Измерение парциальных ширин распадов B°s → J/ψη, B°s → J/ψη` и B° → J/ψω° на установке LHCb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ» ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ -ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ»

На правах рукописи

Саврина Дарья Викторовна

Измерение парциальных ширин распадов В® -» Л/Фл, В° Л/фл' и В0 —)• Л/феи0 на установке ЬНСЬ

Специальность: 01.04.23 - физика высоких энергий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА, 2013 г.

1 •; ■■:::} т

005538261

УДК 539.126

Работа выполнена в НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ «ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики» Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук

В.Ю. Егорычев

(НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ», г. Москва) Официальные оппоненты: кандидат техн. наук, доцент

Б.А. Канцеров (НИЯУ «МИФИ», г. Москва)

доктор физ.-мат. наук, нач. лаб. Ю.М. Зайцев

(НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ», г. Москва) Ведущая организация: НИЦ «Курчатовский институт»

ФГБУ «ГНЦ РФ Институт Физики Высоких Энергий», (г. Протвино)

Защита состоится 3 декабря 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 в конференц-зале ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» по адресу:

г. Москва, ул. Большая Черёмушкинская 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 1 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совет; кандидат физ.-мат. наук

В.В. Васильев

Одной из основных задач экспериментальной физики высоких энергий является точная проверка предсказаний Стандартной модели (СМ) и поиск физических явлений за ее пределами. В число возможных проверок входят поиск и изучение свойств бозона Хиггса, поиск суперсимметричных частиц, экзотических распадов и состояний и многие другие исследования. Их необходимость стала главной мотивацией для сооружения Большого адрон-ного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Женева). Четыре крупнейших эксперимента этого ускорителя призваны подробно проверить различные аспекты СМ и других теорий.

Одно из направлений исследований, обеспечивающих большие возможности для поиска физики за пределами СМ, - это изучение свойств частиц, содержащих тяжелые кварки. Точные измерения в этой области позволяют вести непрямой поиск «новой физики», вклад которой может приводить к значительным отклонениям измеряемых величин от теоретически предсказанных значений. На БАК экспериментом, нацеленным, в первую очередь, на исследование физики частиц, содержащих тяжелые кварки, стал эксперимент LHCb. Он использует все преимущества работы с протон-протонными пучками при энергиях протонов порядка нескольких ТэВ, такие как большое сечение рождения с- и b-кварков и возможность возникновения любых адронов, содержащих b-кварк (В±, В0, В<>, В±, Аь, £ь). Физическая программа эксперимента LHCb включает измерение сечений рождения частиц, содержащих с- и b-кварки, измерение парциальных ширин редких распадов В-мезонов, изучение различных асимметрий, поиск новых каналов распада и исследование систем Вд-мезонов.

Решение перечисленных выше задач невозможно без четкой работы ускорителя и экспериментальной установки. Важную роль в проводимых исследованиях играет реконструкция и идентификация электронов и фотонов. Для этих целей в эксперименте LHCb используется калориметрическая система, которая состоит из предливневого детектора, детектора на основе сцинтилляционных пластин, электромагнитного и адронного калориметров. В задачи этой системы входит не только идентификация и точное измерение энергий фотонов, электронов и нейтральных я-мезонов, но также и участие

в предварительном отборе событий.

Предлагаемая к защите диссертация связана с калибровкой электромагнитного калориметра в период набора данных при высоких загрузках и исследованию редких распадов В-мезонов с использованием калориметрической информации.

Общая характеристика работы

В диссертации описывается процедура измерения парциальных ширин распадов В° —> Л/Фп, В° —> Л/фт]' и В0 —> Л/-фш°, а также измерение отношения парциальных ширин распадов В° —> Л/"фг|' и —> Л/'фт| в эксперименте ЬНСЬ. Анализ выполнен с использованием данных, набранных экспериментом при энергии протон-протонных столкновений в системе центра масс = 7 ТэВ и соответствующих интегральной светимости 1.0 фб-1. Все исследуемые распады восстанавливались с использованием моды распада Л/ф —> Легкие незаряженные мезоны Г) и т]' восстанавливались в каналах т| —» уу, ц —» —> уу) и ц' р°(р° —» %+тГ)у и л' ~> ^(п —> уу)п+п~, а ш°-мезон — в моде ш° —> я+я'71° с последующим распадом 71° —» уу. Окончательные значения парциальных ширин были получены путем усреднения между различными каналами распадов т]- и г|'-мезонов.

Цели и задачи исследования

Главной целью работы было обнаружение распадов В" —» Л/фг|, В® —* Л/*фт|' и В0 —» Л/феи" и измерение их парциальных ширин, а также измерение отношения парциальных ширин распадов В" —> Л/фг| и В° —> Л/фг|'. Важным условием для выполнения этой задачи является точное восстановление энергии фотонов, присутствующих в конечных состояниях всех трех распадов. Поэтому в качестве вспомогательной задачи выступала задача регулярной калибровка электромагнитного калориметра методом восстановления инвариантной массы 7Т°-мезона в распаде на два фотона и создание соответствующего программного обеспечения, интегрированного в общую систему обработки данных.

Актуальность темы диссертации

Одной из наиболее важных для измерения величин является фазаВ°-В° осцилляции, фэ. В рамках СМ ее значение предсказано с хорошей точностью, так что появление эффектов новой физики должно быть немедленно замечено как отклонение от предсказанного значения. Изучение распадов ВО Л/-фг| и В^ —> Л/фл' улучшит точность измерения этой величины. Поскольку состояния Л/фл и Л/фл' являются СР-собственными, то измерение фазы смешивания в этих распадах не требует углового анализа (в отличие, например, от «золотой моды» - распада В° Л/фф), что значительно упрощает задачу. Кроме того, изучение распадов В° - Л/фл и В» - Л/фл' может быть полезно для измерения угла у треугольника унитарности. Еще одним интересным исследованием, основанном на измерении парциальных ширин этих распадов, может стать измерение параметровГ|-Г|' смешивания и определение вклада глюонной компоненты вт|'-мезон.

Состояние Л/феи0 не является СР-собственным, так что для измерения СР-асимметрии в нем необходим угловой анализ, требующий значительной статистики. Тем не менее, одновременное измерение парциальных ширин распадов В0 -> Л/феи0 и В0 -» Л/фр° необходимо для изучения изоспиновой асимметрии.

Распады — Л/фл, В° ^ Л/фл' и В0 Л/фш°, как и многие другие распады, исследуемые в эксперименте ЬНСЬ, имеют электроны или фотоны в конечном состоянии. Такие распады восстанавливаются, в основном, благодаря наличию в событии электронных и фотонных кандидатов с высоким поперечным импульсом, которые регистрируются калориметрической системой. При этом массовое разрешение первичной частицы напрямую зависит от точности определения энергии электронов и фотонов. Для радиационных распадов В-мезонов всего лишь 3%-ое снижение точности в определении энергии фотона ухудшает разрешение почти на 20%.

Таким образом, калориметрическая система выполняет несколько важных функций: она обеспечивает триггер нулевого уровня электронными и фотонными кандидатами с высоким поперечным импульсом, измеряет их энергии и положения, а также участвует в алгоритмах идентификации частиц, позволяя разделять элсктроные, фотоные и адронные кандидаты. Точ-

ная калибровка электромагнитного калориметра, позволяющая восстанавливать энергию электронов и фотонов с точностью не хуже 2%, является необходимым условием для выполнения физической программы ЬНСЬ.

Практическая полезность

Представляемая диссертационная работа проведена в рамках участия ИТЭФ в международном эксперименте ЬНСЬ. Тема диссертации соответствует одному из направлений физической программы эксперимента, а именно: исследованию распадов В-мезонов в конечные состояния, содержащие Л/ф-мезон. Для выполнения задачи проведена калибровка всех считывающих каналов электромагнитного калориметра. Показана возможность использования электромагнитного калориметра ЬНСЬ для реконструкции распадов 7Г° —> уу и т| —► уу методом инвариантных масс. Результаты калибровки электромагнитного калориметра использовались при обработке физических данных, набранных в эксперименте. Регулярная калибровка позволяет поддерживать энергетическое разрешение калориметра на требуемом уровне на протяжении всего периода набора данных.

