PRODUQAO DE MESONS D± EM COLISOES K+-NUCLEON A 250 GeV

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2 Tese de DOUTORADO, PRODUQAO DE MESONS D± EM COLISOES K+NUCLEON A 250 GeV Helio da Motta Filho Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas Rio de Janeiro, novembro de 1993

3 AGRADECIMENTOS A realiz~ de um trabalho como 0 &qui apresentado nio epossivel sem a colabora~... de varias pessoas e institui~. Devo agradecimentos a. minha esposa Sheila por todo 0 apoio, incentivo e estimulo, sem os quais minha jomada rumo a esta tese sequer teria se iniciado e muito menos conc1uida; ao professor Alberto Santoro que aceitoume como seu aluno e demonstrou imedida paciencia, compreensio e tolerincia ao longo de todo 0 periodo, sempre lutando para que 0 nosso grupo pudesse dispor das melhores condi~ de trabalho; ao professor Jeffrey Appel (FERMILAB) pela coorient~, apoio e aten~ que a mim dedicou durante os tres anos que passei no FERMILAB; ao professor Moaeyr Souza pela coorient~ de meu trabalho; &08 professores Francisco Caruso(CBPF), Bernard Marechal(UFRJ), Bruto Pimentel(IFT) e aprofessora Neuza Amato(CBPF) por aceitarem 0 convite para participarem da banca de julgamento de minha tese e ao professor Joio dos Anjos(CBPF) pela mesma razio e pela amizade demonstrada ao longo dos tiltimos anos; ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnol6gico (CNPq) pela bolsa concedida; a colabor~ E769 (apresentada adiante) pela oportunidade de participar de urn experimento de tal porte; ao Laborat6rio de Cosmologia e Fisica Experimental de Altas Energias (LAFEX) pelas condi~ de trabalho oferecidas, tanto materiais quanto pelo ambiente; ao pessoal de sistema do LAFEX por toda a paciencia e boa. vontade com rel~ a minhas idiossincrasias computacionais; abiblioteca do Centro Brasileirode Pesquisas Fisicas pelo 6timo"suporte oferecido; ao professor Gilvan Alves pelo companheirisldo e carater; ao professor Jose Roberto Mahon pela amizade; ao Marcelo Nicola, Regio Gomes e Alexandre Leoni por eriarem um ambiente descontraido (as vezes

4 ate demais) e propicio eo convivio humano; eo Wagner Carvalho, Javier Solano e Carla Gobel pela camaradagem; eo Stanley Orr, Sergio de Souza e farm1ias pela grande ajuda dadas a mim e a Sheila durante n08sa estada no FERMILAB, 0 que facilitou enormemente nossa adapt~

5 A Colabora~ao E769 G.A. Alves,(l) S.Amato,(l)ic. Anjos,(l) J.A. Appel,(2) S.B. Bracker,(S) L.M. Cremaldi,(3) C.L. Darling,(8) R.L. Dixon,(2) D. Errede,(7) H.C. Fenker,(2) C. Gay,(S) D.R. Green,(2) R. Jedicke,(S) D. Kaplan, (.) P.E. Karchin,(8) S. Kwanp) I. Leedom,( ) L.H. Luekingp) G.J. Luste,(S) P.M. Mantsch,(2) J.R.T. de Mello Neto,(l) J. Metheny,(6) R.H. Milburn,(6) J.M. de Miranda,(l) H. da Motta Filho,(l) A. Napier,(6) A.B. d' Olivera, A.C. dos ReiS,(l) S. Reucroft,( ) A.F.S. Santoro,(l) M. Sheaff,(7) M.H.G. Souza,(l) W.J. Spalding,(2) C. Stoughtonp) M.E. Streetman,(2) D.J. Summers,(3) S.F. Ta.kach,(8) Z. Wu(8) (l)centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Rio de Janeiro, Brasil. (2)Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Dlinois, (3)University of Mississippi, University, MS ( )Northeastern University, Boston, MA (5)University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada., M5S la7 (6)Tufts University, Medford, MA (7)Universityof Wisconsin, Madison, WI (8)Yale University, New Haven, CT

6 Resumo Medemse as distribui~ nas variaveis x de Feyman, xh e no momento transverso, P~ e Ph dos mesons D:t produzido em inter~ K+nucleon a 250 GeV analizandose 0 canal de decaimento D:t + K T1r:t1r%. Estas distribui~ sao ajustadas a curvas A(I XI)", Be.~ e Ce~'p, obtendose n = 4,366 ± 1,575 ±0,327, b = 1,243 ± 0, U2 ± 0,062 GeV2 e 1/ =2,689 ± 0,440 ± 0, 150 GeVl, valores comparaveis &os obtidos a partir de intera es ",nucleon a mesma energia. The XIt P~ Abstract and Pc distribution of D:t mesons produced by 250 GeV K+nucleon interactions are mesuered through the decay channel D% + K T1r:t1r:t. The distributions are fit to A(1 xj)", Be~ and Ce~'Pt producing n =4.366 ± ± 0.327, b = ± ± GeV2 and 1/ = ± ± GeVl. These values are compatible with the ones obtained for 250 GeV 1('nucleon interactions.

