Измерение вероятностей распадов B → D(*)ηιν тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им. А. И. Алиханова

На правах рукописи

□□34461ВО

Ливенцев Дмитрий Владимирович

Измерение вероятностей распадов В £>(*)тг&/

Специальность 01 04 16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

.1 8 СЕН 2008

Москва 2008 г

003446160

УДК 539 12

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт Теоретической и Экспериментальной Физики", г Москва

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор физ -мат наук П Н Пахлов (ИТЭФ, г Москва)

доктор физ -мат наук Ю М Зайцев (ИТЭФ, г Москва)

доктор физ -мат наук Н Г Уральцев (ПИЯФ РАН, г Санкт-Петербург)

ИЯФ СО РАН (г Новосибирск)

Защита диссертации состоится 16 сентября 2008 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 201 002 01 в ГНЦ РФ ИТЭФ, расположенном по адресу г Москва, ул Б Черемушкинская, д 25 конференц-зал института

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ

Автореферат разослан 14 августа 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ -мат наук В В Васильев

1. Общая характеристика работы

В диссертации описывается измерение относительных вероятностей распадов В —> D^itPv [1], изучение их резонансной структуры (вклады В —> D**i+u), а также исследование кинематических характеристик этих распадов [2|

Настоящая работа основывается на данных, набранных за период с 2000 по 2007 гг в эксперименте Belle, работающем на ускорителе КЕКВ в научно-исследовательском центре КЕК (г Цукуба, Япония) КЕКВ — асимметричный е+е~ коллайдер с энергией пучков в системе центра масс 10 58 ГэВ соответствующей массе T(4S) резонанса

1.1. Актуальность темы диссертации

Полулептонные распады занимают особое положение среди слабых распадов б-мезонов Это исключительно спектаторные процессы, обеспечивающие самое точное измерение матричных элементов Ц,6 и I [ь В отличие от адронных распадов теоретические неопределенности здесь существенно меньше Относительная инклюзивная вероятность полулеп-тонных распадов Б-мезона хорошо измерена и составляет (10 2 ± 0 9) СА для Ви (10 5 ± 0 8) % для В0 Вместе с тем распады S-мезона в основные ихлоянин D [В —> и В —► D'I^v) дают только 70 — 80 л полной вероятности Так как относительная вероятность распадов В(В —■> XJ Vv) мала Ю-4), то "недостающие" распады следует искать среди распадов Ь — > c(+v в возбужденные состояния D (В —> I)*"t+v) или в многочастичныс состояния В —»

Для описания таких процессов применяются модели, построенные на основе эффективной теории тяжелых кварков (HQET Heavy Quark Effective Theory) Методы HQET показали прекрасный результат в описании полулептонных распадов £?-мезонов, особенно инклюзивных процессов теория позволяет получить значение с точностью лучше чем 2% Однако возникают определенные проблемы в описании эксклюзивных распадов Например, правила сумм (в частности, правило сумм Уральцева) указывают на сильное доминирование распадов в узкие воз-

бужденныс состояния D-мсзонов над распадами в широкие состояния, в то время как некоторые экспериментальные данные дают обратную картину При этом полного исследования таких распадов не существует поэтому надежное сравнение теории с экспериментом провести нельзя

1.2. Цель диссертационной работы

Целью диссертации является измерение относительной вероятности распадов изучение резонансной структуры DM л и кине-

матических характеристик распадов В —» f4/( а также разработка метода тагирования полным восстановлением второго В-мезона в событии из распадов Т(45)-резонанса

1.3. Научная новизна

Уникальные характеристики детектора Belle в сочетании с рекордной статистикой позволили осуществить исследования, описанные в диссертации

Предложен метод тагирования исследуемого полулептонного распада В-мезона полным восстановлением второго В-мезона в событии из распадов Y(4S)-pe30HaHca Оптимизированы критерии отбора тагирующего В-мезона для повышения точности измерения и уменьшения систематических ошибок измерения

Впервые напрямую измерены относительные вероятности распадов В -> D^ht+v для В+ и В0-мезонов