Автор защищает

1. Методику калибровки отклика индивидуального канала электромагнитного калориметра на основе реконструкции распадов я0 —» уу в условиях эксперимента ЬНСЬ;

2. Оценку точности и скорости работы метода калибровки электромагнитного калориметра с помощью восстановления инвариантной массы нейтрального я-мезона, реализованного в рамках программного обеспечения (ПО) ЬНСЬ;

3. Обнаружение распадов —» Л/фт| и —> Л/г|л]' в данных, набранных экспериментом ЬНСЬ, и измерение их парциальных ширин, а также измерение отношения парциальных ширин этих двух распадов;

4. Обнаружение первого свидетельства распадаВ0 —> Л/феи0 и измерение его парциальной ширины.

Личный вклад диссертанта

Диссертант принимала активное участие в калибровке электромагнитного калориметра эксперимента LHCb. Ею была сделана проверка реализации метода восстановления инвариантной массьг нейтрального я-мезона в рамках ПО эксперимента LHCb, оценена скорость работы и точность калибровки этим методом. Кроме того, во время набора данных в 2010-2012 годах ею проводилась регулярная калибровка электромагнитного калориметра.

Диссертант также принимала участие в анализе физических данных эксперимента. В частности, ею были измерены значения парциальных ширин распадов В° —► J/4>t| и В° —> Л/Фл' и отношение этих значений, а также обнаружено первое свидетельство распада В0 —> Л/фш° и измерена его парциальная ширина.

Апробация и публикации

Материалы, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в /1, 2, 3, 4/. Результаты анализа регулярно обсуждались на совещаниях международной коллаборации LHCb. Основные результаты были доложены на международных конференциях:

1. 13th SAC Seminar «New Perspectives of High Energy Physics» (г. Новосибирск, 01-05 сентября 2010 г.);

2. 15ая Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц (г. Москва, 18-24 августа 2011 г.);

3. Hadron Collider Physics Symposium (г. Париж, 14-18 ноября 2011 г.);

4. Симпозиум «Кварконий» в рамках международной сессии-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (г. Москва, 12-16 ноября 2012 г.)

о. Международная конференция «LHC on March» (г. Протвино, 20-22 ноября 2012 г.);

6. Конференция «Calorimetry for the High Energy Frontier» (г. Париж, 22-25 апреля 2013 г.);

7. 21st. International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (г. Триест, 26-31 августа 2013 г.);

а также обсуждались на семинарах ОЭФСЭ НИИЯФ МГУ. Результаты докладывались сотрудниками коллаборации LHCb на многочисленных международных конференциях. Труды конференций опубликованы в /5, 6, 7/.

Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Её объем 112 страниц, включая 17 таблиц и 32 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 99 наименований.

Содержание диссертации

Во введении формулируется предмет исследования, описывается актуальность проблемы и приводится план диссертации.

В первой главе приводится краткое описание теоретического рассчета парциальных ширин распадов —> Л/фг| и В° —> J/фт)'. Распады В-мезонов в конечные состояния, содержащие J/ф-мезон и легкий незаряженный мезон, как правило, обусловлены переходами Б —> ees или b —> ccd, то есть происходят за счет электрослабого взаимодействия с обменом \У^-бозоном. Наиболее полезный с феноменологической точки зрения способ вычисления матричного элемента таких распадов — метод обобщенной факторизации. В этом подходе предполагается, что вильсоновские коэффициенты являются эффективными параметрами, определяемыми из существующих экспериментальных данных. Для распадов В° —» Л/фт^')1 вильсоновские коэффициенты могут быть определены из распада В0 —» J/фК0, парциальная ширина которого известна: ВП{В0 J/фК0) = (8.71 ± 0.32) х Ю"4.

При этом необходимо учитывать, что состояния |т|) и |т|'} являются результатом смешивания, которое может быть записано в терминах изоспино-вых синглетов

hq> = ~= (|uü> + |dd» , |Лв> = |ss) .

1 Здесь и далее символ я^'' используется для общего обозначения Л" и л'-мезонов.

Принимая во внимание возможное присутствие чисто глюонной компоненты |gg>:

Ь) = POS ФР hq) - Sin ФР hs> ,

|т|'} = cos <PG sin Фр |лч) + cos Фс, cos фр |t]s) + sin <pG |gg).

Здесь для простоты считается, что более тяжелый т]'-мезон содержит большую примесь глюонной компоненты, в то время как в г]-мезоне се вклад пренебрежимо мал. Значения параметров смешивания фр и фс; были определены коллаборацией KLOE: без учета вклада глюонной компоненты фр = (41.4 ±0,3 ±0.7 ±0.6)°, где первая погрешность — статистическая, вторая — систематическая, а третья связана с неоределенностью теоретических значений величин, использовавшихся при определении этого угла. Формфакторы перехода В° —► г|(,) могут быть выражены через формфакторы перехода В0 —> К0 и угол смешивания фр:

= -Km9pF,i0-'K,

= cos(pPFB°-K.

В конце первой главы приведены результаты измерений парциальных ширин распадов В° J/Фл, В" J/Фп' и В0 -> Л/фси" в различных экспериментах. Теоретические предсказания и предыдущие измерения парциальных ширин распадов В0 Л/фси0, В° .1/4'Л и В® — J/Фл' приведены в Табл. 1

Во второй главе дано краткое описание основных параметров ускорителя LHC и экспериментальной установки LHCb. Перечислены ее главные элементы и характеристики.

БАК представляет собой кольцевой ускоритель встречных пучков протонов, рассчитаный на повышение энергии пучков в лабораторной системе с 450 ГэВ (на выходе из канала инжекции) до 7 ТэВ. Проектная мгновенная светимость, обеспечиваемая ускорителем, составляет ~ 1034 см-2 с-1. Протяженность кольца равна примерно 27 км.

Основной целью эксперимента LHCb является поиск физики за преде-

Таблица 1. : Теоретические предсказания и результаты предыдущих измерений парциальных ширин распадов В0 —».1/Ч)>ц)0, В° —* ЛДИп и В" —> Л/фт)'.

Парциальная Теоретическое

ширина предсказание

Канал распада

„п т,, (5.1 ±0.50±0.25 х Ю-4

В£ -> J/TJjt! v „ ; (4.3 ± 0.2 х 10"4

(Belle, 2012) v '

r,o т/, , (3.71 ± 0.60 ± 0.18) х Ю-4

(Belle 2012j (4.4 ± 0.2) х 10

В0 J/i|)cu'

о

< 2.7 х Ю-4 @95%CL (CLEO, 1996)

лами стандартной модели через изучение распадов тяжелых адронов. Детектор LHCb расположен в одной из точек пересечения протонных пучков на ускорителе LHC. Детектор представляет собой одноплечевой передний спектрометр, способный регистрировать частицы в телесном угле 10 < 0 < 300 мрад, что соответствует диапазону псевдобыстрот 2 < т| < 5. В эту область попадает ~ 40% всех родившихся в протон-протонных столкновениях частиц, содержащих Ь- и с-кварки.

Схема установки приведена на Рис. 1. Она включает в себя следующие подсистемы:

1. Вершинный детектор VELO, главная цель которого — точное определение положений треков вблизи области пересечения пучков;

2. Трековую систему, включающую в себя трековую станцию TT, диполь-ный магнит и станции Т1-ТЗ;

3. Два детектора колец черенковского излучения (RICH1 и RICH2) для идентификации адронов в диапазоне импульсов 2-100 ГэВ/с;

4. Калориметрическую систему, включающую в себя детектор на основе сцитилляционных пластин (SPD), предливневый детектор (Prs), электромагнитный калориметр (ECAL) и адронный калориметр (HCAL);

5. Мюонную систему (М1-М5), основная цель которой — реконструкция и идентификация мюонов.

Рис. X. : Схематический вид экспериментальной установки LHCb.

Лабораторная система координат при измерении положений и углов частиц в детекторе выбрана таким образом, что начало координат совпадает с точкой пересечения протонных пучков. Ось z совпадает с осью протонных пучков и направлена от вершинного детектора к мюонным станциям. Ось у направлена вертикально вверх, а ось х выбрана так, чтобы составлять с осями у и z правую тройку векторов.

Вершинный детектор обеспечивает координатное разрешение ~ 16 мкм по х- и у-координатам и ~ 76 мкм по z-координате (значения приведены для события с одним протон-протонным взаимодействием и 25 треками). Разрешение по прицельному параметру для треков с большим поперечным импульсом составляет 20 мкм. Разрешение по времени жизни для частиц, распадающихся в VELO, равно 45 фс. Импульсное разрешение для треков, восстановленных в VELO и трековой системе составляет от 0.4% (для треков с импульсами порядка 5 ГэВ/с) до 0.6% (для треков с импульсами порядка 100 ГэВ/с). Мюонная система, работая автономно, позволяет измерять импульсы мюонов с точностью ~ 20%.