7 ~ Indice 1 Introdu~io 1 2 Produ~io de Charme via Hadrons 2.1 A produ~ de charme Fun~ de distribui~ 2.3 S~ de choque pontual S~ de choque total S~ de choque diferenciais Fragment~ Efeito lideran~ Resultados experimentais Sistema de Identiflca~iodo feixe 3.1 DISC. 3.2 TRD Eletronica de leitura Alvo Segmentado da E769 36

8 5 0 E.peetrometro do Experimento E' SMD Leitura e Eficiencia do Sistema de SMD 5.2 Magnetos Cimaras a fio Cimaras de arrasto Eletronica de leitura Calibr~io das ca.maras Cimaras proporcionais.. 5,4 Cerenkov Calonmetros SLIC Hadrometro Barreira de ~ T Paredes de muons A Sel~io de Eventos o gatilho da E Sinais secund8rios Reali~ do gatilho da E '1 o Sistema de Aquisi~io de Dados 92::. 7.1 Aquisi~ de dados A Opera~io da E'169..,; 96

9 8.1 Monitoramento o sistema. intersalvas o a.larme da E Reconltru~io e Monte Carlo 9.1 Algoritmo de reconstruc;io PASSO PASSl PASS2 9.2 Pair strip Monte Carlo. 10 An'1ile dol Dadol 10.1 Obten~ do sinal Otirnizac;io do conjunto de cortes 10.3 Sel~ de eventos induzidos por intera es bonnucleon 10.4 Separ~ da amostra em intervalos de %/ e de p~ 10.5 Determin~ da eficiencia Sinal total e ~ de choque diferenciais Enos aistematicos Enos sistematicos devido ao gatilho e a simul~ do Cerenkov Enos sistematicos devido &OS cortes empregados Enos sistematicos devido a fix~ da largura da gaussiana '7'11

10 Err08.istematicos devido ao metodo de ajuste 10.8 Compar~io com outras medidas. 11 Conclu8oe

11 Lista de Figuras 2.1 Produ~io hadronica de charme. 2.2 Fun~ de distribui~io de partons em pions 2.3 Fun~ de distribui~ de partons em K Mecanismos hadronicos de produ~io de charme em primeira ordem 2.5 S~io de choque partonparton em primeira e segunda ordem. 2.6 S~io de choque para produ~ de cha.rme ~ de choque com termos de ordens superiores S~ de choque diferencial em fun~ de Z I para feixes de 1r e de protons S~ de choque diferencial em fun~ de ~ para feixes de 1r e de protons Fun~ de fragment~ D:' Resultados do par8.metro n para medidas em produ~io de mesons D, segundo dados da tabela Resultados do parimetro b para medidas em produ~io de,mesons D, segundo dados da tabela DISC e TRD na linha de feixe Estrutura do DISC. 3.3 MOdulo de TRD V

12 3.4 M6dulo8 de TRD excitado8 por evento Sinal do DISC TRD x DISC Eletronica do TRD alvo da experiencia E Planta do laborat6rio Espectrometro da E Estrutura basica do SMD 5.4 Dois pianos de SMD constituindo urn sistema de coordenadas 5.5 Distribui~ dos pianos de SMD Estrutura basica de urn detetor de fios 5.7 Constru~ tipica de cimaras a fios Geometria dos pianos das cimaras de arrasto 5.9 Distribui~ de tempos para urn plano da cimara de arrasto 5.10 Residuos nas camaras de arrasto Distribui~ de trajet6rias dentro de urn plano Detetor Cerenkov Cl e Cerenkov C Intensidade de luz versus momentum 5.14 Optica de Cl e de C U80 de cones de Winston Produ~ de chuveiro de particulas v

