Поиски бозона Хиггса на коллайдере LEP : Детекторы для установки DELPHI

• Автор: Образцов, Владимир Федорович
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 38 с. : ил

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Важным компонентом практически любого исследования на установке DELPHI — одной из четырёх установок, действующих на большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) Европейского центра ядерных исследований (CERN), является измерение интегральной светимости. Для определения параметров Z-бозона необходимо измерять светимость с точностью ~ .1%. С этой целью в ИФВЭ был создан прецизионный детектор светимости — электромагнитный калориметр в области малых углов STIC.
Для успешного осуществления экспериментальной программы исследований установка должна иметь высокую эффективность регистрации различных частиц и, в частности мюонов. Для обеспечения высокой эффективности мюонного триггера и его надёжности в состав установки был включён передний мюонный годоскоп, созданный в ИФВЭ.
После обнаружения t-кварка в опытах на рр-коллайдере FNAL бозон Хиггса является последней, ещё не обнаруженной фундаментальной частицей в стандартной модели (СМ). Поиск этой частицы имеет принципиальное значение для проверки СМ и её обобщений, например для минимальной суперсимметричной стандартной модели (MCCM). LEP является идеальным прибором для поиска бозона Хиггса с точки зрения фоновой ситуации и ожидаемого числа событий.
Цель диссертационной работы
• Поиск бозона Хиггса в диапазоне масс 0-60 ГэВ/с2.
• Создание детектора светимости(электромагнитного калориметра в области малых углов) и мюонного годоскопа для установки DELPHI.
втор защищает:
1. Разработку и создание электромагнитного калориметра новой конструкции, его применение для прецизионного измерения интегральной светимости.
2. Мюонный годоскоп установки DELPHI, его применение в триггере, методику измерения параметров годоскопа и их контроля в условиях реального эксперимента.
3. Результаты поиска бозона Хиггса в области масс 0-60 ГэВ/с2.
Научная новизна и практическая ценность. Создан электромагнитный калориметр нового типа, измерены его характеристики. Разработана методика его использования для прецизионного измерения интегральной светимости.
Создана система мюонного триггера на базе сцинтилляционного годоскопа большой площади. Разработана методика измерений параметров годоскопа в условиях реального эксперимента. Разработана методика использования мюонного годоскопа для калибровки детекторов DELPHI.
Впервые проведён поиск бозона Хиггса в широком диапазоне масс, как в контексте стандартной модели, так и в её минимальном суперсимметричном расширении.
Апробация работы и публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ. Основные результаты, использованные в диссертации, опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и CERN, в журналах ‘'Nuclear Physics”, “Zeitschrift für Physik”, “Nuclear Instruments & Methods”, “IEEE Transactions of Nuclear Science” [MJj. Они докладывались на международных конференциях, семинарах ИФВЭ, ИТЭФ.
Структура диссертации. Работа изложена на 38 страницах, состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 23 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 13 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрена постановка эксперимента на встречных е+е
пучках при энергии в с.ц.м. ~ 90 ГэВ/с2 в области пика Z-бозона, описана установка DELPHI, на которой и для которой были выполнены работы, вошедшие в диссертацию.
Цикл работы Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) включает (см. рис.1):
• Ускорение первичных электронов, рождение и ускорение позитронов до энергии 300 МэВ в линейном инжекторе (LIL).
• Накопление электронов и позитронов при энергии 500 МэВ в кольце электрон-позитронного аккумулятора (ЕРА).
• Транспортировку пучков в кольцо протонного синхротрона (PS), ускорение до 3,5 ГэВ.
• Транспортировку пучков из PS в SPS с дальнейшим ускорением до 22 ГэВ.
• Инжекцию в кольцо LEP с последующим ускорением до энергии ~ 45 ГэВ.

Нейтральный бозон й (легчайший из двух СР-чётных) является прямым аналогом хиггсовского бозона в СМ. Относительная вероятность распада Z в ЙА и зависит от эффектов смешивания. В древесном приближении хиггсовский сектор полностью определяется двумя параметрами, в качестве которых чаще всего выбирают (гпгпа) или (ть; 6а?г(/3)). Если обозначить ширину распада Z в в СМ, как Гзм(2—>1*), имеем
Т(2->Ъ1*) = 1щ(2йг*)5т2(а-/3),
Щ -» ЙА ) = 0,5Г(г -> 1/й)А3 сое2(а - /3), (9)
где а и /3 определены выше а А3 — фактор фазового обьёма. Таким образом, поиски хиггсовского бозона в контексте СМ перекрывают только часть плоскости параметров (гпгпа), например при ~ тА оказывается, что зт2(а — /3) зануляется и единственный механизм образования й — процесс Z —> к А. Доминирующие моды распада А и й:
~ тап2/?,
~ т2/1ап2/3,
~ т25Ш2а/со82/3,
~ т2соз2а/з1п2/?. (10)
Таким образом, характерная топология процесса — четыре струи, причём содержащие 2 или 4 Ь-кварка. Поиск этой топологии (как и некоторых других, существенных при малых массах й и А) был проведён в работах [9,13]. Поиск во второй работе проводился на статистике 1991 и 1992 гг., соответствующей образованию ~ 106 событий адронных распадов Z. После применения стандартной процедуры выделения четырёхструйных событий был применён алгоритм выделения событий с Ь-кварками, упомянутый выше. В топологии с 4й-кварками его применение особенно эффективно. Характерная эффективность выделения Ь-струи 20%. Конечное состояние, содержащее 4 Ь-кварка, возникает от стандартных КХД процессов, в 0,03% адронных распадов Z. Однако более существенным фоном являются события qqgg Суммарная эффективность отбора сигнала ~ 7%. Все отборы прошли 105 событий, при предсказании 97 ± 9 (стат.) ± 10 (сист.) Таким образом, избытка событий над фоном не наблюдается. Соответствующее ограничение:
—► ЬА —>4Ъ)/Г —> всё)< 3,5 X 10~4 (на 95%-ом уровне достоверности).
Этот результат совместно с результатом поиска й в контексте СМ, представленном выше ([12]), и с результатами работы [9], где проводился поиск в области масс й до порога 66, приводит к исключению области на плоскости (т/,;тд), представленной на рис.23. При получении этой области применялись результаты расчётов МССМ с учётом однопетлевых поправок, при этом предполагалось, что т-ьор — 170 ГэВ/с2; тор — 1 ТэВ/с2; 6атг(/3) > 1. Из рисунка видно, что
• т/1>44 ГэВ/с2 для любого
• т>27 ГэВ/с2 для 1ап/3>1.
Г(А -> ЪБ) Г(А -* сс ) Г(й —> ЬЬ) Г(й —» сс )