Электромагнитный калориметр построен по технологии «шашлык». Он собран из модулей, состоящих из чередующихся слоев сцинтиллятора (толщиной 4мм) и свинцового поглотителя (толщиной 2мм каждый). Слои ори-

вотированы перпендикулярно оси пучка. Суммарная толщина слоев в модуле составляет 42 мм, что соответствует 25 радиационным длинам. Для уменьшения числа каналов считывающей электроники электромагнитный калориметр разделен на три зоны: внешнюю, среднюю и внутреннюю. Модули в каждой из зон имеют одинаковые конструкцию и размеры, однако отличаются количеством ячеек приходящихся на один модуль. Модули во внешней, средней и внутренней зонах содержат по одной, четыре и девять ячеек соответственно. Общее число ячеек в электромагнитном калориметре составляет 6010. Проектное энергетическое разрешение электромагнитного калориметра составляет

-10%Ф1%.

Е (ГэВ) у/Ё

Адронный калориметр расположен сразу заэлекромагиитным. Он сконструирован из модулей, состоящих из железных пластин, переложенных сцин-тиллятором, но, в отличии от электромагнитного калориметра, эти пластины расположены не перпендикулярно оси пучка, а параллельно ей. Толщина адронного калориметра соответствует 5.6 ядерным длинам взаимодействия, а проектное энергетическое разрешение составляет ^ = ^ ^ © 10%.

Далее во второй главе описан алгоритм моделирования данных. Моделирование столкновений протонов проводится с помощью программы PYTHIA6.4 с параметрами, соответствующими реальным условиям работы эксперимента. Для моделирования распадов адронов, содержащих Ь-кварк, используется программа EvtGen. Излучение фотонов в конечном состоянии включается в модель с помощью программы PHOTOS. Моделирование взаимодействия частиц с веществом детектора и отклика детектора осуществляется с помощью пакета Geant4. Оцифровка отклика детектора моделируется с помощью программы Boole. Для последних двух шагов: моделирования принятия решения триггером и реконструкции события — используются те же алгоритмы, что и при работе с данными, поступающими во время работы эксперимента.

В следующей части второй главы описаны алгоритмы реконструкции и идентификации частиц.

Цель программы реконструкции нахождение треков всех заряженных частиц в событии, независимо от того, были ли эти частицы продуктами распада В-мезона или нет. Треки заряженных частиц восстанавливаются но отсчетам, оставленным ими в детекторе VELO и станциях ТТ и Т1-ТЗ. Импульсы треков определяются как по величине искривления трека в магнитном поле, так и по направлению их движения из VELO-детектора в трековую систему. После нахождения всех треков их положения аппроксимируются с использованием фильтра Кальмана. Программа реконструкции позволяет восстанавливать более 96 % «длинных» треков (т.е. тех, которые начинаются в VELO и заканчиваются позади станций Т1-ТЗ).

При реконструкции событий в электромагнитном калориметре производится поиск всех локальных максимумов, то есть ячеек, энерговыделение в которых превышает энерговыделепие в любой из соседних с ними ячеек. Под «соседними» подразумеваются ячейки, которые соприкасаются с данной хотя бы в одной точке. Ячейка с максимальным энерговыделением вместе со своими соседними ячейками образует кластер. Отбор нейтральных кластеров («фотонных кандидатов») производится путем сопоставления каждого кластера со всеми реконструированными треками в событии. Для этого восстановленные треки экстраполируются до поверхности калориметра. Для каждой пары трек-кластер строится двумерная функция X2d> учитывающая положение точки пересечения экстраполированного трека с калориметром, ковариационную матрицу ошибок этой величины, положение барицентра кластера, а также матрицу вторых моментов положения кластера размерностью 2x2. Кластер считается нейтральным, если для всех восстановленных треков x¡d имеет значение больше 4. Процесс реконструкции подразумевает также восстановление фотонов, конвертировавших в веществе детектора. Энергия реконструированного фотона, с некоторыми упрощениями, может быть определена следующим образом:

ЕуС = Eprs х а + (Eseed + Eí) Х

i/scí-d

где Eprs — энергия, оставленная фотоном в предливневом детекторе, Eseed — энергия, выделившаяся в центральной ячейке кластера, а ос и (3 — парамет-

ры, учитывающие возможный выход электромагнитного ливня за пределы кластера в предливневом детекторе и электромагнитном калориметре соот-ветственно.Разрешение по энергии фотонов составляет менее 2%.

В идентификации заряженных частиц участвуют как детекторы колец черепковского излучения, так и мюогшая и калориметрическая системы. RICH-детекторы отвечают за идентификацию адронов и разделения протонных, пионных и каонных гипотез. Для идентификации электронов помимо критерия Хи> используется также сравнение импульса трека с энергией соответствующего кластера в электромагнитном калориметре. При этом учитывается энергия, выделенная частицей в предливневом детекторе. Программа идентификации также учитывает возможность излучения электроном тормозного фотона. Мюоны идентифицируются путем сопоставления хорошо восстановленных треков с импульсом более 3 ГэВ/с с отсчетами в мюонных станциях.

Информация от всех трех подсистем объединяется для получения значения комбинированного правдоподобия гипотез. Алгоритмы идентификации заряженных частиц позволяют верно идентифицировать ~ 95% я-мезонов и ~ 97% мюонов (при ~ 5% случаев ложной идентификации пионов как каонов и ~ 1 — 3% случаев ложной идентификации мюонов как пионов). Электроны верно идентифицируются в 90% случаев, в то время как доля электронов, ложно идентифицированных как адроны. составляет около 5%.

В следующей части второй главы описана система предварительного отбора данных (триггер). Задача триггера — снижение частоты поступления событий с 40 МГц (проектная частота протон-протонных столкновений в ускорителе) до нескольких килогерц, при которой данные записываются в хранилище для дальнейшего анализа. С этой целью используется двухуров-ненвый триггер: аппаратный триггер нулевого уровня (L0) снижает частоту с 40 до 1 МГц, программный триггер высокого уровня (HLT) снижает ее далее до 3 кГц (в 2012 году выходная частота была увеличена до 4.5 кГц за счет увеличения числа процессоров). Триггер нулевого уровня включает в себя несколько компонент, действующих независимо друг от друга: систему обнаружения событий с большой множественностью, калориметрический триггер и мюонный триггер. Триггер высокого уровня разделен на две

Таблица 2. Интегральные светимости данных, набранных экспериментом в 2010-2012 годах.

Год Энергия в системе Интегральная

центра масс светимость

2010 7 ТэВ 37 пб"1

2011 2.76 ТэВ 71 пб-1

2011 7 ТэВ 1.0 фб-1

2012 8 ТэВ 1.8 фб"1

ступени: триггер первого уровня (HLT1) и триггер второго уровня (HLT2). Первая ступень получает информацию об объектах, ставших причиной срабатывания триггера нулевого уровня, и восстанавливает соответствующий трек в VELO и Т-станциях (или, в случае фотонного или 7г°-кандидата, подтверждает отсутствие соответствующего трека). На второй ступени программного триггера выполняется набор инклюзивных алгоритмов, в которых распады В-мезонов восстанавливаются лишь частично, и эксклюзивных алгоритмов, полностью восстанавливающих конечные состояния распадов В-мезонов. Окончательное решение HLT2 является логическим ИЛИ между инклюзивными и эксклюзивными отборами.

В конце второй главы описываются условия набора данных в 20102012 годах. Эксперимент LHCb начал набор данных осенью 2009 года почти сразу после запуска ускорителя LHC. К 2012 году энергия протон-протонных столкновений в детекторе достигла 8 ТэВ в системе центра масс, а мгновенная светимость - значения Anst = 4х 1032 см"2 • с"1. Набор данных производился почти 95% времени работы LHC. Значения энергии протон-протонных столкновений и интегральных светимостей, набранных экспериментом в каждом году, приведены в Табл. 2.

В третьей главе описывается применение метода восстановления инвариантной массы нейтрального тг-мезона для калибровки электромагнитного калориметра.