13 5.17 Estruturas buicu de calorimetros Con.titui~ do SLIC Estrutura basica do SLIC Constitui~ do hadrometro Curva de atenu~io do hadrometro Parede posterior de muons Parede anterior de muons Distribui~ de ET Diagrama do gatilho ET Obten~ dol sinais GBelNT Setores E, 0, T, B e C Obten~doDIMUON Obten~ de MUCAL, PAD e VETO do DIMUON Gatilho da E " Sistema de aquisi~ de dados da E Sistema de monitor~ on line da E SDZ, RATIO e PT2SUM Sinal e ruido Otimiz~ de cortes em SDZ e DIP '.' Cortes com eficiencias 116 V1

14 10.4 Probabilidade du particulas incidentes Espectro de massa K=f",z",z Espectro de musa K=f 1r z 1r z em intervalos de Z J Espectro de m8bsa K=f 1r z 7[z em intervajor de n 2 1"

15 Capitulo 1 Introdu~ao o estudo du simetriu sempre teve um papel fundamental na compreensao da fisica du partkulu elementares e suas inter~. Em particular, GellMann[1] e Ne'eman[2] verificaram que mesons e banons pederiam ser c1assificados em multipletos de SU(3). Os quarks u, d e ~, por eles entendidos como entidades matematicas, sao hoje vistos como 08 constituintes Ultimos da materia hadronica. Em 1964 Bjorken e Gluhow[3] postularam a existencia de um quarto quark, charme, tendo por moti~ obter para os quarks um quadro simetrico similar ao dos leptons conhecidos na epoca, entao caracterizados pelos dubletos (1.1) Seis anos depois, Glashow, Iliopoulos e Maiani propuseram um modelo[4], empregando este quarto quark, capaz de explicar a ausencia de correntes neutras com troca do Dnmero quantico de estranheza 1, fenomeno nao observado, mas que era previsto pela teoria de unifi~ das inter~ eletromagneticas e fracu proposta, em 1967, por Weinberg[5] e Salam[6]. 1A menoe de pequeno termo devido a diferenc;a na massa doe flulrb )

16 Assim, mais que a motiva~io estetica inicial, 0 quark charrnoso desempenha papel fundamental na unific~ioeletrofraca que pode, entio, ser aplicada igualmente a leptons e a quarks. A existencia do quark charmoso foi confirm&da em 1974 pela obser~io do meson J/\11 em dois trabalhos independentes[7, 8]. Em 1975, observouse 0 primeiro barion charmoso[9], 0 Ac As experiencias realiza.das tern se utilizados de dois pr0ce8808 para a produ~ de charrne:fotoprodu~, quando urn f6ton interage com urn alvo qualquer, e hadroprodu~io quando ocorre a inter~ entre hadrons. A sec~ de choque de produ~ de charme via hadrons e cerca de vinte vezes rnaior que a se~io de choque de produ~de charme via f6tons. Entretanto, no caso de fotoprodu~, a partidp~ de charme no estado final e cerca. de uma ordem de magnitude 8uperior[10], fazendo com que os eventos produzidos por f6tons sejam mais limpos e, por consegiiinte, mais f&ceis de serem trabalhad08. Experiendas em colisores 2 e+e a altas energias apresentam cerca de 40% dos estados finais com charme e uma boa rel~ sinalruido devido ao baixo numero de particulas carregadas ( aproximadamente 4,4 por evento[lld. Entretanto, devido a decairem quase distinguir 0 vertice de produ~ do vertice de decaimento. Em experimentos de alvo fixo 3, por outro lado, a particula charm08& percone uma distinda da ordem de milimetros, no referendal do laborat6rio, antes de decair, 0 20nde dois feixes de particulas aio levad08 a colidirem de &ente Squaodo um feixe de particulas colide com um alvo maotido fuco no laboratorio que que no mesmo ponto de produ~io (no referencial do centro de massa), tomase dificil

17 3 toma pouivel, uma vez que Be disponha de um born detector de vertice, separar 0 vertice de produ~io do de decaimento. As dificuldades experiment&is, mormente aquelas devidas is. pequena ~io de choque e i. grande multiplicidade de particulas retardaram 0 desenvolvimento da fisica do charme. A ultima decada, entretanto, testemunhou um grande progresso com 0 advento de resultados de varios experimentos, em particular 0 experimento E691, um experimento de alvo fixo que empregou urn feixe de f6tons incidindo em um alvo de ben1io, e que ja. publicou cerade trinta trabalhos cientificos com estudos, principalmente, de decairnentos de particulas com charme. Esta tese da. mais uma contribui~io is. fisica do charme no imbito do experimento E769, que se utiliza de urn feixe de hadrons constituido de pions, kaons e protons e va.nos alvos diferentes (Be, AI, Cu e W). Esteexperimentofoi concebido para permitir 0 estudo das propriedades de produ~ de particulas com charme, bem como as dependencias em sabor e no ntimero de massa, atraves de um sistema de aquisi~ de dados que permitiu a obten~ da maior amostra de particulas charmosas ate entio conseguida em produ~ por h&drons. o estudo da fisica do charme permite testar a QCD e 0 experimento E769 dedicase, basicamente, ao estudo dos principais parametros que permitem um maior esclarecimento sobre os mecanismos dominantes no processo de produ~ de charme. o capitulo 2 apresenta urn resumq da fisica de produ~ de charme de interesse para esta tese. Os capitul08 3 e 4 apresentam, respectivamente, 0 feixe e 0 alvo do experimento. i i I,,, o capitulo 5 descreve detalhadamente 0 espectrometro empregado. 0 processo de sel~ de eventos e descrito com detalhes no capitulo 6 que e complementado pelo capitulo 7

