山西大学硕士学位论文BESIII实验上的电磁量能器晶体参数测量和Ds衰变的 蒙特卡罗研究姓名：吕绮雯申请学位级别：硕士专业：粒子物理与原子核物理指导教师：刘福虎2009-06I 中中 文文 摘摘 要要 北京谱仪 III （BESIII） 安装在北京正负电子对撞机升级工程 BEPCII 环线上，它运行在 -粲能区，物理目标包括研究弱电相互作用、强相互作用以及新的物理现象。 BESIII 各个系统工作稳定可靠， 到目前为止， 已经获取了 9000 万的 （2S）数据。 高能物理实验中测量粒子总能量的探测器被称为量能器， BESIII采用CsI(Tl)晶体构造的电磁量能器，由桶部和端盖两部分组成，共有 6240 个 CsI(Tl)晶体探测单元。它的基本功能是测量电子和 光子的能量和位置信息。本文重点详细介绍了 BESIII CsI（Tl）晶体量能器使用的前置放大器的相对增益和相对噪声水平的测量方法、测量系统及测量结果。前放盒中左右放大器的相对放大倍数在0.95-1.05 之间， 左右放大器相对放大倍数分布的拟和峰值分别为 0.993 和 0.995。根据这些测量结果， 选择了其中 6240 个左右两个放大器的差异小于 3%的前放盒用在 BES晶体量能器中。 本论文还介绍了测量晶体量能器的 CsI 晶体的相对光输出与相对光输出均匀性的方法， 以及调整相对光输出或相对光输出均匀性不合格晶体的方法和最后的统计结果。最后简单介绍了束流实验中温度对实验的影响。BES晶体量能器已经安装完成，并且通过了实际物理取数的测试，全部前放工作正常。 另一主要工作是 BESIII 环境下的物理分析工作， 主要是通过 Monte Carlo 模拟研究 Ds 介子的纯轻子衰变过程sD，得到 Ds 介子的衰变常数 fDs在BESIII 实验上所能达到的测试敏感度。 其主要意义是对格点 QCD 理论进行检验。目前 CLEO 和 Belle 实验测量得到的衰变常数 fDs与格点 QCD 理论计算得出的结果比较，两者衰变常数值相差约 4。所以需要实验上给出更精确的测量结果。对实验与理论是否存在差异给出定性结论， 对未来的物理理论的修正与发展具有非常重要的物理意义。 本文详细介绍了在 BESIII 环境下使用模拟数据对 Ds 介子的纯轻子衰变sD分之比测量的详细研究。 关键词：北京谱仪 III；电磁量能器；前置放大器；Ds 介子；纯轻子衰变 II ABSTRACT Beijing Spectrometer III (BESIII) is installed along the ring of BEPC-II, which is an upgrade project to the Beijing Electron Positron Collider (BEPC). The BESIII experiment working at the tau-charm energy region aims at studying electroweak interactions, strong interactions and new physics. Every each sub-detector on BESIII have been in operation successfully, and have taken data of (2S) about 9107. A detector measuring the total energy of particles is called calorimeter in high energy physics experiments. BES detector leading to the design of the EMC based on CsI(Tl) crystals. The Electro-Magnetic Calorimeter (EMC) is composed of one barrel and two endcap. It has 6240 CsI(Tl) crystals, whose primary function is to measure precisely energies and positions of electrons and photons. This thesis introduces the a method to get the relative gain of preamplifier of The BES CsI (Tl) Crystal calorimeter and asymmetric relative gain of two channels, the measuring system, and show the results of the measurement. And give result of light output and non-uniformity of the crystals. The crystal installation has finished, and passed the real data collected test. Another main work is Physics analysis under BESIII environment. The study is mainly the Ds Mesons lepton decay. Form the Monte Carlo simulation at BESIII about sD we can get the decay constant fDs. The purpose of this work is to check the theory of gird QCD. At present the comparison between the results from CLEO EMC; preamplifier; Ds meson; Leptonic decay1 引引 言言 “物质结构、宇宙起源、生命奥秘”是当代自然科学三大基本问题，对于位于其首的物质结构问题的研究，自 20 世纪初期以来有了飞跃的发展，从原子深入到电子、原子核、质子、中子，再进一步到夸克和轻子，通过对物质结构的深入探究，自然的统一性逐渐显明出来。