Цель калибровки - измерение энергий электронов и фотонов с точностью не хуже 2%. Перед сборкой энергетическое разрешение каждого из модулей было проверено на соответствие проектному при помощи косми-

ческих частиц. Для дальнейшего улучшения точности измерения энергий используется несколько методов калибровки, применимых к калориметру в собранном состоянии. Коэффициенты усиления ФЭУ и качество работы считывающей электроники определяются при помощи системы светодиодов, установленной внутри калориметра. Такал подготовка позволяет обеспечить разброс в калибровке отдельных ячеек, не превышающий 9%. Последующие методы состоят в определении «калибровочных коэффициентов» — поправок, на которые при реконструкции следует домножать энерговыделение, измеренное в каждой ячейке, для получения правильного значения энергии частицы. При калибровке этими методами используются данные, поступающие с установки во время проведения эксперимента. Предварительная калибровка проводится методом сглаживания «потока энергии» (EFlow), который позволяет уменьшить изначальный 9%-ный разброс в калибровке ячеек до примерно 4%-ого уровня. Уменьшая разброс в качестве калибровки отдельных ячеек, метод EFlow, тем не менее, не дает абсолютной привязки к энергии частиц. Поэтому следом за ним применяется калибровка при помощи нейтральных 7Г-мезонов, распадающихся на два фотона. Метод восстановления инвариантной массы нейтрального я-мезона позволяет провести калибровку в диапазоне поперечных энергий от 300 до 1500 МэВ. Этот метод применялся ранее, например, как один из основных методов калибровки электромагнитного калориметра эксперимента HERA-B, где было показано, что он позволяет быстро получить устойчивые калибровочные поправки. Следом за калибровкой нейтральными я-мезонами электромагнитный калориметр калибруется с помощью электронов.

Во второй части третьей главы изложена основная идея метода восстановления инвариантной массы нейтрального я-мезона.

Алгоритм реконструкции фотонов в электромагнитном калориметре подразумевает, что на центральную ячейку кластера всегда приходится максимум энерговыделения. Более того, зачастую энергия, выделенная фотоном в центральной ячейке, значительно превышает суммарную энергию всех остальных ячеек кластера. Благодаря этому, принимая во внимание Ур. 1, можно считать, что неточность в определении энергии фотона обусловлена, в основном, неверной калибровкой центральной ячейки кластера. Выра-

жая массу нейтрального 7г-мезона через энергии фотонов и предполагая, что измеренное значение массы Сдвинуто относительно номинальной величины М^о = 135 МэВ/с2 за счет ошибки в определении энергии только одного из фотонов, можно записать следующее выражение для сдвига массы:

бМ,,» _ 16Е[ М^о ~ 2"ЁГ'

Таким образом, чтобы привести измеренную массу тг-мезоиа к поминальному значению, необходимо домножить энерговыделение, измеренное в центральной ячейке кластера, на калибровочный коэффициент: Л = = 1.0 — где Е'гае — это энергия фотона, а Е^ес — это реконструирован-

ная энергия соответствующего кластера. Для лучшей сходимости метода используется несколько иное выражение для коэффициента:

Л = 1.0-^. (2)

МдО

Описанная процедура нахождения коэффициента последовательно проводится для всех ячеек калориметра. Поскольку такой подход в каждом случае учитывает ошибку в определении энергии только для одного из фотонов в паре, процедура нахождения коэффициентов для всех ячеек требует многократного повторения: на каждом следующем шаге учитываются ранее найденные коэффициенты. Результирующим коэффициентом для ячейки станет:

Л = Л1 х Л2 х ... х Лк,

где N -- число итераций, необходимое для достижения стабильности всех коэффициентов. Этот процесс носит название «первичных» итераций. После «первичных» итераций проводится вторичная реконструкция с учетом полученных коэффициентов, в результате которой положения и энергии реконструированных кластеров могут измениться. Чтобы учесть этот эффект, калибровка повторяется еще раз. Такие итерации, каждая из которых включает в себя N «первичных» итераций и одну вторичную реконструкцию, называются «вторичными».

В третьей части третьей главы описана реализация метода в рамках

программного обеспечения LHCb. Метод калибровки нейтральными пионами реализован в пакете KaliCalo, являющемся частью программного обеспечения (ПО) эксперимента LHCb.

События реконструируются с помощью стандартных алгоритмов ПО LHCb. За отбор реконструированных фотонов и формирование из них кандидатов отвечает алгоритм, написанный на языке C-I-+. Для получения статистически значимого пика нейтрального 7г-мезона в каждой из ячеек калориметра из реконструированных данных отбираются фотоны, имеющие поперечный импульс более 250 МэВ/с. Требование отсутствия сигнала в детекторе на основе сцинтилляционных пластин напротив кластера в электромагнитном калориметре выступает как дополнительный критерий нейтральности этого кластера, наряду с требованием отсутствия подходящего трека. Инвариантная масса пары фотонов не должна превышать 350 МэВ/с2, а поперечный импульс сформированного я0-кандидата должен быть не менее 550 МэВ/с.

Параметры отобранных кандидатов сохраняются и передаются набору программных модулей, написанных на языке Python с использованием PyROOT — расширения, предоставляющего доступ к библиотекам программы ROOT. Эти модули отвечают за выполнение «первичных» итераций.

Для того, чтобы обнаружить пик нейтрального гс-мсзона в ячейке, из прошедших отбор фотонных пар выбираются такие, в которых для одного из фотонов данная ячейка является центральной ячейкой кластера. Инвариантная масса таких пар проектируется в гистограмму. При этом к энергиям фотонов применяются калибровочные поправки, если они уже известны:

\Ау1 Х

В случае, если калибровочная поправка для ячейки пока неизвестна, ее значение устанавливается равным единице.

Положение пика нейтрального 7Г-мезона в инвариантной дифотонной массе определяется путем описания соответствующей гистограммы суммой функции Гаусса и полинома второй степени. Результат аппроксимации считается удовлетворительным, если ковариационная матрица полученных па-

раметров имеет неотрицательный определитель, положение пика не слишком сильно отстоит от номинального значения массы нейтральногоя-мезона (125 МэВ/с2 < ш„о < 145 МэВ/с2), разрешение л°-мезона лежит в пределах 5 МэВ/с2 < а^ < 20 МэВ/с2, а значимость пика, определенная как отношение числа сигнальиых событий в пике к ошибке этого числа, составляет не менее 3.5. Для тех ячеек, в которых аппроксимация дала удовлетворительный результат, калибровочный коэффициент определяется согласно уравнению (2). В противном случае адрес ячейки помечается флажком, обозначающим ячейку, в которой не удалось определить положение пика нейтрального я-мезона, а калибровочный коэффициент для нее на данной итерации остается неизменным.

Вторичная реконструкция событий с учетом полученных на первичных итерациях калибровочных коэффициентов выполняется с помощью того же алгоритма, что и отбор нейтральных я-мезонов. Имея доступ к оцифрованной информации об энергии, оставленной частицами в ячейках электромагнитного калориметра, алгоритм позволяет внести поправки на этом уровне. После этого фотоны повторно отбираются из набора данных, и процедура «первичных» итераций проводится снова.

Результаты проверки работы метода с использованием данных, полученных с помощью компьютерного моделирования, изложены в четвертой части третьей главы. Для тестирования процедуры калибровки использовались данные математического моделирования, учитывающего несовершенство калибровки электромагнитного калориметра.

Всего для проверки было сделано три «вторичных» итерации по девять «первичных» в каждой. «Первичные» итерации показали быструю сходимость: уже на четвертой-пятой итерации переставало меняться в пределах погрешностей как положение пика нейтрального я-мезона, так и его разрешение. Также быстро была достигнута стабильность коэффициентов в процессе «вторичных» итераций: на третьей вторичной итерации значение большей части коэффициентов изменилось менее чем на 1%. При ожидаемой точности калибровки в 2% это означает достижение сходимости процедуры.

Точность калибровки для большинства ячеек была найдена равной ~ 2% для внутренней и средней зон калориметра и ~ 2.6% для внешней зоны.

Рис. 2. : Значения (а) массы и (б) разрешения пика нейтрального 7т-мезона, измеренные до (треугольники) и после (квадраты) каждой калибровки. Ошибки величин не превышают размеров точек. Горизонтальная линия показывает номинальное значение массы нейтрального 71-мезона. Заштрихованные области соответствуют периодам длительных технических перерывов в работе ускорителя. Вертикальные линии отмечают моменты, когда калибровочные коэффициенты, найденные за предыдущий период времени, были включены в реконструкцию данных.