18 onde eapreeentado 0.istema de aqui.i~io de dados. No capitulo 8 discuteae, em linhu gerais, a oper~io do experimento. Finalmente no capitulo 9 descrevese todo 0 procealo atraves do qual os dados brutos S80 transformados em dados trabalhaveis e no capitulo 10 descreveae toda a an81ise realisada. As conclusoes estio contidas no capitulo 11, que apresenta os resultados finais.

19 CapItulo 2 Produ~ao de Charme via Hadrons o conhecimento das se es de choque e de sua dependencia com 0 momento linear e 0 momenta transverso, atraves das variaveis z de Feynman, z j, e do momento transverso, Ph permite que se extraiam inform~ sobre os mecanismos de produ~ de charme. A maneira como interagem os partons envolvidos no processo bem como a estrutura das particulas participantes pode ser inferida a partir de estudos de produ~de charme. Neste capitulo apresentamse aspectos da formul~ te6rica e fenomenol6gica da produ~de charmee descrevese a releva.ncia da determin~de alguns parimetros, cuja medida eobjeto desta tese. 2.1 A produ~ao de charme A figura 2.1 ilustra a produ~ hadronica de um par cc atraves da inter~ de dois partons constituintes de dois hadrons. Nesta figura observase distintamente os dois hadrons incidentes, um no feixe e outro no alvo, cada uma com uma fun~ de distribui~io de partons It elf; 0 processo de espalhamento entre dois partons i e j produzindo um par cc e descrito pela ~ de

20 6 A B Figura 2.1: Produ~ hadr6nica de charme H choque pontual Ui;; eo processo de fragment~,atraves do qual os quarb dio origem. a mesons ou b&rions erepresentado pela fun~ de fragment~ D~. Assumindose a hipatese de fatoriz~, a ~ de choque total para produ~ de charme em intera. es hadronicas edescrita[12] pela expressio: 0'(8) =~J dzidzjft(zi,q2/1l2)ff(zj,q2/1l2)u(zizjs,q2fp2), (2.1) onde 8 e 0 quadrado da energia no sistema de centro de mass~ It e a probabilidade de se encontrar um parton i com fr~ Zi do momento do hadron A; Q e 0 momento transverso transferido entre 0 parton do estado inicial e 0 parton do estado final; it e a ~ de choque de produ~ a curta distincia do charme pelos dois parlons i e j.

21 7 2.2 Fun~io de distribui~ao As fun es de distribuj~io de partons traduzem a densidade de probabilidade de Be encontrar um dado parton, dentro de um hadron, com uma dada fra.c;io x do momento do hadron. Existem diversas parametriza.c;oes para tais fun~ na literatura que Be ajustam a dados obtidos, por exemplo, em experimentos de espalhamento inelcistico profundo. Para pions, Owens[13] parametriza as fun~oes de distribul~io de gluons (xg"'), de quarks do mar (xs"') e de quarks de valencia (xv"') segundo as express6es: x(?,xs'" = AxO(1 x)j3(1 + "YtX + "Y2x2) (2.2) x ll (1 x)f) xv'" = B(a,b+ 1) (2.3) onde a = 0,4 0, , (2.4) b= 0, 7 + 0, , (2.5) Bendo 8 = In[ln(Q2/A 2 )/ln(qua 2 )] (2.6) A, a, Pe "Y sao os parametros de ajuste, Aea escala de massa da QeD, Q~ = 4(GeV/c)2 e B(a, b+ 1) e & fun~ beta de Euler, definida como: B(a b) = r(a)f(b), f(a+b) (2.7) onde r(x) e a fun~ gama. A figura 2.2 apresenta os resultados de Owens para A = 200 MeV/c.

