Поиск тяжелых нейтрино в распадах положительных каонов

• Автор: Шайхиев, Артур Тагирович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Теоретическое обоснование и обзор экспериментальной ситуации

1.1 Нейтрино в Стандартной модели и за ее пределами

1.2 Поиск тяжелых нейтрино в ускорительных экспериментах

2 Эксперимент ВТЧЪ—Е949

2.1 Основная цель эксперимента

2.2 Экспериментальная установка

2.3 Монте-Карло моделирование

2.4 Триггер К+ —> ц+ун

2.5 Набор данных для поиска тяжелых нейтрино

2.6 Метод поиска тяжелых нейтрино
2.7 Критерии отбора для поиска тяжелых нейтрино
3 Измерение аксептанса установки к распаду К+ —> ц' ин
3.1 Эффективность триггера
3.2 Эффективность критериев отбора для поиска тяжелых нейтрино .
3.3 Чувствительность эксперимента Е949 к распаду К+ —> ^+ин
4 Изучение 1 /20 всех данных эксперимента Е949
4.1 Измерение абсолютного значения импульса заряженной частицы
4.2 Измерение вероятности распада К+ —» д+г/^
4.3 Измерение вероятности распада К+ —> д+г/м
4.4 Основные фоновые процессы
4.5 Разрешение детектора Е949
4.6 Метод поиска пиков
5 Анализ всех данных эксперимента Е949
Заключение
Литература

Введение
Актуальность темы исследования
Стандартная модель [1-5] на сегодняшний день является одной из важнейших теоретических конструкций в физике элементарных частиц, описывающих электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Все вещество Вселенной, согласно этой модели, состоит из 12 элементарных (бесструктурных) фермионов: 6 лептонов и 6 кварков, объединенных в три поколения. Однако, несмотря на огромный успех этой теории (предсказания Стандартной модели подтверждены экспериментально, иногда с крайне высокой точностью в доли процента), существует ряд проблем, которые не дают считать Стандартную модель окончательной теорией.
Во-первых, экспериментально подтвержденный факт осцилляций нейтрино (переход между поколениями) указывает на тот факт, что нейтрино должно иметь очень маленькую, но ненулевую, массу, тогда как в Стандартной модели все известные нейтрино, ие, и 1>т, являются безмассовыми частицами.
Во-вторых, Стандартная модель не объясняет наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом (барионная асимметрия Вселенной).
В-третьих, исследование скоростей вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик, и изучение реликтового излучения (космическое микроволновое фоновое излучение) указывает на наличие так называемой скрытой массы Вселенной или темной материи, которое не согласуется со Стандартной моделью. Также Стандартная модель имеет большое количество свободных параметров и не включает в себя гравитацию.
Исходя из перечисленных фактов, последнее время ведется активный поиск новой физики за рамками Стандартной модели для объяснения существующих проблем. Многие теоретические конструкции, способные объяснить вышеперечисленные проблемы, предсказывают наличие новых нейтральных лептонов или стерильных нейтрино, но не предсказывают точные массы этих частиц. Диапазон масс новых частиц варьируется от нескольких электронвольт/с2 до сотен ГэВ/с2. Из-за смешивания с активными нейтрино рождение стерильных нейтрино возможно в распадах тяжелых мезонов.
Поиску тяжелых нейтрино (нейтральных лептонов) с массами до 300 МэВ/с2 в распадах каонов посвящена данная работа.

Цель работы и методы исследования
Цель работы заключается в поиске тяжелых нейтрино в распаде К+ —> д+Цн и получении новых ограничений на параметры смешивания тяжелых и активных нейтрино в диапазоне масс 175-300 МэВ/с2. Для решения этой задачи используются данные эксперимента Е949 (БНЛ, США), которые ранее никогда не рассматривались с точки зрения поиска тяжелых нейтральных лептонов. Основная цель эксперимента Е949 заключалась в поиске и измерении вероятности редкого распада К+ —> n+i/v, поэтому все критерии отбора разрабатывались для идентификации положительного пиона, подавления мюонов в детекторе и отсутствии какой-либо другой активности в детекторе. Однако, мюоны присутствуют в конечном наборе данных из-за того, что часть мюонов идентифицировалась как пионы и попадала в пионный триггер. Поиск тяжелых нейтрино в распаде К+ —► //.'Чщ заключался в идентификации мюонов в распадах остановленных каонов в пион-ном триггере и в поиске пиков в спектре импульсов вылетающих мюонов ниже основного пика (К+ —> = 236 МэВ/с при распаде покоящегося каона).
Научная новизна и практическая ценность работы
Эксперимент Е949 имеет наибольшую чувствительность к детектированию распада К+ —> ц+^н в диапазоне масс тяжелых нейтрино 175-300 МэВ/с2, что дает возможность измерить или поставить лучшее в мире ограничение на элемент матрицы смешивания между мюонным и тяжелым нейтрино, и^н2, в исследуемом диапазоне масс. Полученный результат является модельно независимым, т.к. не было выдвинуто никаких предположений о природе тяжелых нейтрино и их взаимодействии с частицами Стандартной модели. Таким образом, новое ограничение на величину Uilh|2 может быть использовано для ограничений на параметры моделей, использующих тяжелые нейтрино. Результат работы также важен для экспериментов, в которых планируется поиск тяжелых нейтрино, например, NA62, SHIP в ЦЕРНе и Е36 в J-PARC (Япония).
Личный вклад автора
Автор является основным разработчиком анализа по поиску тяжелых нейтрино в распадах остановленных каонов:
• предложен и разработан метод поиска и идентификации мюона в пионном триггере эксперимента Е949,
• проведена оптимизация критериев отбора для идентификации мюона в детекторе,
• измерен аксептанс распада К * —> ц+ vH в зависимости от импульса вылетающего мюона (массы тяжелого нейтрино) и вычислена чувствительность эксперимента к искомому распаду в отсутствии фоновых процессов,

ных использовался в основном анализе эксперимента по измерению вероятности распада К+ —> тт+иР [97]. Общее число остановленных каонов для поиска тяжелых нейтрино 1.70 х 1012, что слегка меньше, чем в основном анализе [97].
2.6 Метод поиска тяжелых нейтрино
Поиск тяжелых нейтрино в эксперименте Е949 основывается на поиске пиков в спектре импульсов положительных мюонов от распада каонов. Если тяжелые нейтрино существуют, то должен существовать дополнительный пик ниже основного Кц2 пика в импульсах мюонов. Положение этого пика определяется массой тяжелого нейтрино по формуле 1.11, в которой I = р.
Зависимость импульса вылетающего мюона от массы тяжелого нейтрино в распаде К+ —» р+гщ показана на рис. 2.11. Вероятность распада К+ —> р' ин вычис-
Mass (MeV)
Рис. 2.11. Импульс вылетающего мюона в распаде К+ —> р+рн Для различных масс тяжелых нейтрино
ляется по формуле:
В(К+ р+^я) =

[КBilVR)nul/{l+2) х Atot х Correction
(2.9)
где Atot — Atrigger х Acuts — полная эффективность всех критериев отбора для искомого распада, (КBhve)„^(i+2) — число остановленных каонов, Correction включает в себя эффективность Т-счетчиков (ет.2) и долю остановленных в мишени каонов (fs).