WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

БОГОМЯГКОВ Антон Викторович ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЦЕНТРА МАСС В ПРЕЦИЗИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА ВЭПП-4М 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника АВТОРЕ ФЕ РАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК – 2007

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Тумайкин — доктор физико-математических наук, Герман Михайлович профессор, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Эйдельман — доктор физико-математических наук, Юрий Исаакович Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Сербо — доктор физико-математических наук, Валерий Георгиевич профессор, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ — ГНЦ РФ "Институт физики высоких ОРГАНИЗАЦИЯ: энергий г. Протвино, Московская область.

Защита диссертации состоится “ ” 2007 г.

в “ ” часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01 Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан “ ” 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В 2002 году в ИЯФ СО РАН на коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР были завершены эксперименты по высокоточному измерению масс J/- и - мезонов. По сравнению с мировыми данными значения масс были измерены примерно в три раза точнее, и в десять раз точнее по сравнению с предыдущими измерениями на ВЭПП-4 с детектором ОЛЯ (новые значения масс: MJ/ = 3096.917 ± 0.010 ± 0.007 МэВ, M = 3686.111 ± 0.025 ± 0.009 МэВ).

Первое прецизионное измерение масс J/- и (2S)- мезонов установило шкалу масс в области 3 ГэВ, что явилось основой для точного определения положения состояний чармония. В настоящее время значения масс J/- и (2S)- мезонов являются реперами на энергетической шкале, и используются для калибровки ускорителей и определения масс других частиц, например, лептона как было сделано в эксперименте на Пекинском электрон-позитронном коллайдере. Дальнейшее уточнение значений масс мезонов позволяет проверить предсказания решеточных расчетов в КХД и кварковых потенциальных моделей.

Успешное проведение прецизионных экспериментов на встречных пучках требует знания средней энергии взаимодействия частиц в системе центра масс с высокой точностью. Для этого проводится абсолютная калибровка энергии пучка в ускорителе, затем по кинематическим соображениям рассчитывается средняя энергия взаимодействия частиц в системе центра масс. В результате, точность определения энергии взаимодействия определяется ошибками абсолютной калибровки энергии и погрешностями расчета средней энергии взаимодействия.

Наиболее точным способом абсолютной калибровки энергии является метод резонансной деполяризации (МРД), основанный на одновременном измерении частоты прецессии спина и частоты обращения частиц в накопителе. Теоретическая возможность определения энергии частиц таким способом была осознана в конце 60-х годов. В середине 70-х и начале 80-х в ИЯФ СО АН СССР на накопителе ВЭПП-2М этот метод был впервые реализован и применен в эксперименте по прецизионному измерению масс -мезона и K±-мезонов. Затем подобные эксперименты были проведены на ускорителе ВЭПП-4 в отношении масс J/-, -, -, - и -мезонов и в 1993 году была измерена масса Z-бозона на ускорителе LEP.

В экспериментах на ВЭПП-4М, проведенных с 2001 по 2005 год, достигнутая точность измерения энергии частиц составила 10-6, что почти на порядок точнее, чем в предыдущих экспериментах, и примерно в сто раз меньше по величине, чем энергетический разброс в пучке.

Целью настоящей работы являлось:

• изучение всех возможных ошибок и поправок в определении энергии в системе центра масс в прецизионных экспериментах на ВЭПП-4М, в том числе и неточностей связанных с применением метода резонансной деполяризации для абсолютной калибровки энергии пучка;

• изучение влияния различных элементов ускорителя на энергию пучка;

• определение требований на стабильность элементов и параметров ускорителя.

Также рассмотрены и решены задачи связанные с контролем, записью, анализом параметров ускорителя.

Научная новизна 1. Впервые наиболее полно рассмотрены ошибки и поправки определения энергии в системе центра масс в прецизионных экспериментах на ВЭПП-4М по определению масс J/-, - мезонов, выполненных с точностью, примерно, в три раза более высокой, чем для среднемировых данных.

2. Уточнено влияние вертикальных искажений орбиты на точность определения энергии методом резонансной деполяризации.

3. Рассчитаны вклады в ошибку определения энергии в системе центра масс от следующих эффектов: хроматизм оптических функций в месте встречи, дисперсия разного знака для электронов и позитронов в месте встречи, зависимость сведения пучков в месте встречи от тока пучков.