22 1.0 8 _ B 0.6 IPionsI x Figura 2.2: FuD~ de diatribui~ de partona em piona Para kaons, entretanto, nio ha. ainda medid88 precis88 dest88 distribui~, embora haja indica es experimentais[14, 15] de que 88 fun~ de distribui~ dos quarks nos kaons cai mais rapidamente que 88 de fun~ de distribui~ dos quarks nos pions. El hassouni e Napoly[16] preveem 88 seguintes distribui~ para os quarks de valencia, z~ e zv:c,e quarks do mar, zsk para kaons: zv: =0,82zo. 5 (1 z )1,33 (2.8) ZV:' = 1,52z,83(1z)1.o zs:,zsf =0,15(1 z)5,3 zs:' =0,089(1 z)5.t (2.9) (2.10) (2.11) Considerandose que kaou e pions S80 ambos constituidos por quarks leves, podese esperar que 88 fun~ de distribui~de gluons em kaons tenha, em boa aproxim~, a mesma forma que 88 fun~ (2.2), ou sej&: (2.12)

23 9 A figura 2.3 apresenta as {un~ de distrjbuj~io calculadas por EI Hassounj e Napoly junto com as {un~ de djstribuj~io de gluons calculadas segundo 0 modelo acima para t3 =3, 1 (0 valor para pions), t3 =4,1 e t3 =2, p=4,1 '\. ~ xgk(x) / /=3.1':\\/j I I P=2,1: ;~ )" \ \ ' I " \ '" I \ \. " \ \. \. \. ~ 0.2 xs~ (x) C~=:E~:=~,~~~ts~~ x Figura 2.3: Fun~ de distribui~ de partona em K ~ As fun~ de distribui~ d08 nucleons S&o parametrizadas por Duke e Owens[17, 13] de forma similar as fun~ para pions. 2.3 Se~o de choque pontual Os diagramas da figura 2.4 ilustram os mecanismos em primeira ordem de produ~ de charme caracterizada pela fusia de gluons e pela aniqiiil~ quark antiquark. A se~ia de choque de curta distincia it, que traduz a produ~ de charme pelos dois

24 Capitulo 2. Prod~" ChMme yi. HMIroIu 10 q c c Figura 2.4: Mecanism08 hadronicoll de produ~ de charme em primeira ordem partons interantes, e calculada pela QCD perturbativa atraves da expansio em Q.(Q2), onde Q. e a constante de acoplamento das inter~ fortes, cuja evolu~[18] em Q2 e dada por: (2.13) onde n/ eo nlimero de sabores de quarks e A e a escala de massa da QCD, que mara a fronteira entre 08 regimes naa perturbativo e perturbativo das inter~ entre quam e gluons, pois para Q >> A a constante de acoplamento Q. e pequena, permitindo a expansaa perturbativa da QeD. Para Q ~ A a constante Q. tornase grande e UID&. descri~ perturbativa naa e mais possivel. Na energia do experimento E769 temsetipicamente A ~. 200 MeY, Q2 ~ m~ ~ 2,25 Gey2 e Q. ~ 0,3. Esperase uma dependencia da ~ de choque com 0 tipo de particula incidente, uma va que a diferente constuitui~ das particulas afeta as fun es de di8tribui~ doss

25 11 partons dentro da particula incidente. Este efeito pode tambem Be dar por ocasiio da fragment~. A dependencia em sabor, como e conhecido este efeito, deve aindaser objeto de verific~io experimental. Baseados na QeD, Nason, Dawson e Ellis[19], empregando os diagramas da figura 2.4 juntamente com diagramas de ordem superior obtem para a ~8o de choque de curta distancia:,. 2 2 Os 2(2) P ( P2) Uij(s,m,p) = m 2 lij P'm 2 (2.14) (2.15) onde P = (4m 2 ) / s, sendo S 0 quadrado da energia do par de partons participantes da inter~ (no referendal de centro de massa) e fj = y'i"'="p Os termos de ordem inferior, IbO) sao descritos por: (2.16) (2.18) Para os termos de ordem superior,~;), os resultados s80 dados pelas expressoes seguintes, onde nil e 0 numero de sabores leves:

26 12 1<1) J" (p) 8~ [1;2 {2P (59p~+198p 288) In (~ +~) + 12p (p~ + 16p + 16) h'j (13) 6p (p2 16p + 32) h 1 (P) l~fj (7449p~ 3328p +724) } + 12f;;)(p) In (4~~)1 (2.20) 8~21;2 [~p (14p p 136) In (4~~) 3 2p(2 p) hdp) 1~5P (1319p~ 3468p +724)] (2.21) onde as (un~oes auxiliares h 1 e h~ sao: hdp) In 2 (1;P) _ln 2 ( ) 2C~.8)f In(l z) :z +2C/)f In(l z)~ (2.22)