В конце третьей главы приведены результаты применения метода для регулярной калибровки калориметра в 2010-2012 годах. Начиная с 2010 года калибровка методом восстановления инвариантной массы нейтральных 7Т-мезонами проводится раз в несколько месяцев, а с 2012 года — раз в месяц. На Рис. 2 ноказана временная зависимость положения пика и его разрешения до и после калибровки. Основной причиной уменьшения измеренного значения массы и увеличения разрешения нейтрального тг-мезопа является снижение со временем прозрачности оптических волокон, осуществляющих светосбор. Регулярная калибровка позволяет компенсировать этот эффект.

В четвертой главе повествуется об исследовании распадовВ^ —> Л/фл. В" —> Л/фл' и В0 Л/фиА Для исследования распадов В° —> Л/-флМ и В0 —>• Л/фш0 были использованы данные, набранные экспериментом ЬЫСЬ при энергии протонных столкновений в системе центра масс ,/5 = 7 ТэВ и соответствующие интегральной светимости £ ~ 1.0 фб~1. Парциальные ширины распадов были определены путем нормировки на известную парциальную ширину распада В0 —* Л/фр°. Кроме того, было измерено отношение парциальных ширин распадов В" —» Л/фл' и —> Л/фл- Распады —» Л/фХ° (Х° = г!,л',и>) восстанавливались с использованием моды Л/ф —> И-+Ц~. Легкий незаряженный мезон л''' восстанавливался в модах г| —> уу и л —^► 7Г+7Т~7Т0 (л' —♦ Р°Т ил'-* а ш-мезон — в мо-

де су —> я+7т_7т0 с последующим распадом тс° —> уу. Распад В0 —» Л/фр° восстановливался в моде р° —> п+п~.

В первой части четвертой главы описан метод выделения распадов при анализе экспериментальных данных. Отбор сигнальных В-кандидатов производился с помощью наложения ограничений на различные кинематические параметры и идентификацию вторичных частиц. Для уменьшения систематической погрешности при измерениии отношений парциальных ширин критерии отбора были выбраны одинаковыми для вторичных частиц во всех исследуемых и нормировочном распадах. Для анализа использовались только те события, которые прошли триггерный отбор благодаря наличию в них сигнального Л/ф-кандидата.

Во второй и третьей частях четвертой главы показаны наблюдаемые сигналы и их основные характеристики. Кроме того, приведен ряд

Рис. 3. : Распределение по инвариантной массе ,1/фа10-кандидатов. Черные точки соответствуют распределению данных, сплошная кривая показывает результат описания распределения аналитической функцией. Тонкая сплошная кривая соответствует сигнальному вкладу от распадов В°-мезонов, а штрих-пунктирная линия - вкладу от комбинаторного фона.

проверок, проводившихся для подтверждения полученных результатов.

На Рис. 3 представлено распределение по инвариантной массе отобранных Л/-фсо°-кандидатов. В распределении хорошо виден сигнальный пик соответствующий распадам В0 —> Л/фш0. Распределение описано суммой функции Гаусса (сигнал) и экспоненты (фон). Подбор параметров функции выполнялся методом небинированного максимального правдоподобия. Число кандидатов в сигнальном пике, найденное в результате такого подбора, составило 72 ± 15. Положение пика равно 5284 ± 5 МэВ/с.2, что в пределах погрешности совпадает с номинальной массой В°-мсзона. Разрешение пика, совпадает со значением, ожидаемым из моделирования. Статистическая значимость сигнала была определена как: Б = у—2 х 1п(£в/£з+в)> гДе ^э+в (£в) — вероятность, соответствующая гипотезе о том, что в распределении

Рис. 4. : Распределения по «вариантной массе отбраняых Л/фф''-кандидатов: (а) В° - Л/фч (т, уу), (б) В° - Л/фл (П - я+тг-т!0), (в) В6° -» Л/фт,' (л' - РЙУ) и (г) В^ —» Л/фт]' (п' —> п+п п). Во всех распределениях черные точки соответствуют данным. Тонкая сплошная оранжевая линия показывает вклад от распадов В°-мезонов, а оранжевая штрих-пунктирная линия — вклад от распадов В°-мезонов. Синяя штриховая линия соответствует вкладу комбинаторного фона, а синяя точечная линия — вкладу от частично реконструированного фона. Суммарная аналитическая функция показана сплошной синей линией.

присутствует как сигнал, так и фон (только фон). Значимость сигнала составляет 4.6 стандартного отклонения.

На Рис. 4 показаны распределения по инвариантной массе Л/ф^М кандидатов для различных мод распадов г\- и т|'-мезонов. Во всех четырех случаях в распределениях хорошо видны пики, соответствующие распадам В°-мсзонов. Кроме того, в трех из четырех случаев явно видны ожидаемые вклады от распадов В0 —> Л/фг^''. В распределении по инвариантной массе Л/фп (т| —» уу)-кандидатов такой вклад также ожидается, однако разрешение не позволяет явно различить два пика. Тем не менее, этот вклад также

Таблица 3. : Выходы числа сигнальных событий (У), положения пиков, соответствующих распадам В°-мезонов (тво), разрешения по инвариантной массе (ово), ожидаемые значения разрешений, полученные при помощи моделирования ^Од'о0^ и статистические значимости (5В°) для распадов В° -> •1/'Фл('\ а также относительные

выходы числа сигнальных событий

Л;/ с

распада " [МэВ/с2] [МзВ/с2] [МзВ/с2]

л, тв» ев» Св°С с Ув°

Мода ,, ,„„,2, г^.о/21 6в°

Л/г1л1 810 ±65 5367 ±4 40.1 ±3.6 38.5 ± 0.6 15.7а 0.13 ±0.09 Л -+УУ

Л//г|;Г| о. _ л 94 ± 11 5368 ±3 20.3 ±2.3 17.6 ± 0.4 7.0а 0.15 ± 0.06 Л —» я+я тс

п 336 ±30 5367 ±1 8.0 ±1.1 5.1 ±0.6 12.2а 0.09 ± 0.05 Л -> р Т

л/Фл'

79 ± 10 5369 ±3 20.7 ±2.3 16.4 ± 0.4 10.5а 0.13 ±0.06

Л' —> п+п л

был учтен при описании распределения. В распределениях по инвариантной массе Л/4>Л(Л Я+7Г7Г0)- и Л/гр-п' (л' —> р°у)-кандидатов в области меньших масс присутствует вклад от частично реконструированных распадов В1*1 —» Л/-фл(,)К± в случае, когда каон не был зарегистрирован. Кроме случая Л/Фл'Сп' —► Р°т)> все распределения описаны суммой двух функций Гаусса (вклады от распадов В0- и В°-мезонов) и экспоненты (фон). Для описания частично реконструированного фона в функцию добавлена компонента, соответствующая фазовому объему двух частиц в трехчастичном распаде. Во всех случаях подбор параметров функций производился методом небинированного максимального правдоподобия.

Результаты подбора параметров для каждого из распределений, а также значения разрешений, ожидаемые из моделирования, и значимости сигналов приведены в Табл. 3.

В четвертой части четвертой главы определяется выход числа событий нормировочного распада В0 —» Л/фр0.

Распределение по инвариантной массе комбинаций 3/т\т+тГ показано на Рис. 5(а). Благодаря использованию широкого массового окна для пион-ных пар, в распределении видны вклады как от распадов В0 —> Л/ф7г+7г~, так и от распадов —► Л/г))7Т+7Т_ (два узких пика в области больших

Рис. 5. : (а) Распределение по инвариантной массе отобранных .]/ф7Г+я~-кандидатов. Черные точки соответствуют распределению данных, сплошная кривая показывает результат описания распределения аналитической функцией. Тонкая сплошная кривая соответствует сигнальному вкладу от распадов В-мезонов. Штриховая кривая показывает вклад от фоновых распадов В0 —> Л/фК*0, в случае, когда каон от распада К*°-мезона был неверно идентифицирован как пион. Штрих-пунктирная кривая показывает вклад от комбинаторного фона, (б) Распределение по инвариантной массе 7Г+7Г--кандидатов из распадов В0 —> 3/т\>п¥'п~. Черные точки соответствуют распределению данных-, сплошная кривая показывает результат описания распределения аналитической функцией. Тонкая сплошная кривая соответствует вкладу от р°-мезона. Штриховая кривая показывает вклад от резонанса £2(1270), а штрих-пунктирная кривая — от резонанса £о(500).