迄今为止的一切经验表明，所探寻的系统越小，所发现的原理就越基本。按照这一经验来看，被我们偶然发现的世界的复杂性，在很大程度上是我们的物质取样系统的能量相对较低的结果，随着取样系统的能量越来越高，自然的统一性和质朴性也会变得越来越明显。近代世界各国投入了无数的人力物力去建造超高能粒子加速器， 为的就是闯进那质朴的状态去探寻究竟。 1989 年开始运行的北京正负电子对撞机 （BEPC） 和北京谱仪 （BES） 在粲物理实验研究领域处于国际领先地位，取得了如轻子质量的精确测量和对2-5GeV 能区的强子 R 值的精确测量等重要成果。其改造工程 BEPCII/BESIII 相对改造前在加速器亮度与探测器性能上全面提高， 可以实现如 3-4 GeV 能区精确测量和研究 J/和能区内的稀有衰变等重大物理目标。BESIII 包括漂移室、飞行时间计数器、CsI（Tl）晶体电磁量能器、 子鉴别器和超导磁体等探测装置。其中 CsI（Tl）晶体作为 BES 实验上首次使用的全吸收型电磁量能器，可以精确测量中性粒子光子的能量，同时还有鉴别粒子功能。 本论文分为四章介绍了我在 BESIII 量能器组的晶体测量工作、束流实验工作以及在 charm 组的物理分析工作。第一章为引言。第二章介绍本论文的项目背景，包括 BEPC/BES 及其改造工程 BEPCII 和 BESIII。第三章重点详细介绍了晶体电磁量能器前置放大器相对增益的测量原理、测量方法以及测量结果，还介绍晶体电磁量能器的 CsI（Tl）晶体的相对光输出与均匀性的测量方法，以及调整相对光输出或均匀性不合格晶体的方法和最后统计结果， 最后简单介绍了束流实验中温度对束流实验的影响。第四章介绍了 Ds 物理的背景，测量 Ds 介子的纯轻子衰变意义，重点介绍了 (4160)能量点下测量 Ds 的方法以及给出模拟计算出的主要系统误差。 2 第一章第一章 粒子物理的理论与实验粒子物理的理论与实验 1.1. 粒子物理理论粒子物理理论 在粒子物理理论12中标准模型是一套描述强相互作用力，弱相互作用力以及电磁相互作用力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论兼容。迄今为止，几乎所有对以上三种相互作用力的实验结果都在该理论的预测范围之内。标准模型认为，所有物质都是由夸克、轻子和传播相互作用的波色子组成的。这些夸克和轻子都是费米子，拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理， 而波色子则拥有整数自旋且并不遵守泡利不兼容原理。其中，夸克和轻子又分为三代：第一代包括上夸克 u、下夸克 d、电子及电子中微子；第二代包括粲夸克 c、奇异夸克 s、 轻子和 中微子；第三代包括顶夸克 t、底夸克 b、 轻子和 子中微子。其中，所有普通物质都是第一代的粒子所组成，第二及第三代粒子只能在高能量反应中制造出来，而且会在短时间内衰变成第一代粒子。 把这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一的分别就是它们的质量，具体性质请见图1。 图 1 基本粒子的分类 3 标准模型所包含的波色子有胶子，光子，W 及 Z 波色子以及希格斯粒子。其中前三种波色子分别作为强相互作用， 电磁相互作用， 弱相互作用的媒介粒子；希格斯粒子则是惯性质量的源头，由它引导规范组的自发对称性破缺。由于标准模型未能描述引力相互作用， 因此同样为波色子的引力子就没有被包含在标准模型之中。四种相互作用的具体性质见表 4 表 4 四种玻色子传播子性质 名称 相互作用 自旋/宇称 力程(m) 作用强度 理论描述 胶子(g) 强相互作用 1 10-15 1 量子色动力学(QCD) 光子() 电磁互作用 1 10-2 量子电动力学(QED) W Z0 弱互作用 1 1+ 10-18 10-5 量子味动力学(QFD) 引力子(G) 引力相互作用 2+ 10-39 广义相对论 1.2. 粒子物理实验粒子物理实验 粒子物理实验可概括为粒子源、探测器和数据分析三个组成部分。其中粒子源可以是加速器或对撞机，也可以用不是加速器的宇宙线；探测器则五花八门、种类繁多，仅在粒子探测技术方面，就有 C.T.R 威尔逊等六位科学家获得了诺贝尔奖。现代比较常用的是各种电子学探测器，比如用于固定靶和对撞机的大型综合多粒子谱仪和用于非加速器宇宙线实验的大型电子学探测器阵列。 加速器粒子物理实验可以分为两种类型：固定靶实验和对撞实验。在固定靶实验中，高能量的粒子束流轰击固体或液体靶，产生大量的次级粒子进行测量；在对撞实验中，两束高能量的粒子束流在储存环中反向运动，在特定的对撞点对撞。其中，固定靶实验可以使用较多的束流粒子种类，反应末态丰富，可以获得较高的亮度，但是只有一部分束流能量能够转化为反应的质心系能量。 而对撞实验中的束流能量则可全部转化为质心系能量，但是束流之间的相互作用限制了亮度的提高，束流的种类和反应末态都不是很丰富。通常来说，强子对撞机由于可以获得更高的质心系能量，因此通常用来探索新能区物理，而电子对撞机由于本底较低，通常用于精确测量。 高能量前沿： 即采用更高的工作能量， 在高能量下寻找新粒子， 发现新现象。这以正在欧洲核子中心（CERN）建造中的大型强子对撞机-LHC为代表。LHC以寻找标准模型中的Higgs粒子和探索新物理为主要目标。 4 高亮度前沿：即在某一特定能量下提高对撞亮度，产生大量的某类粒子（被形象的称之为粒子工