27 Cap/cwo (I, Prod~ de CIJMme "ie H~ 13 +P [ao + p2 (adn (8p2) +a2) + a3~41n (8p2) + p' (a4 ln P+ as ln 2 p) +p(afdnp+a7 1n 2 p)] + (nil 4) p2 [In (1 + ~) 2~] (2.25) 1024,.. 1 ~ f~:) {J [p2 (aoln{j +at) + {J4 (a,ln{j +a3) + p2 (a4lnp +as ln 2 p) + p(as In p+ a7 ln' p)] (2.26) Os te'rmos a, sao parametros empregados nos ajustes das expressoes a cada situ~ao, conforme explicitado nas referencias. A figura 2.5 apresenta 0 resultado das s~oes de choque ca.lculadas segundo as expressoes acima. 2.4 Se~io de choque total Empregandose as fun~ de distribui~ descritasem (2.2) e as se esdechoquepontua.is de (2.3) juntamente com a equ~ (2.1) podese determinar a expressao da ~ de choque de produ~ de charme para inter~ hadronicas. A figura 2.6 apresenta 0 resultado de c&lculos te6ricos[20] da ~ de choque em termos de ordem inferior, feitos assumindose duas hip6teses para 0 va.lor da massa do quark c, 1,2 GeVe 1,5 GeV, 0 que implica. uma va.ri~ de tres vezes no valor ca.lculado da ~ de choque. 0 caj.culo e tamoom dependente da incerteza no valor da constante de a.coplamento a.(q2). A figura 2.7 apresenta resultados de wculo da s~ao de choque quando levase em conta termos de ordem superior[21]. Notase nesta figura que a ~ de choque calculada

28 14 (0_) qq (I) ~q (0l. II ( (I). II Quark Ant.lquark GIUOD GIUOD (I) ~II.I... ~.,.._. ~ 'I. I lip.2 1 os _. GIUOD Quark ~.1 "'I '''1 "I ' I ""I f (~~... (I) II" ~ r~==_1 ~.... _...._. o r=:::::::====================~ lip 10'.. c.1 L.L...J...L.L.Lw L..,I.L...J...L.L.Lw L:I.L...J...I../",I,w L:I...I../",I,w il,i.l...j...i../",i,wl 1 10' 10 loa 10' 10' lip Figura 2.5: ~ de cboque partonparton em primeira e segunda ordem: a) aniquil~ quarkantiquark; b) fu8io de,bions; c) fu8io quarkgluon

29 cap{eujo 2. Prod.,po de CIaMm. y;& HMJro,.. 15 e 1D' pp OFlI'I, CitV ~ II ~ ~'" 90 "'tv ~...,~ 2SD "'tv III 12 CitV III 1S CitV " t ~ ~.. ~ ", _..~,,,,,," ~ I,/ ~, I I I I 10' o:i.~:::''...&...:t:::l:~_..i._..j 20 ]0 40 SO IS IG.V) Figura 2.6: ~ de choque para produc;io de charme apenas com os termos de primeira ordem, LO, ecera de tres vezes inferior a calculada com a inclusio de termos de ordem superior, LO +N LO ,.r..,...,,...,..rI"""""!'"...,..~r"'T"'"""~...,.rT'~..,...,"""'T"...,.rT'...,..r 25 :0 = :20... u~ 6 15 rn fi) fi) e o Gev LO+NLO 5 Ou...,.I...l"":"""'...L...J~~..&..LL~...:...:...L...L...L...L...,.I...l...L....L...II.I...L...I'J...L...; Beam Energy Figura 2.7: ~io de choque com term08 de ordens 8uperiores

