（理论物理专业论文）质心能量23gev质子形状因子测量.pdf

博士学位论文 d o c t o r 。 ld i s s e r t a t i o n 摘要 高能物理学的发展是理论和实验之间相互渗透、相互影响的结晶。理论固然 重要，但必须来源于实践，能够经得起实验的检验，反过来指导实践。高能物理实 验一般是先通过加速器来产生高能量的粒子柬，然后让粒子柬去打靶或让两团粒 子柬对头碰撞，用探测器来测量碰撞后的产物，最后通过对这些产物的分析研究 寻找规律。近几十年来，对撞机在粒子物理领域中崭露头角，已经成为一种占主 导地位的高能加速器，对新粒子的发掘大部分来自e + e 一对撞机。北京正负电子对 撞机b e p c ( b e i j i n g e l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ) 的工作能区是2 5 g e v ，虽 然能量较低，但在粲夸克、7 _ 轻子、低能区r 值研究方面具有独特的优势，它处在 一系列共振区和产生阈区，具有系统误差小、本底小、测量精度高的特点。北京 谱仪b e s ( b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ) 是运行在b e p c 上的唯一大型通用探测器， 开展2 5 g e v 能区的e + e 一对撞物理研究，重点是7 一粲物理研究，主要包括j 妒物 理、妒( 2 s ) 物理、t 轻子物理、d s 介子物理、d 介子物理、2 5 g e v 能区的强子 产生机制及q c d 检验的实验研究等。经过中外科学家的共同努力，在北京谱仪 上已作出了包括“f 轻子质量的精密测量”、“2 5 g e v 能区的r 值测量，以及 在j 妒、哆( 2 s ) 、d s 介子等物理研究中的多项国际领先水平的重要科研成果，引 起了国际高能物理界的普遍重视和广泛关注。自1 9 9 0 年至今北京谱仪b e s 已积 累t 6 7 0 0 z r j 妒、1 7 0 0 7 ) - 妒( 2 s ) 事例、1 0 7 f r 轻子对、2 印b - 1 的d 。粒子以及2 5 g e v 的r 值扫描数据。本文正是利佣2 3 g e v 的r 值扫描数据，剥类时过程质子形 状因子进行测量研究。 摘要 博士学位论文 1 ) ( ) 【：i t ) l , a l ) m 肌+ l ji o n 核子不是点粒子，最直接的证据来自于狄拉克方程，该方程假定核子是点粒子，给 出质子的磁矩为1 个核磁子，中子磁矩为0 ，而实验上测得的质子和中子的磁矩是反常 的。但目前还没有完善的理论能够描述核子复杂的内部结构，只能唯象地用电磁形状 因子描写它们的内部电荷和磁矩分布。核子有四个形状因子，分别与质子、中子的 电荷和磁矩相对应：质子电形状因子g 釜( 9 2 ) 和磁形状因子g 铬( 9 2 ) ；中子电形状因 子g e n ( 矿) 和磁形状因子g ：f ( 9 2 ) ，其中口2 是粒子四动量转移平方。质子电磁形状因 子的研究最早是在类空过程中开始测量的，并且有大量的实验数据，结果表明偶极公 式9 色够很好地描述该过程的质子形状因子。相对类空过程的测量而言，类时过程质子 形状因子的测量工作难度大些，由于湮灭道的截面值较小，各实验组获取的数据非常 有限。尤其在5 9 g e v 2 s 8 8 g e v 2 区间，没有实验数据。北京谱仪b e s i 升 级为b e s i i 后，首先开展了r 值的细致扫描工作，质。能量( 咖) 覆盖了2 5 g e v 。 本文幂佣2 3 g e v 的r 值扫描数据，对9 个质心能量的e + e 一_ 印衰变道的截面和 类时过程形状因子进行测量研究。 首先简要介绍了北京正负电子对撞机和北京谱仪。j b 京正负电子对撞机是专为 研究7 - 一粲能区物理而设计的。它e h 2 0 2 米长的电子直线加速器和周长为2 4 0 米的储 存环组成。正负电子在直线段被加速到1 1 一1 4 g e v ，然后沿相反方向分别注入 储存环中并被加速到所需要的能量，进行对撞。同时环上的四个高频腔不断补充束 流由于同步辐射造成的能量损失，使柬流保持在工作能量。b e p c 有两个对撞点， 实际运行中只有安放在南对撞点的北京谱仪在工作。北京谱仪是工作在北京正负电 子对撞机上的大型通用磁谱仪，用于测量正负电子对撞后产生的遍举末态反应，研 究末态粒子的性质及其相互作用的规律。北京谱仪长约6 米，宽、高各为7 米，重 摘要 ， 博士学f i 论更 d o c10 p a i ，i ) i s s e i ( f aii n n 约4 8 0 吨。它主要由柬流管，稻草管顶点室，主漂移室，飞行时间计数器，簇射计数 器，正子计数器，亮度监测器，磁铁线圈等子探测器构成，还包括气体，触发判选，电 子学，在线数据获取，离线数据分析等控制系统。 质子鉴别是e - i - e 一_ 孵例选择的重点。在2 3 g e v 能区范围，e + e _ 印末 态质子和反质子的动量分布较广。低动量的质子和反质子在探测器中的行为表现 出不对称性，主要是因为低动量的反质子易与探测器中的物质发生湮灭。质子和反 质子的这种不对称性随着动量的增加而减小，大动量时两者的行为基本上是一致 的。对于带电粒子的鉴别，b e s 嗣个子探测器飞行时间计数器( t o f ) 和主漂移 室( m d c ) 起着非常重要的作用，可以单独用t o f 或d e d x 信息对粒子进行鉴别， 也可以将两者的信息联合起来使用。本文充分利用b e s i i 所获取的数据挑选出纯度 较高的各种带电粒子样本，对动量在0 3 1 2 g e v 的珊硒鉴别做细致研究：比较三种 粒子鉴别方法的效率，以及其它带电粒子在这三种鉴别方法中的混入率，综合比较两 者结果，给出各动量范围的孵晒最佳鉴别方案。