пороговой энергии 70 ГэВ: (cĉ)=16.4 ± 5.6 ± 3.3 (мкб/нуклон). Выполненная работа имеет важное значение, т.к. до сих пор нет надежных данных по сечению образования чарма в рА-взаимодействиях при пороговой энергии, которые необходимы для проверки теоретических моделей описания таких процессов. К сожалению статистика эксперимента Е-184 не позволяет уменьшить ошибки в вычислениях значения сечения. Необходимо увеличение статистики в будущих сеансах. Литература: 1. Боголюбский М.Ю и др., Пр. ИФВЭ 96-98, Киряков А.А. и др., Препринт ИФВЭ 2005 – Воробьев А.П. и др., Пр.ИФВЭ , S. Kupper, Charm production in 920 GeV proton-nucleus interactions, 5. SVD collaboration, arXiv: v2arXiv: v2 6.Particle Data Group, W.-M. Yao et al., Journal of Physics G 33, 1 (2006) 7. The OPAL Collaboration Zeit. fur Physik C72 (1996) G.S. Huang, et al. Phys. Rev. Lett. 94, (2005)

20 Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рА- взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.» ИФВЭ, Протвино декабрь, 2008 Авторы посвящают эту работу светлой памяти Ермолова Павла Фёдоровича