масс). Более широкий пик с меньшей массой соответствует распадам В0 —» Л/-фК*°(К*° —» К±7ГТ) в случаях, когда каон был ложно идентифицирован как пион.

Распределение описано суммой трех функций Гаусса и экспоненты. Подбор параметров производился методом максимального небинированно-го правдоподобия.

Для изучения резонансных компонент в распаде В° —> Л/фя+я" была использована. методика ¡¡ТЫ. В качестве дискриминационной переменной для построения инвариантной дипионной массы от распадов В0 —> Л/фя+я~ (Рис. 5(6)) использовалась инвариантная масса Л/фя+я~. В распределении хорошо виден доминирующий пик от распадов р°-мезонов. Широкий пик в области 1260 МэВ/с2 был интерпретирован как вклад от 52(1270)-мезона, а узкий пик при массе 498 МэВ/с2 соответствует распадам Кд. Кроме того, в распределении ожидается вклад от резонанса 6(500). Для определения выхода числа событий В0 —> Л/фр° распределение было опи-

сано Р-волновой релятивистской функцией Брейта-Вигнера, поправленной на фактор, соответствующий фазовому объему двух частиц в трехчастич-ном распаде. Для описания вклада от распада f2(1270) —» п+тС в модель была добавлена D-волновая релятивистская функция Брейта-Вигнера, также поправленная на фазовый объем двух частиц в трехчастичном распаде. Параметры обеих функций (положения пиков и их ширины) были зафиксированы па номинальных значениях масс и ширин р° и £г(1270)-мезонов. Для описания вклада от 5)(500)-резонанса в модель была добавлена функция Цоу-Бугга с параметрами, зафиксированными на значениях, полученных коллаборацией BES. Область ±40 МэВ/с2 вокруг номинальной массы К|-мезона 498 МэВ/с2) была исключена из рассмотрения.

При описании распределения учитывалась зависимость эффективности отбора и реконструкции событий от инвариантной дипионной массы. Вид этой зависимости был определен путем моделирования. Число сигнальных событий с учетом поправки на эффективность составило (27.6 ±1.3) х 103.

В пятой части четвертой главы приводится метод вычисления отношений парциальных ширин и систематических погрешностей этих отношений. Отношения парциальных ширин определялись следующим образом:

вхо _ ВЩВ -> Л/фХ°) _ у (В - Л/фХ°) ВКуо е^/фуо ,, B,Y° - B7Z(B ^ .1/фУ°) ЛВ - J/4-Y") ВПХо £^.]/фХ0 ' W

где У — измеренный выход сигнальных событий, etot — полная эффективность регистрации распада, а B7lx°(B1Zуо) — относительная вероятность распада соответствующего мезона. В случаях, когда ароматы распадающихся В-мезонов для двух каналов различались, выражение для отношения парциальных ширин поправлялось на отношение вероятностей адронизации Ь-кварка в или В°-мезон, I1.

Полная эффективность регистрации распада является произведением трех компонент: геометрической эффективности детектора, эффективности реконструкции и отбора событий и эффективности триггера по отношению к сигнальным событиям. Значения всех компонент определялись с помощью моделирования. Для распадов, имеющих фотоны и нейтральные 71-мезоны в конечном состоянии, к эффективности отбора и реконструкции применялась

поправка, компенсирующая расхождение между смоделированными данными и данными, полученными в эксперименте.

Значения отношений парциальных ширин были определены в результате усреднения отношений, полученных для разных каналов распадов г^'*-мезонов. При этом были учтены несколько источников систематических погрешностей: в случае разного числа фотонов в конечном состоянии — погрешность поправки к эффективности реконструкции и отбора фотонов; в случае разного числа заряженных я-мезонов в конечном состоянии -- погрешность в определении эффективности реконструкции и отбора заряженных треков; кроме того, погрешность в определении триггерной эффективности; погрешность, связанная с выбором функции для описания распределений инвариантных масс кандидатов, а также неопределенность парциальных ширин распадов промежуточных т|-, л'-. и я°-мезонов. Остальные систематические погрешности пренебрежимо малы.

В конце четвертой главы приведены измеренные значения парциальных ширин распадов В° -* Л/фл, В° Л/фг)' и В0 Л/фи>°, а также значение отношения парциальных ширин распадов В° —> Л/фл' и В° —> Л/фг). Абсолютные значения парциальных ширин были получены с использованием известных значений Й7?(В° —» Л/фр°) = (2.7 ± 0.4) х 10"5 и = 0.276^:

ВП{ЪЧ Л/фл) = (3.79 ± 0.31 (стат.)^;1? (сист.)

±0.56(В7гво^л/фро)1о1? (УЪ)) * ВЩВ° Л/фл') = (3.42 ± 0.30 (стат.)+0.14_о.з5 (сист.)

±0.51 (В7гво^л/фро)1°;1 {и/и)) х Ю-4, ВЩВ° Л/фш°) = (2.41 ± 0.52 (стат.) (сист.)

±0.36 (е7гв°^:/фро)) х Ю-5,

где первая погрешность - статистическая, вторая систематическая, третья связана с неопределенностью парциальной ширины распада В0 —> Л/фр°. В случе распадов В° Л/фл и В° -> Л/фл' четвертая погрешность связана с неопределенностью отношения вероятностей адронизации Ь-кварка. Отношение парциальных ширин распадов В° —> Л/фл' и —» Л/фл

было найдено равным

где первая погрешность статистическая, а вторая — систематическая. Полученное значение совпадает как с теоретическими предсказаниями, так и с результатом, полученным коллаборацией Belle.

В заключении кратко перечислены основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. С использованием данных, полученных с помощью математического моделирования, проверена реализация калибровки электромагнитного калориметра методом восстановления инвариантной массы нейтрального я-мезона в рамках программного обеспечения эксперимента LHCb. Оценена точность калибровки и скорость получения калибровочных коэффициентов, а также определено количество событий необходимое для получения требуемых результатов;

2. С помощью метода восстановления инвариантной массы нейтрального я-мезона проводилась регулярная калибровка электромагнитного калориметра. Это позволило поддерживать точность восстановления энергии фотонов на уровне не хуже 2% на протяжении всего периода набора данных в 2010-2012 гг;

3. В данных, набранных экспериментом LHCb при энергии протон-протонных столкновений в системе центра масс \/s = 7 ТэВ и соответствующих интегральной светимости 1.0 фб-1, обнаружены распады В" —» J/Л и —> J/фя'- Измерены значения парциальных ширин этих распадов, а также их отношение. Полученные величины находятся в согласии как с теоретическими предсказаниями, так и с результатом, полученным коллаборацией Belle;

4. Найдено первое свидетельство распада В0 —> Л/феи". Измерена парциальная ширина этого распада.

Iе)

Публикации автора по теме диссертации

1. R. Aaij,..., D. Savrina et al. (LHCb Collab.), «Evidence for the decay B() -> J/феи0 and measurement of the relative branching fractions of B° meson decays to J/фт]' and J/фт)», Nucl. Phys. В 867 (2013) 547-5G6

2. С. Abcllan Beteta,..., D. Savrina et al., «Time alignment of the front end electronics of the LHCb calorimeters», JINST 7 (2012) P08020

3. I. Belyaev, D. Savrina et al., «Kali: The framework for fine calibration of the LHCb Electromagnetic Calorimeter», J. Phys. Conf. Ser. 331 (2011) 032050

4. И.М. Беляев, Д.Ю. Голубков, В.Ю. Егорычев, Д.В. Саврина, «Калибровка электромагнитного калориметра эксперимента LHCb методом восстановления инвариантной массы нейтральных я-мезонов», Вестник Московского Университета. Серия 3: ФИЗИКА, АСТРОНОМИЯ 5 (2013) 22

5. D. Savrina for the LHCb Collab., «Measurement of the ratio of branching-

fractions ^ K*°Y) Epj Web of conferences, 28 (2012) 12031

ВЩЩ —» фу)

6. D. Savrina for the LHCb Collab., «LHCb status and overview», PoS IHEP-LHC-2012 (2012) 004

7. D. Savrina for the LHCb Collab., «Search for the new physics in rare heavy flavour decays at LHCb», Particle Physics at the Tercentenary of Mikhail Lomonosov, Proceedings of the Fifteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics (2013) 316