4. Составлены требования на стабильность магнитов ВЭПП-4М.

Практическая ценность проведенных исследований 1. Проведенные исследования позволили уменьшить систематические ошибки в экспериментах по измерению массы J/- и - мезонов, выполненных примерно в три раза точнее, чем среднемировые данные, и в десять раз точнее по сравнению с предыдущими измерениями на ВЭПП-4 с детектором ОЛЯ.

2. Уточнение влияния вертикальных искажений орбиты на точность определения энергии методом резонансной деполяризации, а также и других факторов, позволили установить предел точности в 1.5 кэВ ( 10-6) на соответствие измеренной частоты деполяризации — значению энергии пучка.

3. Предложены и реализованы меры по уменьшению систематической ошибки определения энергии взаимодействия пучков в системе центра масс, связанной с хроматизмом оптических функций в месте встречи, дисперсии разного знака для электронов и позитронов в месте встречи и зависимости сведения пучков в месте встречи от токов пучков.

4. Приведенные таблицы требований на стабильность токов, магнитных полей и геометрического положения магнитных элементов ускорителя для обеспечения стабильности энергии на уровне 10-позволяют выбрать модель интерполяции поведения энергии пучка в период времени между калибровками.

5. Приведенные таблицы поправок и ошибок абсолютной калибровки энергии МРД и определения средней энергии взаимодействия пучков в системе центра масс позволяют оценивать точность планируемых экспериментов на встречных пучках.

6. Написанное программное обеспечение позволяет наблюдать и анализировать состояние различных параметров коллайдера, измерять пульсации ведущего поля ускорителя, что важно для обеспечения высокой точности калибровки энергии пучков, управлять положением счетчиков поляриметра относительно пучка, что позволяет оптимизировать скорость счета рассеянных электронов и уменьшить статистическую ошибку калибровки энергии.

Результаты исследований являются важной частью выполненных экспериментов по измерению масс J/- и - мезонов на коллайдере ВЭПП4М, могут быть использованы при планировании прецизионных экспериментов на встречных пучках в ИЯФ СО РАН, а также в других ускорительных центрах России и за рубежом на установках со встречными пучками.

Апробация диссертационной работы Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИЯФ СО РАН (Новосибирск). Кроме того, результаты работ докладывались на Азиатской конференции по ускорителям заряженных частиц (Пекин, Китай, 2001), конференции по ускорителям заряженных частиц (Чикаго, США, 2001), VIII Международной конференции по ускорителям и системам управления большими физическими установками (Сан-Хосэ, США, 2001), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Париж, Франция, 2002), XVIII конференции по ускорителям заряженных частиц (Обнинск, Россия, 2002), IV Международном совещании по персональным компьютерам и системам контроля ускорителей частиц (Фраскатти, Италия, 2002), совещании по системам управления ускорителями (Япония, 2003), III Азиатской конференции по ускорителям заряженных частиц (Генжу, Корея, 2004), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Люцерн, Швейцария, 2004), конференции по ускорителям заряженных частиц (Кноксвил, США, 2005), XIX Международном совещании по ускорителям заряженных частиц (Алушта, Россия, 2005), VII Европейском совещании по диагностике пучков в ускорителях заряженных частиц (Лион, Франция, 2005), Европейской конференции по физике высоких энергий (Лиссабон, Португалия, 2005), X Международной конференции по ускорителям и системам управления большими физическими установками (Женева, Швейцария, 2005), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Эдинбург, Шотландия, 2006), Российской конференции по ускорителям заряженных частиц (Новосибирск, Россия, 2006).

Публикации По материалам диссертации опубликовано более 20 работ.

Структура работы Текст диссертации состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Текст содержит 127 страниц машинописного текста, включая 34 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 44 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель диссертационной работы — определение энергии пучков в системе центра масс в прецизионных экспериментах на ускорителе ВЭПП-4М. Дано краткое описание исследуемых вопросов и проведено сравнение с предыдущими экспериментами, где использовался метод резонансной деполяризации для абсолютной калибровки энергии пучков.

В первой главе приводится описание установок на которых были проведены эксперименты: в §1.1 коллайдера ВЭПП-4М и его магнитной структуры, в §1.2 универсального магнитного детектора КЕДР.