该方案直接应用到e 十e 一叶印事例 选择中。同时用这些数据研究研硒鉴别的方法和样本还可以应用到系统误差处理中 去，通过比较真实数据与m c 数据的孵q 每鉴别效率的差别，得到粒子鉴别的系统误 差。因为m c 中把质子和反质子作为全同粒子来处理，不能完全真实反应反质子在 探测器中的行为，而e + e 一_ 印的数据又非常有限。 e 十e 一- 印终选条件为：各质心能量所有的径迹级约束条件都是相同的；动 量都是要求小于p e 。p + 5 盯g 删”；非共线( 面) 角的限制，在2 0 g e v 要求小于l o 。， 在2 2 g e v 要求小于5 0 ，其它质心能量要求小于3 。；2 0 和2 2 g e v 用d e d x 进行质 子( 反质子) 鉴别，其它质心能量则用t o f 信息完成粒子鉴别。让2 3 g e v 数据通过 摘要 博士学位论文 d o c t o g a l d i s 趾w f k f l o n 这些截断条件，得到各质d 能量的e + e 一叶呼事例数。在e + e 一_ p 痧粒子选择时 不能要求所含好光子数为零，因为反质子在探测器中易湮灭生成光子，而探测器难于 将其与真正的物理好光子区分开。通过对3 0 g e v 数据各种本底道的定量分析，可认 为各质d 能量所挑选出的硒纯度较高。还给出各羼b 能量的e 十e 一一印7 r u 截面上 限。 ，质子形状因子的测量实际上是对e 十e 一_ 印产生零级截面的测量。由实验数据 观测到的事例数，可以得到在现有实验条件下的实验观测截面。要得到般意义( 与 实验条件无关) 的产- 生嵩湎，需要借助于特定的事例产生器，用m o n t ec a r l o 方法模 拟产生的e 十e 一掰磅榭本来估计该过程的探测效率。实验观测截面与探测效率 的比值即为硒产生总截面，总截面除以初末态的各项修正因子便可得到所需要的零 级截面。现有的b e s 库中用p 2 b b 这个产生子来产生e + e 一- - 9 印m o n t ec a r l o b 羊 本，该产生子只是一个简单的带角分布的两体衰变过程，没有考虑初末态的相关修 正。在此基础匕，考虑了初态辐射修正，库仑效应( c o u l o m b ) 和末态修正，使其更加 接近于真实反应的物理过程；估计出实验条件下的e 十e 一- - 1 茆的探测效率；还计算 出辐射修正因子( 1 + 6 ) ，库仑修正因子忍和末态修正因子毋。 最后给出b e s _ k 测量的9 个厕d 能量的截面与形状因子的结果以及相应的误差分 析。虽然在2 9 g e v l i j 于数据有限，没有得到信号事例，也给出了截面和形状因子的 上限值。拟合b e s 测量的结果表明，在所研究的能量区域，p q c d 理论上预言的形 状因子函数形式能够很好地描述实验结果。结合其他所有实验组测量的结果，可以得 出如下结论，虽然p q c d 理论预言在高能量时质子形状因子正比于强相互作用的跑 动耦合常数的平方q ：( s ) ，但实嘣撇明该穆培在低能时也是适用的。 摘要 博士学位论文 d o c i o r a ld i s s e r t a 1 1 i o n b e s 测量的结果填补了低能和高能区域的形状因子测量值。虽然由于误差较大， 主要是由统计量，j 、造成的，但2 4 3 o g e v6 个縻哺瞳的形状因子值是世界首次测 量值。在新的对撞机b e p c i i 中将安装新的探测器b e s i i i 。b e p c i i 的预期亮度 ( 僦1 0 3 3 c 7 n - 2 8 ，这一亮度值比b e p c i 高出2 个数量级。在b e s 上测量质子 形状因子的优势在于在能区5 9 g e v 2 s 8 8 g e v 2 是世界首次测量，而它的不 足在于统计量小，统计误差较大，b e p c i i b e s i i i 为本实验的进步测量提供了 好的条件。最后根据b e p c i b e s i i 的运行状态，对该实验在e p c i i b e s i i i 上 的测量提出了可行陛展望。 关键词：b e p c b e s ，质子，反质子，电磁形状因子，探测效率，触发效率， 辐射修正，亮度 摘要 博士学位论文 d o c + f o r a ld f s s 正r 1 n i o n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g he n e r g yp h y s i c si st h er e s u l to fp e r v a s i o na n de l - f e c tb e t w e e nt h e o r ya n de x p e r i m e n te a c ho t h e r o fc o u r s et h et h e o r yi si m p o r t a n t ， b u ti tm u s tc o m ef r o mp r a c t i c e ，c a nb et e s t e db ye x p e r i m e n ta n di n s t r u c tp r a c t i c e i n v e r s e l y i ng e n e r a l ，t h eh i g he n e r g yp h y s i c se x p e r i m e n ti sf i r s tt ou s ea c c e l e r a - f o rt og e n e r a t eh i g he n e r g yp a r t i c l eb e a m ，t h e nl e tp a r t i c