Подписано к печати 30.10.13 Формат 60 х 90 1/16

Усл. печ. л. 2,0 Уч.-изд. л. 1,4 Тираж 100 экз. • Заказ 588

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б. Черемушкинская, 25

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ -ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ»

На правах рукописи

04201 452713

САВРИНА Дарья Викторовна

Измерение парциальных ширин распадов В° Л/Фп, Вь° ЛАК и В° л/-фии° на установке ЬНСЬ

Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

канд. физ.-мат. наук В.Ю. Егорычев

МОСКВА, 2013

Оглавление

Введение 4

1 Распады В° J/фп иВ8°-4 J/i|m' 12

1.1 Эффективный гамильтониан переходов b —> ees....................................13

1.2 Матричный элемент переходов b —»■ ees..............................................14

1.3 Определение параметра а^............................................................15

1.4 Парциальные ширины распадов В° —> J/ipT|W......................................16

1.5 Экспериментальные измерения распадов J/Фл, —> J/i^rj' и В0 —> J/i|)cu° 17

2 Эксперимент LHCb на ускорителе LHC 18

2.1 Ускоритель LHC........................................................................18

2.2 Эксперимент LHCb....................................................................19

2.3 Система восстановления треков заряженных частиц..............................21

2.3.1 Вершинный детектор..........................................................21

2.3.2 Трековая станция ТТ..........................................................23

2.3.3 Трековые станции Т1-ТЗ......................................................23

2.4 Детекторы колец черепковского излучения..........................................24

2.5 Калориметрическая система..........................................................25

2.6 Мюонная система......................................................................28

2.7 Математическое моделирование данных............................................28

2.8 Восстановление событий..............................................................30

2.8.1 Реконструкция треков..........................................................30

2.8.2 Реконструкция первичных вершин ..........................................33

2.8.3 Реконструкция и идентификация фотонов..................................33

2.8.4 Идентификация заряженных частиц........................................35

2.9 Система предварительного отбора событий ........................................37

2.10 Работа ускорителя и эксперимента в 2010-2012 гг..................................39

3 Калибровка электромагнитного калориметра нейтральными 7г-мезонами 40

3.1 Калибровка электромагнитного калориметра......................................40

3.2 Калибровка нейтральными я-мезонами..............................................42

3.3 Реализация метода......................................................................43

3.3.1 Отбор нейтральных 7Т-мезонов................................................45

3.3.2 Заполнение гистограмм........................................................45

3.3.3 Аппроксимация гистограмм..................................................46

3.4 Тестирование метода калибровки нейтральными пионами с помощью смоделированных данных..............................................................49

3.4.1 Моделирование данных........................................................49

3.4.2 Тестирование метода..........................................................50

3.4.3 Оценка точности метода......................................................53

3.5 Использование метода..................................................................54

4 Изучение распадов В° —> Л/г|^г|, —Л/г^л' и В0 —» Л/-феи0 в эксперименте ЬНСЬ 58

4.1 Отбор сигнальных событий............................................................58

4.2 Распады В0 —У Л/"фш°..................................................................64

4.3 Распады в конечное состояние Л/*фг|^................................................67

4.4 Распад В0 —» Л/фр0....................................................................76

4.4.1 Определение выхода числа сигнальных событий В0 —>• Л/грр°............77

4.4.2 Систематические погрешности................................................83

4.5 Определение отношения парциальных ширин......................................84

4.5.1 Систематические погрешности................................................85

4.5.2 Отношения парциальных ширин..............................................87

4.5.3 Усреднение между каналами с разными модами распадов г|— и г)'-мезонов 89

4.6 Результаты..............................................................................90

Заключение

Литература

Введение

В 1997 году в эксперименте Е288 (Фермилаб, США) группой под руководством Леона Ледермана было открыто новое семейство тяжелых частиц, названных Т-мезонами [1]. Эти частицы представляют собой пару Ь- и Б-кварка, так что их обнаружение было первым свидетельством существования третьего поколения кварков, предсказанного в 1973 году теоретиками Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава. Позднее существование b-кварка было подтверждено открытием В-мезонов в экспериментах ARGUS [2] и CLEO [3].

Третье поколение кварков было введено Кобаяши и Маскава как необходимое условие для объяснения механизма несохранения СР-четности в Стандартной Модели (СМ) [4]. Это нарушение возникает благодаря смешиванию кварков, которое описывается следующим соотношением:

\ь'/

= V х

\ь/

/

Vud vus VUb

vcd Vcs Vcb

x

y Vtd Vts Vtb )

\b/

где унитарная матрица V — это матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскава (СКМ-матрица). В литературе предлагается много разных вариантов параметризации этой матрицы. Одной из самых распространенных и удобных с феноменологической точки зрения является параметризация Вольфенштайна [5]. Она представляет собой приближение СКМ-матрицы путем разложения ее элементов в ряд по малому параметру Л = |Уи8| = 0.22:

/

У =

-Л 1 -

\ АЛ3(1 — р — ir|)

Л АЛ3(р - ir|) 2

АЛ2

\

АЛ2 1

+ С(Л4).

Независимые параметры Л, А, р, г) составляют набор, полностью описывающий эту матрицу. Смешивание антикварков определяется сопряженной матрицей V*, и нарушение СР-симметрии возникает благодаря присутствию в матрице неустранимой мнимой части.

Параметризация Вольфенштайна позволяет достаточно простое геометрическое представление СКМ-матрицы, удобное при изучении феноменологии редких распадов и СР-нарушения. Из унитарности матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава следует несколько соотношений, шесть из которых могут быть изображены в виде треугольников на комплексной плоскости (так называемые «Треугольники унитарности»). Наиболее часто используемые соотношения:

v^v;b + vcdv;b + vtdvt*b = o, vudv;b + vcdvc*b + vtdv;b = о.

Соответствующие им треугольники изображены на Рис. 1. При значении бу = 0 эти треугольники становятся идентичными. Значения параметров Л и А на данный момент определены с хорошей точностью. Значения остальных параметров СКМ-матрицы постоянно уточняются. Углы треугольников могут быть опеределены как с помощью измерения длин их сторон, так и напрямую, путем измерения СР-асимметрий. Случай, когда два различных способа дают разные значения углов, может быть свидетельством существования физики за пределами СМ.

Как было установлено экспериментами ARGUS [6] и CLEO [7], в распадах В-мезонов нарушение СР-симметрии проявляется наиболее сильно, так как в этом случае в смешивании участвуют все три поколения кварков. Этот факт стал причиной повышенного интереса к изучению физики В-мезонов. Многочисленные исседования проводились и проводятся как с помощью детекторов общего назначения, так и в экспериментах, специально созданных для изучения расадов В-мезонов, включая две специализированные асимметричные «В-фабрики»: установку Belle [8] на ускорителе КЕКВ (КЕК, Япония) и установку ВаВаг [9] на ускорителе РЕР-И (SLAC, США). На данный момент значительная статистика собрана для распадов В°-мезонов и немного меньшая — для распадов В-мезонов. Еще одним экспериментом, посвященным, в первую очередь, изучению физики

+ + УуУ.ь = О

1т ^,1^ = 0

Ч "Ь"..... /ч

тЮ-Л2/^

Ке

О

Р

(1~А,2/2+рХ2)

Рис. 1: Треугольники унитарности в параметризации Вольфенштайна.

В-мезонов стал эксперимент ЬНСЬ на большом адронном коллайдере.

Общая характеристика работы. В диссертации описывается процедура измерения парциальных ширин распадов В° —> Л/Ч>Л> —> Л/фл' и В0 —> Л/фси°, а также измерение отношения парциальных ширин распадов —> Л/"фл' и —> Л/"фл в эксперименте ЬНСЬ. Анализ выполнен с использованием данных, набранных экспериментом при энергии протон-протонных столкновений в системе центра масс л/е, = 7 ТэВ и соответствующих интегральной светимости 1.0 фб-1. Все исследуемые распады восстанавливались с использованием моды распада 3/\\> —> Ц-+|лГ. Легкие незаряженные мезоны л и л' восстанавливались в каналах л ТУ, Л —* я+7Т~7г0(7Г° —> уу) и г]' р°(р° —> 7т+я_)у ил' —Л (л уу)л+п~, а ш°-мезон — в моде си° —> тс+7х~7т° с последующим распадом я0 —> уу. Окончательные значения парциальных ширин были получены путем усреднения между различными каналами распадов л- и л'-мезонов.