30 captaujo J. Produclo'" CIaanae yle HMlroM 2.5 Se~oes de choque diferenciais As ~ de choque diferencias em z/ e p~ podem ser obtidas diretamente da expressio da~ de choque total e descrevem a dependencia da ~io de choque com 0 momento longitudinal e com 0 momento transverso. A partir da expressio para a ~ de choque 16 total, obtemse: (2.27) (2.28) (2.29) As expressoes de tut/ dzj e de tut/ dp'f sio pouco afetadas pelas incertezas envolvidas no c81culo da ~ de choque pontual ;,. Levando em conta apenas os termos de ordem mais baixa Quigg e Ellis[21] calcularam dtt/dz/ para intera4)es 'lrnucleon e pnucleon, cujo resultadoeapresentado na figura 2.8 para duas hipciteses de valor para a massa do quark c: 1,2 GeV/c 2 e 1,8 GeV2. Notase que a magnitudeeconsideravelmente afetada pelo valor da mass& do charme mas a forma da distribui~epouco sensivel aesta escolha. A figura 2.9 apresenta 0 resultadote6rico(21), baseado naqed, paraas ~ de choquediferenciaispara inter~ 'lrnucleon e pnuc1eon emfeixe de 300 GeVe, novamente, realizad08 para dois valores de.' massa do quark c: 1,2 GeV/c 2 e 1,8 GeV/c 2 A~ de choque diferencial eusualmente parametrizada na forma: (2.30)

31 Cap/'ulo J. Prod~deaa y;' HMirou '"c A.3.. M." " b." Chum quark producllon../ 23.7 CeV 001. A 0.2 CeV " M pm Elli. and QUill o.5 Figura 2.8: Sec;io de choque diferencial em fud~ de ZI para feixes de 11' e de protons que, aplicada as distribui es das figuras 2.8 e 2.9, nos da os valores dos parimetros n e b apresentados na tabela 2.1. I0 CT"IrT'"'IrT'"'I"T"T"T"TTTTTT"T'rT"1rT'1~""'TTTTTT"rT"rT'1rT'1'TT""'TTTTTTr:t Charm quark producuon../ CeV, Xp > 0.2 DOl. A 0.2 Cev " N P N DIe 1.2 CeV upper curves DIe 1.8 Cev lower curves ~ "~.1. Ė :3,g: b ' o Figura 2.9: ~ de choque diferencial em fud~ de,: para feixes de 11' e de protons

32 CapI&uIo J. Prod~de ChArme "ja HMIroaJ 18 massa do ",nucleon ni b pnucleon quark c n I b 1,2 GeV Ic~ 5,0 ± 0,2 0,62 ± 0,03 7,8 ± 0,2 0,74 ± 0,01 1,8 GeVIc~ 4,7 ± 0,2 0,53 ± 0,01 7,7 ± 0,2 0,59 ± 0,01 Tabela 2.1: Valores tipic:oe para oe parimetroe n e" 2.6 FragInenta~io Fragment~e 0 processo atraves do qual quarks e gluons se combinam para forma.rem hadrons e pode ser definida em fun~ da fr~io de momento longitudinal ca.rregado pelo hadron (ziizi), onde as grandezas com a.cento circunfiexo referemse a partons e, ca.so nio a.centuadas, a hadrons. Definese a fun~ de fragmen~io D~(zJ/ ZJ) como a densidade de probabilidade para que um hadron H seja produzido por um quark c com fr~ de momento longitudinal z J/ ZJ deste quaf"kl. As fun~ de fragment~ sio admitidas independerem do processo de cri~ do quark mas nio da sua Massa. Assim, para quarks pesad08, como 0 charme, esperase urna fun~ de fragment~que tenda a uma fun~ delta para 08 ca.sos em que 0 charme se associa a urn quark mais leve para produzir urn hadron. Jsto se deve ao fato de que para materializar urn antiquark maisleve com velocidade comparavel a sua., urn quark c precisa perder apenas uma pequena parcela de sua energia resultando em um hadron com uma, grande fr~ da energia do quark original (zj/ ZI 1). Ha urnavariedade de expressoes para as fun~ de fragment~propostas por van08 '" modelos[22] ba.sea.dos na ideiade que urn quarkperdeenergiasucessivamente criando pares ~ quarkantiquarkate que a energiadisponivel nio mais seja suficiente para a produ~ de > 1defini~ analog.. existem para outrol sabores de fuli.

33 19 urn novo par. Diferentes parametriz~ podern ser usadas para as fun~oes de fragrnentac;io[23]. As parametriz~ de Andersson et ai., Bowler, Kartvelishvili et ai., Peterson et ai. e Collins & Spiller sao a.presentadas nas equac;oes (2.31), (2.32), (2.33), (2.34) e (2.35), respectivamente. (2.31) (2.32) (2.33) (2.34) _ N [ 1 x + 2 x EQ'] (1 +x2) [1 _.!. _~] 2 X Ix x Ix (2.35) onde x x+ P (2.36) Pm_ E+p. Em_ + p", (2.37) (2.38) sendo QQ = 0,156 ± 0, 18, EQ = 0,156 ± 0,015 e EQ = 0,64 ± 0, 14. A ~ de choque diferencial de produ~ de urn hadron H, em particular, pode ser obtida a partir da. ~ de choque diferencial de produ~de charme duidxi e da fun~