Впервые обнаружены и измерены с хорошей точностью относительные вероятности полулептонных распадов в состояние D*2{24G0) Исследованы кинематические характеристики этих распадов зависимость дифференциальной вероятности от переданного импульса, а также поляризация D*2

Относительные вероятности полулептонных распадов в узкое состояние Di (2420) измерены с точностью, лучшей среднемировой

Получен верхний предел на вероятности полулептонных распадов в широкое состояние D[ (2430)

При исследованиее спектра инвариантных масс пары Dir из распадов В —> Diri1 V было обнаружено значимое превышение событий над фоном в области 2 ОГэВ/с2 < M{Dir) < 2 4ГЭВ/С2, совместимое с гипотезой

рождения широкого ./-"-волнового СОСТОЯНИЯ Dq

1 4 Результаты, выносимые на защиту

1 Метод тагирования исследуемого полулептонного распада й-мезона полным восстановлением второго й-мезона в событии из распадов Т(45)-резонанса

2 Первое прямое измерение относительных вероятностей распадов В —> для В+ и ¿?°-мезонов

3 Первое обнаружение и измерение относительных вероятностей по-лулептонных распадов в состояние £>¿(2460) Исследование кинематических характеристик этих распадов

4 Измерение относительных вероятностей полулептонных распадов в состояние D\ (2420) с точностью, лучшей среднемировой

5 Получение верхнего предела на вероятности полулептонных распадов в широкое состояние Z^J (2430)

6 Получение относительных вероятностей полулептонных распадов в широкое Р-волновое состояние Dq

1.5. Апробация работы и публикации

Основные материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1 2] Материалы, изложенные в диссертации, докладывались в 2005-м году на 22-м Международном симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (LP2005) в Уппсале, Швеция на Международной конференции по физике высоких энергий Европей-t кого физического общества (HEPP-EPS 2005) в Лиссабоне, Португалии, на 4-м Международном семинаре по треугольнику унитарности СКМ в Нагойе, Япония (СКМ2006) в 2006-м году, в 2007-м году на 23-м Международном симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (LP2007) в Дигу, Корея, в 2008-м году на 9-м международном семинаре по тяжелым кваркам и лептонам (HQL-2008) в Мельбурне, Австралия, на 43-й международной конференции Rencontres de Monond 2008 в Jla Туиле, Италия, а также на совещаниях сотрудничества Belle Разработанный метод тагирования полностью восстановленным В-мсзоном использовался в опубликованных работах сотрудничества Belle, посвященных исследованию полулептонных распадов R-

мезонов

1.6 Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения Ее объем составляет 100 страниц, включая 38 рисунков и 12 таблиц Список цитируемой литературы состоит из 51 наименования

2. Краткое содержание диссертации Во введении формулируется постановка задачи и приводится план расположения материала

Первая глава описывает историю изучения и современное состояние экспериментальных исследований полулептонных распадов /J-мезонов Приведен обзор экспериментальных работ и их сравнение с теоретическими предсказаниями

Вторая глава посвящена теоретическому описанию полулептонных распадов В-мезонов

В рамках эффективной теории тяжелых кварков (Heavy Quark Effective Theory, HQET) рассматриваются свойства мезонов, содержащих один тяжелый кварк {niQ Aqcd) В пределе mç —► ос возникает симметрия по спину и аромату, связывающая свойства тяжелых мезонов

Матричные элементы полулептонных распадов В —> I)'* *~4+v можно записать в общей форме через 4-скорости В и поляризацию D" " и скалярные форм-факторы, которые зависят от инварианта и = Св rDl»,.), переменной, широко используемой в HQET При ihq —» х форм-факторы выражаются через функции Изгура-Вайза£(гг), ) и тугМ для дублетов (D, D*), (Dq, D\) и {D\, соответственно Функции Изгура-Вайза связаны соотношениями, называемыми "правилами сумм" В предположении малости вклада распадов в более высокие состояния найдена связь между Ti/2(îî-') и гз/г(«') Показано, что что распады в узкие состояния дублета (Di, D^) должны доминировать над распадами

вфо.Д)

В третьей главе дано описание экспериментальной установки асимметричных накопительных колец КЕКВ, детектора Belle, системы триггеров для отбора различных физических процессов а также используемой техники идентификации заряженных частиц Детектор Belle, схема которого приведена на рис 1, был оптимизирован для измерения СР-

