PPT - ИФВЭ

"Регистрация рождения и распада очарованных
мезонов в рА-взаимодействиях при 70 ГэВ на
установке СВД-2.»
Сотрудничество ИФВЭ – НИИЯФ МГУ – ОИЯИ
Tracking detectors
50 μm
Si active target 25 μm
1 mm pitch
Pb C
10 mm
XY
XY
XY
X,Y-разрешение для треков: 7-10 мкм
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)
U W X Y
Z-разрешение:
для первичной вершины: 70-130 мкм
для вторичной вершины: 200-300 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
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях 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].
Эксперимент
Мишень
E769
NA16
NA27
E743
E653
HERA-B
Be,Al,Cu,W
H2
H2
H2
Эмульсия
C,Ti,W
Пучок
(ГэВ)
250
360
400
800
800
920
_
s
22.4
26.8
28.3
40.0
40.0
43.0
N(D0)
(соб.)
136
5
98
10
108
175
(D0)
(мкб/нуклон)
12.03.8
20.416.
18.32.5
22. 14.
39. 15.
48.710.6
N(D+)
(соб.)
159
10
119
46
18
130
(D+)
(мкб/нуклон)
6.61.4
10.64.8
11.91.5
26. 10.
31. 22.
20.24.9
Рис. 2 Зависимость сечения рождения заряженных (слева) и нейтральных (справа) D-мезонов в pAвзаимодействиях от энергии.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях 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:
(D0+ Ď0)=4.3±2.3 (мкб/нуклон)
(D++ D)=1.8±1.0 (мкб/нуклон)
Взяв из экспериментальных данных работы [4] значения выходов частиц:
Выход (D0+ Ď0) = 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)
Углерод
Кремний
Свинец
D+ / D0
0.41  0.1
0.51
0.51
0.5
D*+ / D0
0.44  0.16
0.52
0.52
0.57
Ds+ / (D++D0)
0.27  0.14
0.08
0.10
0.11
D*+ / D+
1.07  0.4
0.9
0.9
1.1
D* / (D0+Ď0)
0.43  0.1
0.53
0.54
0.56
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях 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 =1.010.03 [5], в то время как для сечения неупругих рА-взаимодействий =0.7.
N(cĉ) = N0 ((cĉ)*A1)/( (in(pp)*A0.7),
где N0 – 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.
Распад
Бренчинг
[7]
D0K+
Ď0K+
D+K++
DK+
с+pK+
ИТОГО:
0.038
0.038
0.095
0.095
0.050
Углерод
Выход
Число
событий
0.480
10
0.599
11
0.278
15
0.281
15
0.182
5
1.82
56
Кремний
Выход
Число
событий
0.511
39
0.586
46
0.286
55
0.272
52
0.125
13
1.78
205
Общее
Свинец
число
Выход
Число соб.
событий
0.546
67
116
0.578
70
127
0.285
86
156
0.280
85
152
0.076
11
29
1.77
319
580
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование по программе FRITIOF 7.02.
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 дипольнокаскадной модели. Для параметров
модели
использованы
значения,
в
+

соответствии
с
результатами
eeэкспериментoв OPAL[7] и CLEO[8], в
которых настройка параметров делалась
по измеренным спектрам
D0
и Ď0мезонов. Для всех других параметров
модели
использованы
установочные
значения программы FRITIOF7.02
Рис.3 Средняя множественность заряженных и
нейтральных (K0s 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.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование по программе FRITIOF 7.02.
Рис.4 Число нуклонов ядра, участвующих во
взаимодействии для мишеней из:
<Nнукл> = 1.9 (C)
= 2.3 (Si)
= 3.6 (Pb)
а)
(● – C, ■ – Si, ▲- Pb)
В случае рА-взаимодействий интересной характеристикой
событий, которая помогает экспериментально проверить
предсказания модели, является величина суммарного заряда
частиц в первичной вершине (Qtot). 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.
б)
в)
Рис.5 а) Полный заряд в первичной вершине для мишеней из углерода, кремния и свинца;
б) Зависимость средней величины <Qtot> от числа взаимодействующих нуклонов ядра;
в) Зависимость <Qtot> от числа заряженных частиц.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях 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 alignment’а 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.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях 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)
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование регистрации событий.
Фильтрация и геометрическая реконструкция.
а)
б)
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.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование регистрации событий.
