• Mezon η
• ... i jego rozpady
• Eksperyment Celsius/WASA i WASA@COSY
• Detektor WASA
• Troche wyników
• Czym się teraz zajmuję?

Mezon η
I^G(J^PC) = 0⁺(0^-+)

• Masa ~547,5 MeV/c²
• Czas życia ~5·10^-19 s, szerokość Γ=1,3 keV
• Wszystkie liczby kwantowe za wyjątkiem C=+1 i P=-1 równe zero
• Duża masa (w porównaniu do mezonów π) związana z dodatkiem kwarków dziwnych
• Długi czas życia spowodowany tym, że wszystkie kanały rozpadu są w jakiś sposób zabronione
• W modelu kwarkowym jest mieszaniną stanów η₁ i η₈ z kątem mieszania θ≈20º

• Duża ilość kanałów rozpadów daje duże możliwości prowadzenia różnorodnych eksperymentów
• Domieszka gluonów w funkcji falowej η i η’ (szczególnie w η’)
• Poszukiwania możliwości łamania symetrii izospinowej oraz symetrii ładunkowej C oraz symetrii CP
• Badanie Form Factora mezonu η w rozpadach leptonowych
• Rozpady mezonu η na trzy piony pozwalają wyliczać rożnice mas kwarków lub stosunki ich mas

Rozpady mezonu η

• W modelu standardowym rozpady leptonowe (Dalitza) są blisko powiązane z rozpadem mezonu eta na dwa fotony
• Bezpośrednią konsekwencją Elektrodynamiki Kwantowej jest to, że procesy z realnymi fotonami powinny być stoważyszone z procesami, gdzie występuje wewnętrzna konwersja wirtualnego fotonu na parę lepton-antylepton
• Rozpadach leptonowe mogą być bezpośrednio powiązane z rozpadami radiacyjnymi na jeden lub dwa fotony poprzez czynnik tworzący (ang. Form Factor) zależny od podniesionego do kwadratu przekazu czteropędu wirtualnych fotonów
• Ten przekaz czteropędu w rozpadach Dalitza równy jest masie inwariantnej (niezmienniczej) pary lepton-antylepton
• Powyższy Form Factor opisuje strukture tzw. obszaru przejscia (ang. transition region)



• Informacji na temat rozpadów leptonowych jest jak dotąd niewiele, a jeśli już są, to z dużym błędem
• Niektóre z rozpadów nigdy nie były jak dotąd zaobserwowane



• Rozpad P→γ^*→l⁺l^- (P - dowolny mezon pseudoskalarny, l - lepton) jest wzbroniony, gdyż bylaby w takim przypadku złamana zasada zachowania pędu (ponieważ spiny fotonu i mezonu η różnią się o jednostkę)
• Dominującym mechanizmem w Modelu Standardowym rozpadu P→l⁺l^-, jest proces związany z dwoma wirtualnymi fotonami, tłumiony przez stałą elektromagnetyczną α w każdym z wierzchołków gamma-lepton oraz dodatkowo przez czynnik (m_l/m_P)² związany z koniecznością zachowania skrętności (ang. helicity)
• Rozpad mezonu eta na parę lepton-antylepton stanowi potencjalnie ważny kanał do poszukiwania fizyki z poza Modelu Standardowego, gdyż nowy nieznany proces mogłby podnieść wartość stosunku rozgałęzień (ang. branching ratio)

• Jednym z takich procesów mogłaby być wymiana hipotetycznego lepto-kwarka przenoszącego jednocześnie zapach kwarkowy i leptonowy albo istnienie ciężkiego bozonu pośredniczącego w oddziaływaniu
• Pod koniec 2007 roku, w związku z zaobserwowaną zwiększoną produkcją rozpadu πº→e⁺e^-, pojawiły się teoretyczne spekulacje, że ten wzrost może być spowodowany rozpadem wirtualnego bozonu U (teoretyczna cząstka ciemnej materii o masie 10-100 MeV) na parę lapton-antylepton
• Konsekwencją powyższego były wzrost BR(η→e⁺e^-) nawet o rząd wielkości

Eksperyment Celsius/WASA i WASA@COSY

• Pierścień akumulujący
• Protony lub deuterony z zewnętrznego akceleratora o E = 180 MeV rozpędzane do E_Max = 1,45 GeV
• Obwód 82 m
• Duża świetlność (ok. 5·10³⁰ cm^-2s^-1)
• Reakcje przyprogowe:
  - mały kąt produktów rozpadu
  - badanie oddziaływania między produktami reakcji
  - mniejsze tło

• Synchrotron i pierścień akumulujący
• Protony lub deuterony o zakresie energii od 175 MeV do 2880 MeV
• Możliwe eksperymenty z wiązką cyrkulującą lub odchylanie jej ("extracted beam") np. dla eksperymentów ze stałą tarczą
• Możliwość użycia wiązek spolaryzowanych
• Duża świetlność (~10³¹ cm^-2s^-1)
• Długość w obwodzie 184 m