нарушения в распадах В-мезонов Элементы детектора цилиндрически-симметрично размещены вокруг точки взаимодействия пучков в магнитном поле напряженностью 1.5 Т Магнитное поле создастся при помощи сверхпроводящего соленоида Основными компонентами детектора являются кремниевый вершинный детектор (SVD), дрейфовая камера (CDC) азрогелевый детектор черепковского излучения (АСС), времяпролетная система (TOF), электромагнитный калориметр (ECL) на основе кристаллов CsI(Tl), сверхпроводящий магнит, а также слои мюонных камер (KLM) расположенные в ярме магнита Основные параметры элементов установки приведены в табл 1 Детектор покрывает телесный угол от 17° до 150° по полярному углу, что соответствует 92% от полного телесного угла 4тг в системе центра масс е+е~ пучков Универсальный характер установки позволяет проводить измерение редких распадов Б-мезонов, исследование свойств очарованных частиц, физики двухфотонных взаимодействий, распадов т-лептона, а также поиск физических явлений за пределами Стандартной Модели

Magne , ACC-J

Рис 1 Схематический вид детектора Belle

Таблица 1 Параметры основных элементов детектора Belle

Элемент Тип Конструкция Параметры

детектора детектора

БУБ Двухсторонние кремниевые сенсоры Размер считывающего элемента 57 5 х 33 5 мм2 Размер кремниевого стрипа 25(р) / 42(п) мк (7дг ~ 80 мк

СБС Дрейфовая 50 слоев проволочного =

камера считывания (8400 каналов), = 0 3%у/р} + 1

(50% Не 3 слоя катодно-стрипового

50% С2Н6) считывания (1792 канала) &йГ,1<1г = 6Я

АСС Аэрогелевые пороговые 960 каналов в боковой области, Кре >6

черенковские 228 каналов в К/7Г-разделсние

счетчики торцевой области 12-35 ГэВ/с

ТОР Сцинтиллятор 128 ^сегментов г = 120 см, 1 = Зм а, = 100 пс К/7г-разделение до 1 2ГэВД

ТБС 60 (¿»-сегментов

ЕСЬ Кристаллы 6624 канала в 0 0Ы>(Я Ь ~ к

Св1(Т1) боковой области, 1152 (+2) + 960 (-г) в торцевой области СО 81(с/с)//Г1'5 91 34(г/с) О?0ч = 0 бсмч/Е

КЬМ Плоско- 14 слоев <т„ =

параллельные (5 см Ре + 4 см зазор) = (Та = 30 мрад

счетчики а( — 1 пс

Четвёртая глава посвящена описанию методики измерений с помощью тагирования полным восстановлением второго 5-мезона в событиях из Т(48) резонанса

В отличие от предыдущих работ, восстанавливавших только один В-мезон, в данной работе мы восстанавливали оба В-мезона в событии Один (сигнальный) В-мезон восстанавливался в интересующем нас по-

лулептонном канале и в дальнейшем обозначается Bs\ Второй (тагирую-щий) В-мезон восстанавливался полностью в адронном канале распада Мы будем обозначать его _ßtag Используя тагирующий и сигнальный В-мсзоны мы находим квадрат массы нейтрино как

Ml = (Ръеат ~ Psi ~ ^tag)2-

где Pbearr,, Pal и Ptdg — 4-импульсы T(4Ä), Bs 1 и Blag соответственно

Восстановление тагирующего 5-мезона служит двум целям Во-первых, это позволяет практически полностью избавиться от вклада континуума и сильно подавить комбинаторный фон от .ВВ-событий, когда при восстановлении полулептонного канала подмешиваются частицы от распада второго В-мезона в событии При использовании нашего метода в событии попросту не остается лишних частиц, и, таким образом можно с уверенностью утверждать, что всс частицы, участвующие в восстановлении Bs 1, действительно произошли из этого распада Тем не менее, следует отметить, что это пока не позволяет учесть возможную потерю нейтральных частиц (л-0 или 7) из интересующего нас распада