Фильтрация и геометрическая реконструкция.
Зависимость <Qtot> 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.
Qtot= Ntr(+) – Ntr(–)
<Qtot>= <Ntr(+)> – <Ntr(–)>
ε = <Ntr(изм)> / <Ntr(вх)>
ε(+) = ε(–)
<Qtot(изм)> = ε • <Qtot(вх)>
Рис.8 Зависимость среднего значения полного заряда в
первичной вершине <Qtot> от числа восстановленных в
магнитном спектрометре (МС) треков.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование регистрации событий.
Регистрация K0s-мезонов.
FRITIOF+GEANT: 540 тыс. событий, из них 100 тыс. событий с K0s.
Критерии отбора событий (=апертура): 1) число заряженных треков > 3;
2) расстояние между первичной вершиной и вершиной K0s > 0.5 мм;
3) Z-координата K0s < 35 мм, 4) треки от распада K0s должны попадать в
последнюю плоскость ВД. Из 100 тыс. событий с K0s только 2674 (=3%)
удовлетворяют этим условиям.
Быстрый фильтр по данным ВД: 59268 событий с V0.
Критерии отбора для V0:
-
трек от V0 должен иметь промах относительно первичной вершины, b/b>2;
два трека от V0 пересекаются в одной пространственной точке, 2<4 [2];
вершина V0 отделена от первичной вершины, (Z2-Z1)/sqrt(12+22)>3;
модифицированный критерий Армантероса-Подолянского [3].
Геометрическая реконструкция треков в МС: 1313 событий.
Спектр эффективных масс системы (+): 317  19 K0s.
Фит сигнала функцией Лоренца и фона полиномом 2-й степени: масса K0s = 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 K0s равна =317/2674=0.12.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование регистрации событий.
Регистрация K0s-мезонов.
б)
a)
в)
Рис.9 а) Спектр эффективных масс системы (+) для МК событий;
б) импульс и в) Xf восстановленных K0s.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Регистрация K0s-мезонов.
Экспериментальные данные.
1115091 экспериментальных событий
Фильтр: 117033 события с V0
Геометрической реконструкции треков в МС:
2495 с полностью восстановленным V0
Число K0s: 22220, масса: 498.6 МэВ,
ширина на полувысоте: Г=12 МэВ
Аппаратный коэфф.: (Kap=NGEANT NExp) = 2.7
Рис.10 Спектр эффективных масс системы (+)
для экспериментальных событий.
Рис.11 Распределение по импульсу (а) и переменной Xf (б) восстановленных K0s для МК событий
(сплошная линия) и экспериментальных событий (черные точки).
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Моделирование регистрации событий.
Регистрация D0-мезонов.
D0→K+ (100000 соб.), Br=3.8%
В апертуре: 27967 событий (=28%)
После фильтра: 33316 событий с V0
После «геометрии»: 5951 событие
В пике: 368360 D0
Масса=1864 МэВ, Г=33 МэВ,
<P>=18.2 ГэВ/с,
<Ntr> = 6.9 C
= 7.3 Si
= 7.9 Pb
а)
б)
в)
д)
е)
Эфективность фильтр+геометрия:
ж)
13%
г)
Эффективность регистрации
событий с распадом D0:
Рис.12 а) Спектр эффективных масс системы (K+); б) импульс, в) Xf, г) длина
3.7%
пробега всех и восстановленных D0 (заштриховано); эффективность
регистрации D0 в зависимости от импульса (д), Xf (е) и длины пробега (ж).
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАИФВЭ, Протвино
взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
декабрь, 2008
Моделирование регистрации событий.
Регистрация Ď0 -мезонов.
а)
Ď0→K+
(100000 соб.), Br=3.8%
В апертуре: 13160 событий (=13%)
После фильтра: 29412 событий с V0
После «геометрии»: 3433 событие
В пике: 368360 Ď0
Масса=1866 МэВ, Г=36 МэВ,
<P>=18.5 ГэВ/с,
<Ntr> = 6.6 C
= 7.0 Si
= 7.6 Pb
б)
д)
е)
в)
Эфективность фильтр+геометрия:
г)
ж)
12%
Эффективность регистрации
событий с распадом Ď0 :
Рис.13 а) Спектр эффективных масс системы (K+); б) импульс, в) Xf и
г) длина пробега всех и восстановленных Ď0 (заштриховано); эффективность
1.6%
0
регистрации Ď в зависимости от импульса (д), Xf (е) и длины пробега (ж).