34 Capil. 2. Prodllflo'" CJaMme m HMII'oM 20 de fragment~ atraves da express80 (2.39) onde D~ e a fun~ de fragment~ do quark c no hadron Hj xj eo valor da variavel z de Feynman para 0 quark c e ZJ eo valor da variavel Z de Feynman para 0 hadron H. As fun~ de fragment~ necessanas a estes wculos podem ser obtidas experimentalmente[23] como para 0 caso da fun~ de fragment~ao DP* apresentada na figura Nesta figura os dados "sao oajustados a uma curva segundo a fun~80 de Andersson. :.. CLIO D tunc t D : '00! 10 c !O Figura 2.10: Fun~ de fragmen~ Df Efeito lideran~a Quando a particula produzida contem um quark de valencia de mesmo sabor de um d08 quarks das particu1as originais esperase 0 aparecimento do chamado efeito lideran~

35 21 Este efeito manifestase com uma usimetria na produ~de particula e antiparticula em regiio de alto z/. Assim, em inter~ 1rnucleon, 0 D, constituido d08 quarks ai, e liderante pois pode conter um dos quarks d do pion participante da. inter~io. Istojanio se dacom 0 D+, que e constituido de quarks cd. Em sendo v&lido este efeito devese observar uma maior produ~io de D comparado a D+ para valores altos de z / para inter~ 1rnucleon. 2.7 Resultados experimentais As particulu charmosu deca.em tipicamente por inter~ fra.ca. e tem vida. media da ordem de 1016 segundos. Isto significa que a particula. percorre, no referencial do la.boratorio, uma distincia. de poucos milimetros tomando necessario 0 emprego de um bom detetor de venice para que se distingua 0 vertice de decaimento charmoso do vertice de inter~ prim&ria. Experiencias de alvo fixo tem logrado exito em construir detetores de vertice de alta. resolu~ atra.ves do emprego de dispositivos semicondutores 2, como e descrito adiante nesta tese. o experimento NA32 tomou dados no CERN em 1984 empregando feixe de pions, kaons e protons de 200 GeV e em 1985 com feixe de pions e kaons de 230 GeV. o experimento empregou detetores de vertice de alta. resolu~ e observou um efeito liderante[24, 25]. Tambem no CERN foi realizado 0 experimento WA82 com tomada. de dados em 1987 que mediu os parametros neb a. partir de inter~ produzidu por feixe de pi<:ms e de 2Em coliaores, como a particulaeproduzida praticamente em repoulo, necessitaee de uma resolu~ espacial muito maior que em experienciu de alvo fuco, tornando tal metodo, no momento, ainda inadequado.

36 CapI&ulo J. Prod..de CUnae Y'. HMJrou 22 protons incidindo sobre alvos de tungstenio e de silicio. Para 0 feixe de pions a WA82 registra um valor de n =2,9 ± 0,3 para uma &mostra de 937 mesons D, n = 2,8 ± ±O, 3 no caso liderante e n = 3, 7 ± 0,2 ± 0,3 na situ~id nid liderante[26, 27]. No FERMILAB, 0 experimento E769, intitulado hadroprodu~id de charme, fez uso de umfeixe mistodepions, protons e kaons de 250 GeV tendo registrado dadosentrejunhode 1987 e fevereiro de Obtendo uma amostra de charme, em hadroprodu~,ate entid insuperavel[28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35J, este experimento determina 0 comportamento da ~io de choque diferencial em fun~io de xi e de Pf para inter~ 1I"nucleon[36]. Empregando um detetor de vertices de alta resolu~ e e inter~ 11"nucleon este experimento encontrou n = 3,21 ± 0,24 estudando uma &mostra de 554 eventos em va.nos decaimentos de mesons D:J:. Com amostras separadas de D+ e D {oi observa.d.o umefeito liderante com n = 2, 84±0,31 para 0 caso liderante e n = 3, 5±0,36 no caso nio liderante. Os resultados destes tres experimentos para produ~ de mesons D sid apresentados na tabela 2.2. As figuras 2.11 e 2.12 apresentam os resultados da tabela 2.2 em forma de gr&fico permitindo uma compar~ mais direta dos resultados. Esta tese estuda a dependencia na varlavel x de Feyman, Z I, e no momento transverso, Pc e p1 para produ~ de D= em inter~ K+nucleon de 250 GeV a partir de uma amostra de D%~ K~1I"=1I"= obtidos pelo experimento E769.

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