Во-вторых, восстановление ßtag позволяет точно определить направление импульса сигнального ß-мсзона, что значительно (в 10-20 раз, в зависимости от исследуемого канала распада Да) улучшает разрешение по M* по сравнению с экспериментами, не использовавшими тагирова-ние и дает возможность выделить сигнал исследуемого распада на фоне полулептонных каналов распада со схожим конечным адронным состоя-ni*e\i ч "о^*'Очными гтАтлтлетттtitT^/TT нейтральным tï частице,* Последние будут очевидно, приводить к широкому (относительно сигнального) распределению в спектре сдвинутому в положительную область

Таким образом, все возможные фоновые события удается подавить до приемлемого уровня Тем не менее, метод имеет и существенный недостаток эффективность полного восстановления Btag составляет ~ 10 ' что ведет к существенному уменьшению числа В-мезонов, доступных для изучения Однако большая статистика данных, набранная в ходе работы эксперимента Belle, позволяет получить достаточное количество событий во всех исследуемых каналах

Пятая глава посвящена анализу экспериментальных данных Прежде чем изучать интересующие нас распады, мы проверили метод на хорошо измеренных распадах В —> v Помимо проверки эти

измерения использовались в качестве нормировочных для уменьшения систематической ошибки, возникающей из-за неопределенности в эффективности тагирования полным восстановлснисм второго В-мезона

Источники фона в исследуемых каналах можно разбить на следующие категории

1 Континуум, те события, не связанные с рождением Т(45')-резо-нанса, е+е~ —> qq,q = и в. с,

2 Неправильно восстановленные ВЪйё с использованием частиц из другого В-мезона или ложных частиц,

3 Неправильно восстановленные Вв\ Их можно разделить на следующие типы

За комбинаторный фон под Л« из Ва1,

ЗЬ адроны, ошибочно идентифицированные как лептоны,

Зс отражение от В —> Г)*£+и, восстановленных как В —> 0(ь // с потерянными нейтральными частицами

Фоны всех типов, кроме (Зс), можно надежно определить и вычесть из сигнальных спектров на основании анализа данных Чтобы оценить вклад фонов (1) и (2), мы использовали контрольные области по АЕ Изучение данных, набранных вне резонанса Т(4£>), и В В-событий, смоделированных методом Монте-Карло (МС), показало, что спектр АЕ для этих фонов плоский Таким образом, процедура использования контрольных областей по АЕ дает верную оценку этих фонов

Фон (За) вычитался с помощью контрольных областей по массс Однако существуют события, которые одновременно можно отнести как к категории (2), так и к категории (За), и которые, таким образом, вычитались дважды Такое перевычитание мы оценивали и компенсировали по двумерным контрольным областям АЕ —

Для изучения фона (ЗЬ), те событий, в которых адрон ошибочно идентифицировался как лептон, мы восстанавливали комбинации вида В остальном процедура восстановления оставалась такой же как и в случае Адроны /г+ выбирались с требованием лептонного вето

(£( < 0 01 и < 0 1) Полученные спектры М* для комбинаций £>М/г+

затем умножались на известную вероятность ошибочной идентификации адрона как лептона зависящую от его импульса

Фон (Зс) присутствует только в каналах В —» DH+v и вычиталась с помощью МС Нормировка производилась по измеренным вероятностям распадов В —> D*(+v

Для уменьшения систематической ошибки, связанной с неопределенностями в эффективности восстановления 7?tag, мы вычисляли значение относительной вероятности распадов, используя нормировочные распады, по формуле

у>, , ч у-,{ ч Nmode Cnortv

В (mode) = B(norm) х —-х-

w!in f mode

где N„mm m0de и (noim modt — количество событий и эффективность восстановления нормировочных и сигнальных каналов соответственно, В(пог т ) — среднемировая относительная вероятность нормировочных распадов Эффективности восстановления получены из моделирования Вероятности промежуточных распадов включены в эту величину, вероятность та-гирования — нет В качестве проверки метода мы вычисляем вероятность распада В —» D*(+v

Таблица 2 Результаты, полученные для нормировочных каналов В измеренных относительных вероятностях распадов первая ошибка — статистическая, вторая — систематическая