l eb e a mh i tt h et a r g e to r t w ob u n c h e so fp a r t i c l eb e a mc o l l i d ea n dd e t e c tt h eg e n e r a t e dp a r t i c l e sa f t e rc o l l i s i o n ，a tl a s ts e a r c ht h ed i s c i p l i n eb ya n a l y z i n gt h ep r o d u c t s d u r i n gt h el a s tt w o d e c a d e s ，c o l l l d i n g - b e a mm a c h i n e sh a v eb e c o m ei m p o r t a n ti n t h ef i e l do fp a r t i c l e p h y s i c s ，b e c o m et h el e a d i n gh i g he n e r g ya c c e l e r a t o ra n dd i g g i n gn e wp a r t i c l e si s m o s tf r o me + e c o l l i d e r t h eb e r i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ( b e p c ) w o r k si n 2 - 5 g e vr e g i o n ，a l t h o u g ht h ee n e r g yi s l o w ，i th a si t so w na d v a n t a g ei nt h es t u d y o fc h a r mq u a r t 、fl e p t o n 、l o we n e r g yrv a l u e t h i se n e r g yr e g i o ni n c l u d e ss e r i e s o fr e s o n a n c er e g i o n sa n dg e n e r a t i n gt h r e s h o l dr e g i o n s ，s oi th a st h ec h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha sl i t t l es y s t e m a t i ce r r o ra n d b a c k g r o u n d ，h i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ne t c t h e b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ( b e s ) i s a n o n l yl a r g eg e n e r a lp u r p o s es o l e n o i d a ld e t e c t o ra t t h eb e p c ，o nw h i c ht h ep h y s i c si st os t u d ye + e c o l l i d ep h y s i c si n2 - 5 g e vr e g i o n ，t h ee m p h a s i si si nt h ef c h a r mp h y s i c sa n dt h et o p i c si n c l u d ej 妒p h y s i c s ，口( 2 s ) p h y s i c s ，fp h y s i c s ，d sp h y s i c s ，dp h y s i c sa n d h a d r o n sg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma sw e l l a st h et e s to fq c di n2 - 5 g e v w i t ht h ec o o p e r a t i o no fm a n yd o m e s t i ca n do v e r s e a ss c i e n t i s t s ，t h e r ea r em a n y i n t e r n a t i o n a l l yh i g hl e v e li m p o r t a n tr e s u l t s ，s u c ha s “p r e c i s em e a s u r e m e n to ft h em a s so ft h et l e p t o n ”、“rv a l u em e a s u r e m e n ti n2 5 g e v ”，a n do t h e rs t u d i e si nj 吵、口( 2 s ) 、d sp h y s i c s t h e s er e s u l t sb r i n gu n i v e r s a l r e g a r da n dc o m p r e h e n s i v ea t t e n t i o n f r o m1 9 9 0t ot h ep r e s e n t ，b e sh a sa c c u m u l a t e d6 7m i l l i o nj 妒e v e n t s 、1 7m i l l i o n 妒( 2 s ) e v e n t s 、1 0 0t h o u s a n drp a i r s 、2 2 p b _ 1 