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАИФВЭ, Протвино
взаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
декабрь, 2008
Выделение событий с возможным распадом
D0-мезонов.
Основные критерии отбора:
2)
3)
4)
5)
6)
7)
расстояние между первичной вершиной и
вершиной V0 должно быть больше 0.5 мм;
распадные треки V0-частицы должны иметь
промах по отношению к первичной вершины, а
общий трек должен смотреть в нее;
эффективная масса системы (K) должна
лежать в области ±0.5 ГэВ от табличного
значения массы D0 (=1.865 ГэВ);
импульс системы (K) должен быть больше 10
ГэВ/с;
поперечный импульс распадной частицы по
отношению к направлению движения системы
(K) должен быть больше 0.3 ГэВ/с, что
вытекает из анализа критерия АрмантеросаПодолянского и условия подавления фона от
распада нейтральных каонов и 0-гиперонов;
из двух гипотез (K+) и (K+) отбиралась та, у
которой значение эффективной массы ближе к
табличному значению массы D0-мезона;
V0 удовлетворяет критериям физ. просмотра.
D0
PT
1)
K0
0
=(P L+  P L )  (P L+ + P L )
Рис. 14 Армантероса-Подолянского плот для K0, 0 и D0.
Рис. 15 Пример события с V0 частицей.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Выделение событий с возможным распадом
D0-мезонов.
Спектры для (K+) и (K+) систем объединены
Область масс: MD±3
Рис.16 Спектры эффективной массы системы (K) до (слева) и
после (справа) физического просмотра.
Источники фона:
1) незнание “alignment’а и маг. поля;
2) внутренний фон от распада чарма.
3) наличие фоновых частиц;
Результат фита прямой и Гауссом данных после физ. просмотра
дает для D0 значение массы 1861 МэВ/с2 и ширину распределения
=21 МэВ/с2.
Отношение сигнал / шум равно (51±17) / (38±13).
Рис.17 Распределения (сверху вниз) по
длине пробега, импульсу и переменной
Фейнмана (xf ) системы (K).
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Оценка сечения рождения чарма.
Имеем:
• бренчинг распада D0K: Br =0.038 [6]
• выход D0 = 49% [4]
• число событий в сигнале: Nreg = 51
• эффективность регистрации:  =
(0.03821+0.01630)/51=0.025 [3]
• предсказания для числа событий без учета Ktrig и
(cĉ)=1 мкб:
Npred=243 [3]
• коэффициент триггирования Ktrig = 0.74 (см. рис.18)
• аппаратный коэффициент Kap = 2.7 [3]
• интегральная светимость: Lint = 2.31033 [5]
• среднее значение А0.3 = 4.0
Способ 1:
(cĉ)= Kap  ( Nreg / ) / (Npred / Ktrig) = 16.7 (мкб/нук.)
Способ 2:
(D) = Kap  Nreg(D) / (BrLint) / (А0.3) = 15.7 (мкб/нук.)
(cĉ)= (D) / 0.49 /2. = 16.0 (мкб/нук.)
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).
Ошибки:  Nreg =34%,   = 3%,  Ktrig = 6%,  Kap = 11%
(cĉ) = 34% стат.
20% сист.
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях 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 рАвзаимодействиях 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, 1996
http://web.ihep.su/library/pubs/prep1996/ps/96-98.pdf
2. Киряков А.А. и др., Препринт ИФВЭ 2005 – 45.
http://web.ihep.su/library/pubs/prep2005/ps/2005-45.pdf
3. Воробьев А.П. и др., Пр.ИФВЭ 2008-17, 2008
http://web.ihep.su/library/pubs/prep2008/ps/2008-17.pdf
4. S. Kupper, Charm production in 920 GeV proton-nucleus interactions,
http://www-f9.ijs.si/~kupper/downloads.htm
5. SVD collaboration, arXiv:0803.3313v2
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) 1-16
8. G.S. Huang, et al. Phys. Rev. Lett. 94, 011802 (2005)
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008
Авторы посвящают эту работу светлой памяти
Ермолова Павла Фёдоровича
Воробьев А.П. и др. "Регистрация рождения и распада очарованных мезонов в рАвзаимодействиях при 70 ГэВ на установке СВД-2.»
ИФВЭ, Протвино
декабрь, 2008