• Pracujący dla obu powyższych eksperymentów
• Układ może dostarczać zmrożony wodór lub deuter
• Kropelki w próżni panującej w komorze rozpraszania zamarzają
• Średnica kropelek 25-35 μm
• Częstotliwość wstrzykiwania do 20 kHz
• Prędkość lotu zamrożonych kropelek ~60 m/s
• Trafiają one w wiązkę o średnicy poprzecznej 4 mm

Detektor WASA

• Układ detekcyjny WASA składa się z dwóch głównych części: detektora centalnego oraz detektora przedniego
• Detektor centralny służy do pomiaru pędów i energii cząstek z rozpadów np. mezonu η
• Jest to tzw. detektor 4π, czyli mierzący wszystkie produkty reakcji
• Detektor przedni pozwala wyznaczyć parametry cząstek rozproszonych (np. protonów w reakcji pp→ppη)
• Po przenosinach z eksperymentu przy pierścieniu akumulującym CELSIUS do akceleratora COSY układ pozostał praktycznie niezmieniony

• Składa się z czterech głównych części: komory dryfowej otaczającej rurę wiązki, a także miejsce interakcji wiązki z tarczą kropelkową
• Cewki nadprzewodzącej zapewniającej pole magnetyczne dla komory dryfowej
• Detektorów plastikowych służących w systemie wyzwalania i identyfikacji cząstek
• Kalorymetru pozwalającego wyznaczyć energie i kąty emisji cząstek

• Na obrazku powyżej można zobaczyć zasadę działania komory dryfowej:
  
  Naładowana cząstka przechodząc przez rurkę komory dryfowej powoduje powstanie klastrów jonizacyjnych. Elektrony z klastrów jonizacyjnych dryfują dzięki polu elektrycznemu, wynikającemu z różnicy napięć pomiędzy katodą (ścianka rurki), a anodą (drut zamocowany w środku rurki), w stronę anody. Wraz z ruchem i zderzeniami z molekułami gazu, elektrony zyskują coraz większą energię, prowadzącą w pewnym momencie do utworzenia kolejnych par elektron-jon - tworzy się kaskada. Sygnał z rurki rozpoczynany jest szybkim sygnałem od dryfujących elektronów, a kończony ok. 1000 razy wolniejszym składnikiem od cięższych jonów.
  
  
• Cylindryczna komora(ang. Mini Drift Chamber - MDC) układu detekcyjnego WASA składa sie z ułożonych w 17 warstwach 1738 cienkościennych (25 μm), pokrytych aluminium rurek mylarowych
• Średnica rurek waha się pomiędzy 4 a 8 mm
• Część rurek nachylona jest względem kierunku biegu wiązki o mały (6º-9º) kąt pozwalający wyznaczyć składową równoległą do wiązki pędu cząstek naładowanych
• Rurki wypełnione są mieszaniną CO₂ i argonu
• Cząstki w komorze znajdują się w polu magnetycznym zapewnianym przez cewkę nadprzewodzącą
• Oprócz wyznaczania torów cząstek naładowanych, komora dryfowa pozwala też wyznaczyć z dużą dokładnością miejsce punktu interakcji (ang. vertex)

• Scyntylatory plastikowe (ang. Plastic Scintillator Barrel - PSB) składają sie z trzech części: przedniej, centralnej i tylnej, otaczających komorę dryfową
• Grubość detektorów wynosi 8 mm, a długość waha się pomiędzy 55 cm dla części centralnej, a 16-17 cm dla pozostałych części
• Materiałem który posłużył do budowy był BICRON BC-408, czyli poliwinylotoluen
• Detektory te służą jako główny składnik systemu wyzwalania akwizycji danych, z uwagi na swoją dużą szybkość działania
• Drugim ich celem zamontowania było służenie do indentyfikacji cząstek wraz z opisanym poniżej kalorymetrem, jako cienki detektor w metodzie ΔE-E lub z komorą dryfową w metodzie ΔE-p

• Kalorymetr (ang. Scintillator Electromagnetic Calorimeter - SEC) złożony jest z 1012 kryształów scyntylacyjnych
• Każdy z kryształów zbudowany jest z domieszkowanego sodem CsI
• Detektor ten składa się z 24 grupy kryształów, o kształtach ściętych piramid, mających długość od 20 do 30 cm
• Pozwala wyznaczyć on energie i kąty cząstek naładowanych i neutralnych pochodzących z reakcji

• Cewka (ang. Superconducting Solenoid - SCS) zapewnia pole magnetyczne (∼1T) do pomiaru pędów cząstek naładowanych w komorze dryfowej
• Chroni ona także detektor centralny przed niskoenergetycznymi elektronami delta produkowanymi w zderzeniach wiązki z tarczą kropelkową
• Składa się ze stopu NbTi/Cu stabilizowanego czystym aluminium i utrzymywana jest w temperaturze 4,5ºK dzięki układowi dostarczającemu ciekły hel