a b s t r a c t 博士学位论文 d o c i o k a ld i s s e r r a l i o n e v e n t sa n d2 - 5g e vrv a l u es c a nd a t a i nt h ep a p e rw es t u d yt h et i m e - l i k er e g i o n f o r mf a c t o ro ft h ep r o t o nu s i n gt h e2 - 3g e vrv a l u es c a nd a t a n u c l e o ni sn o tp o i n t l i k e a n dt h ed i r e c te v i d e n c ei sf r o md i r a ce q u a t i o n i fa s s u m i n g t h a tn u c l e o ni sp o i n t l i k e ，f r o mt h ee q u a t i o nt h em a g n e t i cm o m e n to ft h e p r o t o ni s o n eu n i ta n do ft h en e u t r o ni sz e r o ，b u tt h e i rv a l u e sm e a s u r e df r o me x p e r i m e n ta r ea n o m a l o u s b y f a rt h e r ei sn op e r f e c tt h e o r yt od e s c r i b ei t sc o m p l e x s t r u c t u r ea n dw ec a l lo n l ye m p i r i c a l l yu s ee l e c t r o m a g n e t i cf o r mf a c t o rt od e s c r i b e i t sd i s t r i b u t i o no fi n n e rc h a r g e sa n dm a g n e t i cm o m e n t s t h en u c l e o nh a sf o u rf o r m f a c t o r s a c c o r d i n gt op r o t o na n dn e u t r o n se l e c t r o na n dm a g n e t i cm o m e n tr e s p e c t i v e l y ，t h e r ea r ep r o t o n se l e c t r o n i cf o r mf a c t o r 咣( q 2 ) a n dm a g n e t i cf o r mf a c t o r g ( q 2 ) ；n e u t r o n se l e c t r o n i c f o r mf a c t o rg 釜( q 2 ) a n dm a g n e t i cf o r mf a c t o rg m ( q 2 ) t h ee a r l ym e a s u r e m e n t so fp r o t o nf o r mf a c t o rw e r ei nt h es p a c e l i k er e g i o n ，a n d t h e r ea r eal o to fr e s u l t s ，w h i c hs h o wt h a te m p i r i c a ld i p o l ef o r m u l ac a nw o r kw e l lf o r p r o t o nf o r mf a c t o r s w h i l ei nt h et i m e l i k er e g i o n ，i ti s s o m ed i f f i c u l tt om e a s u r e - m e r i tp r o t o nf o r mf a c t o r s ，b e c a u s et h ea n n i h i l a t i o nc r o s ss e c t i o ni ss m a l ls ot h a tt h e e a c he x p e r i m e n t g r o u p sd a t a i sv e r yl i m i t e d e s p e c i a l l yf o r5 9 g e v 2 s 9 g e v 2 ， t h e r ei sr i od a t aa tp r e s e n t r u n n i n gw i t hu p d a t e db e s i if r o mb e s iw a sf i r s t l yd e - v o t e dt oc a r e f u ls c a no ft h erv a l u ec o v e r i n gt h ec e n t e r - o f - m a g se n e r g yo f2 - 5g e v h e r ew eu s ers c a nd a t ao f2 - 3 g e vt os t u d yt h ep r o t o nf o r mf a c t o ro ft i m e - l i k e r e g i o n f i r s t l y b e p c a n db e s ei n t r o d u c e db r i e f l y b e p ci sd e s i g n e ds p e c i