通过Primakoff效应高精度测量π~0介子的寿命

发布时间：2020-10-18 12:43

　　 π0介子作为强子谱中最轻的粒子,对QCD基本对称性问题的理解起到至关重要的作用。QCD手征微扰论对π0介子寿命的理论预测精度达到了1%左右。美国国家实验室Jefferson Lab进行的PrimEx实验项目,利用Primakoff效应力求以1.4%的实验精度测量π0介子寿命,从而严格检验这个基本的理论预测结果。该项目的第一期实验PrimEx-Ⅰ的实验结果测量精度为2.8%,这个结果很大程度上提高了PDG收录的π0介子寿命的精度。为了达到最终1.4%的测量精度,PrimEx合作组在2010年进行了第二期实验PrimEx-Ⅱ。本论文主要介绍primex-Ⅱ的实验数据分析和π0介子衰变宽度的提取。PrimEx实验利用JLab Hall B的光子标记设备Tagger产生的韧致辐射光子照射实验靶,通过Primakoff效应产生π0介子,其中韧致辐射光子的能量范围为4.4GeV到5.3GeV。π0介子在很短的时间内(10-17秒),以98.8%的分支比衰变为两个光子,这两个光子最终会被高分辨率的电磁量能器HyCal探测,并提供其能量、时间和位置信息。根据这些信息重建π0介子的四维矢量(4-vectors),得到小角度范围内(00-2.50)光致生成π0介子的微分截面。最后通过拟合分析微分截面来提取Primakoff效应的贡献,从而得到π0介子的衰变宽度Γπ0→rr°本论文首先对部分探测器标定做了分析和介绍。然后分析实验数据并提取光致生成π0介子的微分截面和π0介子的衰变宽度Γπ0→rr°π0介子衰变宽度的初步结果为：对于12C靶,Γπ0→rr°=7.69±0.12(stat.)eV;对于28Si靶,Γπ0→rr°=7.76±0.065(stat.)eV。目前已经完成实验测量Γπ0→rr°的绝大部分系统误差分析,现有系统误差分析结果为0.50%(12C),0.58%(28Si)。其余的系统误差项分析将作为本论文的后续工作。除了分析光致生成π0介子反应总截面,本论文还分析并提取了12C靶和28Si靶的光子反应总截面,来间接验证实验靶厚度和密度的测量结果。目前光子反应总截面的分析精度约为2%,该结果还需要与其它理论和实验结果进行对比。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O572.33
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章引言
第二章物理研究意义与进展
    2.1 物理研究意义
π^{0
→γγ实验的简介'>    2.2 几种测量Γ_{π^{0
→γγ实验的简介
        2.2.1 直接测量法（Direct Method）
        2.2.2 双光子反应法（γγ Collision Method）
        2.2.3 利用Primakoff效应测量法（The Primakoff method）
    2.3 PrimEx实验
第三章实验装置
    3.1 概述
    3.2 Jeffrson Lab加速器
    3.3 Hall B光子标记设备（Photon Tagger）
    3.4 PRIMEX-Ⅱ实验靶
    3.5 正负电子符合谱仪PS（Pair Spectrometer）
    3.6 混合电磁量能器（The Hybrid Calorimeter,简称HyCal）
    3.7 全吸收型计数器TAC（The Total Absorption Counter,TAC）
第四章探测器标定
    4.1 Tagger内部探测器的时间校准
        4.1.1 T-counter左右符合信号的时间校准
        4.1.2 相邻T-counter的符合信号时间校准
        4.1.3 T-counter和E-counter的符合信号时间校准
    4.2 检查HyCal ADC的工作状态
    4.3 HyCal位置坐标的校准
0}介子产额随成角在X和Y轴投影的分布'>        4.3.1 π⁰介子产额随成角在X和Y轴投影的分布
        4.3.2 “单臂的”Compton事件
    4.4 本章小结
0}}介子反应截面和Γ_{π^{0
→γγ的测量'>第五章光致生成π⁰介子反应截面和Γ_{π^{0
→γγ的测量
    5.1 数据选择
0}的不变质量和生成角度'>    5.2 重建π⁰的不变质量和生成角度
        5.2.1 束流光子的选择
        5.2.2 Cluster-pair的选择
0}}介子的不变质量M_γγ和生成角度θ_{π^{0
'>        5.2.3 重建π⁰介子的不变质量M_γγ和生成角度θ_{π^{0

        5.2.4 能量约束条件（Energy Constraint）
0}介子产额'>        5.2.5 π⁰介子产额
    5.3 两种实验本底的扣除
        5.3.1 光致生成ω介子本底
        5.3.2 “最佳时间”束流光子选择法引入的本底
0}}介子生成的实验模拟'>    5.4 光致π⁰介子生成的实验模拟
0介子的反应截面'>    5.5 光致生成π⁰介子的反应截面
        5.5.1 入射光子总数
        5.5.2 实验靶的厚度和密度
        5.5.3 实验效率
        5.5.4 实验结果
    5.6 系统误差分析
0→γ γ的分支比'>        5.6.1 π⁰→γ γ的分支比
        5.6.2 实验靶的厚度和密度
        5.6.3 单个γ光子能量的截断
        5.6.4 双光子能量之和的截断
        5.6.5 HyCal的坐标原点校准
        5.6.6 HyCal的XY平面垂直度校准
        5.6.7 时间偶然符合修正
        5.6.8 时间tdiff截断的效率
        5.6.9 实验靶与HyCal之间距离的测量不确定度
        5.6.10 “最佳时间”TAGM光子的选择
        5.6.11 由ω本底扣除引入的系统误差
        5.6.12 实验误差总结
    5.7 本章小结
第六章光子反应总截面的测量
    6.1 理论背景简介
28Si靶的光子反应总截面计算公式'>        6.1.1 ²⁸Si靶的光子反应总截面计算公式
12C靶的光子反应总截面计算公式'>        6.1.2 ¹²C靶的光子反应总截面计算公式
in}和出射光子数N_out的探测与分析'>    6.2 入射光子数N_in和出射光子数N_out的探测与分析
absolute}和N_in'>        6.2.1 光子绝对标记率R_absolute和N_{in
        6.2.2 N_out及光子与靶物质发生相互作用的概率η
    6.3 实验数据分析
        6.3.1 实验数据介绍
        6.3.2 TAC ADC増益的刻度
cut以及它的效率'>        6.3.3 光子能量沉积率的阂值R_cut以及它的效率
        6.3.4 TAC和Tagger时间符合事件的确定
    6.4 光子反应总截面的实验结果与讨论
        6.4.1 TAC ADC增益和pedestal的不确定度引起的系统误差
cut的不确定度引起的系统误差'>        6.4.2 光子能量沉积率阈值R_cut的不确定度引起的系统误差
        6.4.3 由TAC TDC cut的不确定度引起的系统误差
        6.4.4 由ε的不确定度引起的系统误差
        6.4.5 由α的不确定度引起的系统误差
        6.4.6 由光子绝对标记率的稳定性引起的系统误差
        6.4.7 结果与讨论
第七章实验总结与展望
    7.1 实验创新点
    7.2 实验总结和展望
附录
参考文献
在学期间的研究成果
致谢

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本文编号：2846317

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