A VCLIlCWi ii-icjivy tWDiirm w КЗС^-А-Л or A^lliUUCy, /U

В 2320 ± 60 64 2 15 ±0 22 1

В" 700 ± 30 0 83 50±03±07

я» D~t v 760 ± 30 37 2 12 ± 0 20 1

в0 -» D-tv 1120 ±40 2 1 54±03±08

На рис 2 показаны спектры М* для распадов В^ —» О тг1 (1 и ¡1 —> г?*-тг-7+1/ В0 В\-£+и и В0 В*°т;-£+и В случае В0 мы накладывали вето на распад В0 —> 1)" 7 ' /л уже исследованный ранее Для этого требуется А1(Ойтг~) > 2 05 ГэВ/с2 На всех спектрах хорошо видны пики, соответствующие исследуемым каналам

]Испо7ьзуется в качестве нормировки

Процедура вычитания фона и подгонки для П^ тЛ'1 и аналогична процедуре для нормировочных каналов вклады (1) и (2) оценивались из анализа контрольных областей по ДЕ, (За) — из анализа контрольных областей по М(О^), вклад (ЗЬ) — из анализа комбинаций 0(-*!тг11+ фон (Зс) определялся, используя моделирование

Таблица 3 Результаты, полученные для В —> В измеренных

относительных вероятностях распадов первая ошибка — статистическая вторая — систематическая

Канал Число событий Эфф ,% В(тос1е),%

В1 -у 0~7г 192 ± 19 28 0 40 ± 0 04 * 0 06

В+ ЧЪ; 123 ± 14 1 14 0 64 ± 0 08 ± 0 09

В0 150 ± 20 37 0 42 ± 0 07 ± 0 06

В° 22 ±8 0 40 0 56 ± 0 21 ± 0 08

Для изучения резонансной структуры в системе О^ж в распадах В —> О^'-к^и мы использовали события, удовлетворяющие требованию < 0 1 ГэВ2/г4 Эффективность этого требования не зависит от модели, используемой в МС для генерирования сигнальных событий и близка к • 100 % Фоны оценивались Так же, как в случае вычисления В{В —► П'^п^1 и) Спектры инвариантных масс пар 7г для изучаемых распадов приведены на рис 3 Спектры в области узких состояний О*" с ] — 3/2 показаны на врезках в ббльшем масштабе

Чтобы получить-вклады £>**, мы совершали одновременную небини-рованную подгонку сигнального и фонового спектров Сигнальная функция включала все состояния Б**, дающие вклад в данное конечное состояние. каждое из которых описывалось релятивистской функцией Брейта-Вигнера с фиксированными значениями ширины и массы Для описания нерезонансного вклада использовалась модель Гойти-Робертса Функции, демонстрирующие результаты подгонки, показаны на рис 3 сплошной кривой, вклад фоновой составляющей — пунктирной

Значения, полученные в результате подгонки, приведены в табл 4 и 6 Статистическая значимость наблюдения распадов В —> В* оценивалась как 21п(£о/£тах)> где Стах — максимальное правдоподобие подгонки, а £'0 — правдоподобие подгонки с вкладом соответствующего

Рис 2 Спектры М} до (1) и после (2) вычитания фонов для а) В+ П'ттЧЧ;, Ь) В+ -» ж+(+1У с) В0 -» ВЧ~(!+р ё) В0 -» Кривой показан результат подгонки, описанной в тексте

зафиксированным в нуле Полученный результат хорошо согласуется с результатами предыдущих экспериментов В случае использования гипотезы Ц) + 0*2 вероятность распада в Ц* получилась большой, что противоречит теоретическим предсказаниям Однако на существующей статистике мы не можем определенно отдать предпочтение одной из гипотез

Таблица 4 Результаты исследования инвариантной массы пары Дтгь (гипотеза ОЪ + 0*2) В(тове) = В(В -> х В(Бп £>тг+). В измеренных относительных* вероятностях распадов первая ошибка — статистическая, вторая — систематическая