a l l yf o rt h e s t u d yo fr c h a r me n e r g yr e g i o np h y s i c s i ti sc o m p o s e do f2 0 2 一m e t e r l o n ge l e c t r o n l i n e a ra c c e l e r a t o ra n d2 4 0 一m e t e r - c i r c u m f e r e n c e s t o r a g er i n g i nt h el i n e a rr e g i o nt h e e l e c t r o na n dp o s i t r o na r ea c c e l e r a t e dt o1 1 1 4 g e v t h e ni n j e c t e dt os t o r a g er i n g i nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o na n da c c e l e r a t e dt on e e d e de n e r g yt oc o l l i d e a tt h es a m e t i m ef o u rh i g hf r e q u e n c yc a v i t i e ss u p p l yt h ee n e r g yt ob e a mc u r r e n tc o n t i n u o u s l y , a b s t r a c t 博士学位论文 d o c t o 凡虬d i s s e r r t i o n w h i c hi sl o s tb e c a u s eo f s y n c h r o n o u sr a d i a t i o n ，a n dk e e pb e a m c u r r e n ti nt h ew o r k i n g e n e r g y b p e ch a s t w o c o l l i d i n gs p o t s ，b u tt h e r e i so n l yb e st ow o r k ，w h i c hi sp l a c e d o ns o u t hc o l l i d i n gs p o t b e si sa no n l yl a r g eg e n e r a lp u r p o s es o l e n o i d a ld e t e c t o r a tb e p c ，u s e dt om e a s u r ei n c l u s i v ep r o c e s s e sg e n e r a t e db ye l e c t r o na n dp o s i t r o n c o l l i d i n ga n ds t u d yt h ec h a r a c t e r sa n di n t e r a c t i o no ft h ef i n a ls t a t ep a r t i c l e s t h e l e n g t ho fb e s i sa b o u t6m e t e r s ，t h ew i d t h w e l la 8t h eh e i g h ti sa b o u t7m e t e r s ， a n dt h ew e i g h ti sa b o u t4 8 0t o n si ti s c o m p o s e do fs u b d e t e c t o r s ，s u c ha sb e a m p i p e ，s t r a wv e r t e xc h a m b e r ，m a i nd r i f tc h a m b e r ，t i m eo ff l i g h tc o u n t e r ，s h o w e r c o u n t e r ，m u o nc o u n t e r ，l u m i n o s i t ym o n i t o r ，m a g n e ts y s t e me t c ，a n da l s oi n c l u d e s g a ss y s t e m ，t r i g g e rs y s t e m ，e l e c t r o n i c ss y s t e m ，o n l i n ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，o f f i i n e d a t aa n a l y s i ss y s t e me t c t h ep r o t o ni d e n t i f i c a t i o ni st h ee m p h a s i so ft h ee v e n ts e l e c t i o n i nt h ee n e r g y r e g i o no f2 - 3 g e v ，f o rt h e f i n a ls t a t e so fp a n d 声，t h em o m e n t u m d i s t r i b u t i o nr e g i o n i sv e r yw i d e t h eb e h a v i o r o f pa n d 卢a t l o w e n e r g y i nt h ed e t e c t o ri sa s y m m e t r y , t h e m a i nr e a s o ni st h a t 乒i se a s yt oa n n