• Detektor przedni zawiera siedem grup różnych detektorów (są to: komora proporcjonalna, pięć grup detektorów plastikowych i żelazny absorber pomiędzy dwiema grupami scyntylatorów)
• Każda grupa ma inne zadanie w układzie detekcyjnym, a są nimi: służenie w systemie wyzwalania (np. Forward Trigger Hodoscope - FTH na obrazku powyżej), redukcja tła, informacje o kącie i pozycji przestrzennej toru, identyfikacja cząstek metodą ΔE-E, wyznaczanie dokładnego punktu interakcji, wyznaczanie energii cząstek (np. Forward Range Hodoscope - FRH na obrazku powyżej), działanie jako veto do odrzucania reakcji z tła.

Troche wyników

• Ostatnia wersja artykułu zgłoszonego do druku i podsumowywującego przeprowadzoną przy moim współudziale analizę danych, można znaleźć pod adresem tutaj.

Czym się teraz zajmuję?

• Analiza trygera PT29 pod kątem rozpadów leptonowych oraz tła do rozpadu η→e⁺e^-
• Tryger PT29 oznaczał, w runie pp→ppη przy energii 1,4 GeV z kwietnia 2007, koincydencję pomiędzy zdarzeniami, gdzie są dwie cząstki naładowane w przedniej części detektora oraz zostawiona duża energia w prawej i lewej połówce detektora centralnego (a dokładniej w kalorymetrze SEC)
• Tryger ten nie wybierał pomiędzy rozpadem η→γγ i rozpadami leptonowymi η→e⁺e^- oraz η→e⁺e^-γ, z uwagi na taką samą kinematyke zdarzenia i podobną sygnaturę zostawianą przez fotony i elektrony w kalorymetrze elektromagnetycznym
• Na razie udało się zobaczyć reakcję η→γγ dla pojedyńczego runu (1 run ~15 min zbierania danych, w tym ok. 100 tyś przypadków z trygerem PT29)
• Proste szacunki pozwalają nam estymować ilość poszukiwanych rozpadów leptonowych η→e⁺e^-γ na ok. 3 w każdym runie (mamy ok. 500 runów do przeanalizowania)
• Badania w toku :) .
• Ewaluacja trygera sumującego
• Tryger sumujący ma za zadanie policzyć energię oraz kąty cząstek w jednej z części detektora przedniego (FTH) i na tej podstawie, korzystając z odpowiednich tabel, znaleźć masę brakującą w danym zdarzeniu. Jeśli była ona w okolicy masy mezonu η to zakwalifikować przypadek jako dobry. Zwykle takie obliczenia przeprowadza się na poziomie analizy, gdyż są one dosyć skomplikowane (czytaj: nie dość szybkie jak na potrzeby systemu wyzwalania), ale dzięki specjalnie zbudowanym, zaprojektowanym i zaprogramowanym układom system ten być może pozwoni pozbyć się większości tła do poszukiwanej przez nas reakcji produkcji ety
• Studia nad trygerem są dopiero w początkowej fazie, badane są korelacje pomiędzy odpowiedzią detektorów sumujących i poszczegulnych płaszczyzn detektora FTH w zależności od reakcji, kątów i tego czy cząstka zatrzymała się, oddziaływala czy przeszła na wylot.
• Analiza MC
• Jak większość z nas wie, aby znaleźć coś interesującego w danych eksperymentalnych trzeba przebić się przez tysiące, miliony mniej nas interesujących przypadków
• Aby w stogu siana odnaleźć igłę trzeba mieć albo dużo szcześcia albo odpowiednie narzędzia (w przypadku stogu np. magnes), dla fizyków zajmujących się analizą danych akceleratorowych takim narzędziem są symulacje MC
• Pozwalają nam one zobaczyć sygnatury od interesujących nas zdarzeń (u mnie to np. roznad mezonu eta na dwa elektrony) i pozwalają sterując odpowiednio cięciami odzyskać z danych przysłowiową igłę
• Poprawka na rekonstrukcję pędu w komorze dryfowej
• Ostatnio okazało się, że generacja MC odbywa się przy założeniu mapy pola magnetycznego w komorze dryfowej (jak dla prawdziwych danych eksperymentalnych), a rekonstrukcja przypadków w MDC przy załóżeniu stałego pola magnetycznego (tak napisany jest program do rekonstrukcji torów)
• Skutkiem tej niekonsekwencji w analizie są źle zrekonstruowane pędy dla cząstek naładowanych lecących pod małymi kątami wzgledem wiązki
• Próbowałem ostatnio napisać program mający naprawic ten stan rzeczy. Miał on na podstawie parametrów toru zrekonstruowanego liczyć w kilkunastu punktach, kożystając z mapy pola magnetycznego i interpolując jego wartości, przyczynki do średniego pola dla toru. Na tej podstawie do uzyskania składowych pędu wykożystywalibyśmy, nie stałe pole, lecz pewną estymację mapy pola