北京谱仪Ⅲ上e+e-→K+K-的研究主基于阈值效应的能散测量

论文摘要

标准模型是目前描述微观世界物质的组成和相互作用规律最成功的理论模型。模型中描述强相互作用的基本理论量子色动力学（QCD）具有渐进自由的性质,在高能区强相互作用可以通过微扰的方式处理,但在较低能区时,强耦合系数增大导致微扰法将不再适用。这时通过实验研究QCD在低能下的行为显得非常重要。即使在非微扰能区以上,实验上也观测到了强子行为与QCD预测不一致的现象,如π的电磁形状因子和跃迁形状因子等。此外,QCD还预言了很多奇特态的存在,如胶球、混杂态、多夸克态等。尽管很多实验都观测到了性质与奇特态类似的共振态,但如何确定这些态的性质还需要进一步的研究。研究QCD的性质一般从最基本的强子入手,比如最轻强子π介子,其在低能下的行为有广泛的研究。与之类似的还有K介子,它是含有奇异夸克的最轻介子,通过它可以对一些含有奇异夸克的共振态进行研究。目前也有一些实验研究过它在低能下的行为,其中精度最好的要数BABAR实验通过正负电子对撞的初态辐射过程测量的K+K-对产生过程的研究。其结果显示出了与QCD预言的差异,而且在其产生谱上,有新共振态的迹象,但有些区域数据的误差很大,需要进一步研究。本文利用坐落在北京正负电子对撞机（BEPCⅡ）上的北京谱仪（BESⅢ）研究了 e+e-→K+K-过程在2-3GeV的产生截面,并提取了K+/K-的电磁形状因子。在此分析中,加速器和探测器的性能参数的精确度会影响分析结果的系统误差,故对此开展了详细研究。基于BESⅢ探测器采集的数据,结合物理过程的特征,提出了几种测量加速器束流能散的方法。在e+e-→K K 的研究过程中,通过飞行时间信息,电磁量能器测量的能量信息压制了来自宇宙线和多体过程的本底,然后借助于北京谱仪优秀的动量分辨率,把K+K-事例从众多两体过程中分离出来,从数据中提取出高信噪比的信号。这里并未使用BESⅢ分析中常用的粒子鉴别算法,而是根据该过程的两体特征,利用动量提取出特征信号,得到信号过程样本。该方法有效避免了粒子鉴别算法带来的系统误差,提高了截面的测量精度。同时利用蒙特卡罗模拟,研究了信号过程的探测效率及初态辐射和真空极化给截面测量带来的影响,得到效率和修正因子。根据测量到的信号事例数、效率、修正因子以及从Bhabha过程测量得到的数据亮度就可以计算截面。在e+e-→K+K-的截面谱形中,在2.2 GeV处发现了新的共振态,通过对谱形的拟合给出共振态的参数为 m = 2239.2 ± 7.1 ± 11.3 MeV/c2 和 r = 139.8 ± 12.3 ± 20.8 MeV。基于e+e-→ K+K 的产生截面,提取了K+/K-的形状因子。在大于2.4 GeV的形状因子随能量变化的谱形中,验证了量子色动力学对其随质心能量变化趋势的预言。在能散测量方法的研究中,提出利用能散对重子的近阈过程的影响和对某些过程谱形分辨率的影响来测能散。在这两种方法中,用蒙特卡罗模拟给出特征物理量随能散的变化关系。在实验数据中测量对应的物理量,然后从变化关系中就可以得到能散。两种方法在Λc+Λ-c对阈值附近的4575 MeV能量点给出的能散都在2 MeV左右。该结果与BEPCⅡ的设计指标一致,而且与从J/φ能区实测值在4575 MeV的推广也是一致的。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 粒子物理的概述

1.1.1 研究内容

1.1.2 发展历程

1.2 标准模型

1.2.1 物质粒子

1.2.2 矢量玻色子

1.2.3 希格斯粒子

1.2.4 标准模型下的强子

1.2.5 夸克偶素

1.2.6 形状因子

1.3 论文的选题与结构

+e^-→K⁺K^-过程截面的测量'> 1.3.1 e⁺e^-→K⁺K^-过程截面的测量

1.3.2 利用阈值效应和谱形分辨测量束流能散

1.3.3 论文结构

第2章实验平台

2.1 北京正负电子对撞机

2.1.1 注入器

2.1.2 束流输运线

2.1.3 储存环

2.2 北京谱仪

2.2.1 对撞区和束流管

2.2.2 主漂移室

2.2.3 飞行时间探测器

2.2.4 电磁量能器

2.2.5 μ子计数器

2.2.6 超导磁体

2.2.7 电子学

2.2.8 触发系统

2.2.9 数据获取系统

2.2.10 探测器控制系统

2.2.11 离线软件

2.3 北京谱仪上的物理

2.3.1 粲偶素和类粲偶素

2.3.2 粲介子和粲重子

2.3.3 轻强子谱和新强子态

2.3.4 QCD物理

2.3.5 τ物理

2.4 小结

第3章正负电子到带电奇异介子对的研究

3.1 研究背景

3.2 研究方法

3.3 数据样本和蒙特卡罗模拟

3.3.1 数据样本

3.3.2 蒙特卡罗模拟

3.4 事例选择

3.4.1 带电径迹的选择

3.4.2 Bhabha本底的压制

3.4.3 多体过程的排除

3.4.4 宇宙线本底的去除

3.4.5 残余本底分析

3.5 截面测量

3.5.1 效率和修正因子

3.5.2 信号提取

3.5.3 J/ψ贡献的扣除

3.5.4 截面的计算及其随能量变化的谱形

3.6 带电奇异介子电磁形状因子的测量

3.7 截面和形状因子的误差分析

3.7.1 亮度的误差

3.7.2 模拟样本得到的效率与修正因子的误差

3.7.3 带电奇异介子寻迹效率的误差

3.7.4 事例选择条件的误差

3.7.5 信号事例数提取方法的误差

3.8 截面谱形提取共振态的误差

3.9 结果讨论与小结

第4章能散测量方法的研究

4.1 能散测量概述

4.2 基于阈值效应测量能散

4.2.1 方法描述

4.2.2 在BESⅢ数据上的应用

4.3 基于分辨率测能散

4.3.1 方法描述

4.3.2 在BESⅢ数据上的应用

4.4 小结

第5章总结与展望

+^e→K⁺K^-过程的分析'> 5.1 e⁺^e→K⁺K^-过程的分析

5.2 能散的测量

参考文献

附录A 质心能量刻度

A.1 背景简介

A.2 数据和事例选择

A.3 利用J/ψ的动量刻度

A.4 ΔM的确定

+e^-→μ⁺μ^-测量质心能量'> A.5 通过e⁺e^-→μ⁺μ^-测量质心能量

A.6 系统误差

A.7 小结

±寻迹效率的研究'>附录B BESⅢ探测器对K^±寻迹效率的研究

B.1 模拟和实验数据样本

B.2 事例选择

B.3 效率计算及误差

B.4 数据和模拟的分析

B.5 小结

+e^-→K⁺K^-过程一些变量的分布'>附录C e⁺e^-→K⁺K^-过程一些变量的分布

+和K^-横动量的分布'> C.1 K⁺和K^-横动量的分布

+和K^-极角的分布'> C.2 K⁺和K^-极角的分布

C.3 末态粒子相对张角的分布

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘栋

导师: 黄光顺

关键词: 北京谱仪,奇异介子,对产生截面,带电介子形状因子,共振态,能散测量

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O572.2

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北京谱仪Ⅲ上e+e-→K+K-的研究主基于阈值效应的能散测量

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