i h i l a t ew i t hd e t e c t o rm a t e r i a l t h i sa s y m m e t r y b e h a v i o ri sb e c o m ew e a kw i t ht h ei n c r e a s i n go fm o m e n t u ma n dt h eb e h a v i o ro fp a n d 声i sa l m o s ts y m m e t r y a tl a r g em o m e n t u m f o rt h ep a r t i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，t w o s u b d e t e c t o r st o fa n dm d co fb e s p l a yi m p o r t a n tr o l e w ec a ni d e n t i f yp a r t i c l e o n l yu s i n gt o f o rd e d xi n f o r m a t i o na n da l s ou s i n gc o m b i n a t i o ni n f o r m a t i o no f b o t h t h ed a t at a k e no nb e s i ia x eu s e dt os e l e c ta l lk i n d so fp u r ec h a r g e dp a r t i c l e s a n dw e s t u d yc a r e f u l l yt h epa n d 卢i d e n t i f i c a t i o nf o rt h em o m e n t u mr a n g e si no 3 1 2 g e v ：c o m p a r epa n d 乒p i de f f i c i e n c ya n dt h eo t h e rc h a r g e dp a r t i c l e sm i x i n g r a t ei n3m e t h o d s a n dw e i g h tt h e s er e s u l t st op r o v i d ea no p t i m a lp i ds c h e m ef o r t h ed i f f e r e n tm o m e n t u m pa n d 乒t h i sp i ds c h e m e i sa p p l i e di ne + e 一_ + 印e v e n t s e l e c t i o n a tt h es a m et i m e t h em e t h o da n ds a m p l ei nt h es t u d yo ft h epa n d 声 p i dc a na l s ob eu s e di nt h ep r o c e s so fs y s t e m a t i ce r r o ra n dw ec a np r e s e n tt h ep i d a b s t r a c t 博士学位论文 d o c q o p a ld i s s e r t a l i o n s y s t e m a t i ce r r o rb yc o m p a r i n gt h epa n d 乒p i dd i f f e r e n c eb e t w e e nr e a ld a t aa n d m cd a t a b e c a u s e pa n d 乒a r er e g a r d e d a 8t h ei d e n t i c a lp a r t i c l ei nm c ，s oi tc a d t d e s c r i b et h ef sb e h a v i o ri nt h ed e t e c t o ra n dt h e r ei sl i m i t e dd a t af o re + e 一_ 印 t h ef i n a lc u tc r i t e r i af o r e + e 一- p 乒8 x et h a tt h et r a c kl e v e lc u tc r i t e r i af o r t h ed i f f e r e n te n e r g i e sa r es a m e ；t h em e a s u r e dm o m e n t u mi s r e q u e s t e dl e s s t h a n m p + 5 盯：”“；a c o l ( p ) i sr e q u e s t e d l e s st h a ni 0 。a t2 o g e v ，l e s st h a n5 。a t2 2 g e v ， a n dl e s st h a n3 。a to t h e re n e r g i e s ；p ( p ) i si d e n t i f i e db yd e d xi n f o r m a t i o na t2 0 a n d2 2g e va n db yt o fa to t h e re n e r g i e s f i n a l l yt h ee + e 一_ 印e v e n tn u m b e r i sa t t a i n e df o re a c hc e n t e r o f - 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