Цели и задачи исследования. Главной целью работы было обнаружение распадов В° —> Л/"фл, —> Л/"фл' и В0 —» Л/"фш° и измерение их парциальных ширин, а также измерение отношения парциальных ширин распадов —> Л/"Фл и —> Л/"фл'-Важным условием для выполнения этой задачи является точное восстановление энергии фотонов, присутствующих в конечных состояниях всех трех распадов. Поэтому в качестве

вспомогательной задачи выступала задача регулярной калибровка электромагнитного калориметра методом восстановления инвариантной массы 7Т°-мезона в распаде на два фотона и создание соответствующего программного обеспечения, интегрированного в общую систему обработки данных.

Актуальность темы диссертации. Одной из наиболее важных для измерения величин является фаза В° — В° осцилляций, фд. В рамках СМ ее значение предсказано с хорошей точностью, так что появление эффектов новой физики должно быть немедленно замечено как отклонение от предсказанного значения. Изучение распадов В° Л/фл и В° —> Л/фл' улучшит точность измерения этой величины. Поскольку состояния Л/фг| и Л/фл' являются СР-собственными, то измерение фазы смешивания в этих распадах не требует углового анализа (в отличие, например, от «золотой моды» — распада —> Л/фф), что значительно упрощает задачу. Кроме того, в [10] предложен способ измерения угла у Треугольника унитарности с использованием распадов —)• Л/фл и В° —>• Л/фл'. Еще одним интересным исследованием, основанном на измерении парциальных ширин этих распадов, может стать измерение параметров л — л' смешивания и определение вклада глюонной компоненты в л'-мезон.

Состояние Л/фш° не является СР-собственным, так что для измерения СР-асимметрии в нем необходим угловой анализ, требующий значительной статистики. Тем не менее, одновременное измерение парциальных ширин распадов В0 —>■ Л/феи0 и В0 —Л/фр° необходимо для изучения изоспиновой асимметрии.

Распады В° —>■ Л/фл> —> Л/фл' и В0 —» Л/фси°, как и многие другие распады, исследуемые в эксперименте ЬНСЬ, имеют электроны или фотоны в конечном состоянии. Такие распады восстанавливаются, в основном, благодаря наличию в событии электронных и фотонных кандидатов с высоким поперечным импульсом, которые регистрируются калориметрической системой. При этом массовое разрешение первичной частицы напрямую зависит от точности определения энергии электронов и фотонов. Для радиационных распадов В-мезонов всего лишь 3%-ое снижение точности в определении энергии фотона ухудшает разрешение почти на 20%.

Таким образом, калориметрическая система выполняет несколько важных функций: она обеспечивает триггер нулевого уровня электронными и фотонными кандидатами с

высоким поперечным импульсом, измеряет их энергии и положения, а также участвует в алгоритмах идентификации частиц, позволяя разделять электроные, фотоные и адронные кандидаты. Точная калибровка электромагнитного калориметра, позволяющая восстанавливать энергию электронов и фотонов с точностью не хуже 2%, является необходимым условием для выполнения физической программы ЬНСЬ.

Практическая полезность. Представляемая диссертационная работа проведена в рамках участия ИТЭФ в международном эксперименте ЬНСЬ. Тема диссертации соответствует одному из направлений физической программы эксперимента, а именно: исследованию распадов В-мезонов в конечные состояния, содержащие Л/ф-мезон. Для выполнения задачи проведена калибровка всех считывающих каналов электромагнитного калориметра. Показана возможность использования электромагнитного калориметра ЬНСЬ для реконструкции распадов —>• уу и г) —> уу методом инвариантных масс. Результаты калибровки электромагнитного калориметра использовались при обработке физических данных, набранных в эксперименте. Регулярная калибровка позволяет поддерживать энергетическое разрешение калориметра на требуемом уровне на протяжении всего периода набора данных.

Автор защищает:

1. методику калибровки отклика индивидуального канала электромагнитного калориметра на основе реконструкции распадов 7Т —» уу в условиях эксперимента ЬНСЬ;

2. оценку точности и скорости работы метода калибровки электромагнитного калориметра с помощью восстановления инвариантной массы нейтрального 7Г-мезона, реализованного в рамках программного обеспечения (ПО) ЬНСЬ;

3. обнаружение распадов В!? Л/фл и В0 —> Л/фл' в данных, набранных экспериментом ЬНСЬ и измерение их парциальных ширин, а также измерение отношения парциальных ширин этих двух распадов;

4. обнаружение первого свидетельства распада В0 —> Л/феи0 и измерение его парциальной ширины.

Личный вклад диссертанта. Диссертант принимала активное участие в калибровке электромагнитного калориметра эксперимента LHCb. Ею была сделана проверка реализации метода восстановления инвариантной массы нейтрального 7Т-мезона в рамках ПО LHCb, оценена скорость работы и точность калибровки этим методом. Кроме того, во время набора данных в 2010-2012 годах ею проводилась регулярная калибровка электромагнитного калориметра.

Диссертант также принимала участие в анализе физических данных эксперимента. В частности ею были измерены значения парциальных ширин распадов В° -> Л/"фл и В° —> Л/4>л' и отношение этих значений, а также обнаружено первое свидетельство распада В0 —» Л/-фси° и измерена его парциальная ширина.

Апробация и публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в [11, 12, 13, 14]. Результаты анализа регулярно обсуждались на совещаниях международной коллаборации LHCb. Основные результаты были доложены на международных конференциях:

1. 13th SAC Seminar «New Perspectives of High Energy Physics» (г. Новосибирск, 01-05 сентября 2010 г.);

2. 15ая Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц (г. Москва, 18-24 августа 2011 г.);

3. Hadron Collider Physics Symposium (г. Париж, 14-18 ноября 2011 г.);

4. Симпозиум «Кварконий» в рамках международной сессии-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (г. Москва, 12-16 ноября 2012 г.)

5. Международная конференция «LHC on March» (г. Протвино, 20-22 ноября 2012 г.);

6. Конференция «Calorimetry for the High Energy Frontier» (г. Париж, 22-25 апреля 2013 г.);

7. 21st International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (г. Триест, 26-31 августа 2013 г.);

а также обсуждались на семинарах ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ. Результаты докладывались сотрудниками коллаборации ЬНСЬ на многочисленных международных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и

заключения. Её объем 112 страниц, включая 17 таблиц и 32 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 99 наименований. Текст диссертации организован следующим образом:

• в первой главе приводится краткое описание теоретического рассчета парциальных ширин распадов В° —У Л/фл и В8° -> Л/фл'- Кроме того, в первой главе приведены результаты измерений парциальных ширин распадов В° —У Л/фл, В° —> Л/фл' и В0 —> Л/фси° в различных экспериментах;

• во второй главе дано краткое описание ускорителя ЬНС и экспериментальной установки ЬНСЬ. Перечислены ее основные элементы и характеристики. Кроме того, в этой главе описаны алгоритмы математического моделирования данных, реконструкции и идентификации частиц, а также система предварительного отбора данных (триггер). В конце главы рассказывается об условиях набора данных в 20102012 годах;

• в третьей главе описывается применение метода восстановления инвариантной массы нейтрального я-мезона для калибровки электромагнитного калориметра. Изложены основные идеи метода, его реализация в рамках программного обеспечения ЬНСЬ, результаты проверки работы метода с использованием данных, полученных с помощью компьютерного моделирования, и результаты применения метода для регулярной калибровки калориметра в 2010-2012 годах;

• в четвертой главе повествуется об исследовании распадов —> Л/фл, В° —» Л/фл' и В0 —У Л/фш°. Описаны методы выделения этих распадов из данных и вычисления значений их парциальных ширин и погрешностей этих значений. Показаны наблюдаемые сигналы и их основные характеристики. Кроме того, приведен ряд проверок, проводившихся для подтверждения полученных результатов. В конце главы приведены полученные значения парциальных ширин распадов В° —> Л/фл,

—> Л/фл' и В0 —у Л/фш°, а также значение отношения парциальных ширин распадов

Bg —> J/^rj' и B° —> J/iJrri. Полученные результаты сравниваются с теоретическими предсказаниями и результатами эксперимента Belle, полученными в 2012 году;

• в заключении кратко перечислены основные результаты диссертационной работы.

Глава 1

Распады Bg J/i|rr| и Bg —у J/^ri'

Распады В-мезоиов в конечные состояния, содержащие Л/ф-мезон и легкий незаряженный мезон как правило обусловлены переходами Б —> ees или Б —у ccd, то есть происходят за счет элект