Вторая глава посвящена описанию метода резонансной деполяризации для определения средней энергии пучка.

В §2.1 кратко рассмотрена прецессия спина во внешних электромагнитных полях и сформулировано условие для резонансной деполяризации пучка.

В §2.2 приведено описание метода регистрации поляризации пучка с помощью эффекта внутрисгусткового рассеяния частиц. Суть этого эффекта состоит в том, что поперечные импульсы частиц пучка, совершающих поперечные бетатронные колебания вокруг замкнутой орбиты, при рассеянии друг на друге могут перейти в продольные. Если же новые продольные импульсы частиц не принадлежат продольному импульсному акцептансу, то частицы выбывают из пучка. Выражение для скорости счета рассеянных частиц зависит от степени поляризации пучка. Регистрация изменения скорости счета, в момент деполяризации, затруднена временными нестабильностями пучка, влияние которых примерно совпадает по величине с эффектом, составляющим по величине 12 %. Поэтому, на ВЭПП-4М регистрируются рассеянные частицы от двух сгустков, отстоящих друг от друга на полпериода обращения, один из сгустков поляризованный, а другой нет. С помощью введенных в вакуумную камеру сцинтилляционных счетчиков измеряются скорости счета рассеянных электронов от поляризованного и неполяризованного сгустков соответственно, и вычисляется их отношение. В момент деполяризации происходит скачок в наблюдаемом отношении. Деполяризация осуществляется внешней ТЕМ волной, частота которой линейно изменяется в диапазоне, заведомо перекрывающем значение ожидаемой частоты прецессии спина.

По моменту времени, в который произошел скачок в отношении скоростей счета, находится частота деполяризатора, знание которой, позволяет вычислить энергию пучка.

В §2.3 приведены формулы, позволяющие вычислить энергию пучка по измеренной частоте спиновой прецессии для идеального случая плоской орбиты. В этом случае частота прецессии спина и энергия определяются только интегралом ведущего поля ускорителя.

Реальные частицы совершают синхротронные колебания, испытывают флуктуации излучения, что приводит к возникновению бетатронных колебаний и, из-за наличия секступольного градиента, вызывает отличие среднего по пучку интеграла ведущего поля от соответствующего интеграла равновесной частицы. Наличие локальных вертикальных и горизонтальных искажений орбиты, сдвигает энергию частиц, из-за эффекта искажения орбиты, относительно энергии на орбите без искажений. Таким образом, средняя энергия пучка не совпадает с равновесной энергией, а равновесная энергия отличается от энергии на плоской орбите, что необходимо учитывать при проведении калибровки энергии в экспериментах.

Зависимость частоты прецессии спина и частоты обращения частицы от энергии приводит к зависимости средней частоты прецессии спина от коэффициента уплотнения орбиты и его хроматизма (не нулевой хроматизм приводит к нарушению симметрию распределения частиц по энергии и по частоте прецессии спина). Локальные искажения вертикальной орбиты могут приводить к сдвигу средней частоты прецессии спина относительно определяемой на плоской орбите, из-за влияния комбинаций вертикальных и горизонтальных полей. Нескомпенсированное продольное поле детектора приводит к аналогичному эффекту. Ошибки выставки магнитов по вертикали и вертикальные бетатронные колебания нарушают условие плоскостности орбиты, что вместе с выше перечисленными причинами, нарушает пропорциональность между средней частотой прецессии спина и средней энергией пучка.

Таким образом, измеренная средняя частота прецессии спина не пропорциональна ни средней энергии частиц, ни равновесной, следовательно, требуется вносить поправки, учитывающие эти эффекты.

Приведены расчеты эффектов влияющих на точность определения средней энергии пучка по измеренной частоте прецессии спина, а именно:

влияния коэффициента уплотнения орбиты и его хроматизма, влияния вертикальных искажений орбиты и продольного поля детектора.

В §2.4 проанализированы факторы, влияющие на точность определения частоты прецессии спина, такие как ширина спинового распределения, боковые резонансы, влияние величины поля деполяризатора и точности измерения частоты обращения и частоты деполяризатора.

Втретьей главе рассмотрена зависимость средней энергии от параметров накопительного кольца.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»