Канал Число событий ß(mode),% Значимость

В+ -» Dft+v 77 ± 14 0 18 ± 0 03 ± 0 04 50

В+ Dftv 92 ±12 0.21 ±0 03 ±0 03 82

В0 -> Dl~t+v 51 ± 19 0 17 ±0 06 ±0 04 26

л° -» D*ft.+v 63 ±12 0 21 ±0 04 ±0 03 5 5

Таблица 5 Результаты исследования инвариантной массы пары Он' (гипотеза Д* + Д) В(тос1е) = В{В -»• х В{В**« -» Ятг1)

В измеренных относительных вероятностях распадов первая ошибка — статистическая, вторая — систематическая

Канал Число событий ß(mode).% Значимость

В+ -> Dft+v 53 ±13 0 12 ± 0 02 ± 0 03 62

В+ -* Dftv 111 ±10 0 26 ± 0 03 ± 0 04 10 3

В0 -Л D*-(+v 80 ±19 0 26 ± 0 06 ± 0 07 4 2

£и -> Dr?+v 60 ± 12 0 20 ± 0 04 ± 0 03 59

Для D* **, распадающихся в Dir, мы исследовали распределения событий по углу поляризации, т е углу между импульсом ж в системе покоя D* " и импульсом D*'** в СЦМ, и по w = оп i /}(•*•', переменной, широко используемой в HQET

26 28

М(0П

GeV/cг

Рис 3 Спектр масс адронной пары 0["тт для следующих каналов а)

в+ ¿гтг+гч ь) в1 —» о*~ж+е+и, с) в0 ¿>°7г*+1/, в0 -»

ймтт~{+1>. На врезках показаны массовые спектры до вычитания фона в районе узких Фон показан заштрихованной гистограммой Кривые показывают результат подгонки, описанной в тексте

Таблица 6 Результаты исследования инвариантной массы пары О'т: В( тос1е) = В (В х #(£>" О* тг+) В измеренных относи-

тельных вероятностях распадов первая ошибка — статистическая, вторая — систематическая

Канал Число событий B(modc),% Значимость

В1 -Sill < 0 07 @ 90% С L

В+ D^+v 81 ±13 0 42 ±0 07 ±0.07 67

/?+ Dftu 35 ± 11 0 18 ± 0 06 ± 0 03 3 2

-> D'^tv 4 ± 8 < 0 47 @ 90% С L

В0 -» D^tv 20 ±7 0 54 ± 0 19 ± 0 09 2 9

ва -» D2l+v 1±6 < 0 3 @ 90% С L

Чтобы получить распределение по углу поляризации для D*, D*} и Г)2 мы совершали одновременную подгонку спектров M(Dtt) для В+ и В0, построенных в интервалах по |cos0| с шагом 0 2 Процедура подгонки идентична той которая использовалась для нахождения относительной вероятности распадов В D*'**t+v В результате были получены числа сигнальных событий D*,DqW D2 для каждого из интервалов по | eosf| Эти числа, поправлендьте на эффективность восстановления, зависящую от выбранного интервала, изображены на рис 4 Распределения для 1)2 полеченные в рамках гипотез DJ + 02 и D*-fD2, практически совпадают поэтому на рис 4 показан только первый вариант

Полученные угловые распределения подгонялись сферическими гармониками YJ, соответствующими спину резонанса Для D(* распределение согласуется с предположением J — 0 (качество подгонки \2/ndf ~ 6 0/4 где ndf — количество степеней свободы) Распределение для D" полученное в рамках гипотезы D*v + D2, подгонялось функцией а^У/'!2 -1-«I ¡У,1!2, где al + aj — I В результате подгонки мы получили (Iq = 0 15 ± О 09, а? = 0 85 ± 0 09 {\2/ndf = 18 8/4) Большое значение \2/ndf демонстрирует плохое согласие распределения с аппроксимирующей функцией Для D"2 использовалась функция a^Kf!2 + ^af^l2 + ia^Yffi fto+4«i+4a2 = 1 Подгонка выдала следующие значения = 0 74±0 10 af = 0 04 ± 0 02 и a| = 0 02 ± 0 02, что указывает на рождение D2 в полулептонных распадах преимущественно с = 0 Качество подгонки

{\¿/»df = 2 0/3) свидетельствует о хорошем согласии с гипотезой J — 2 Распределения, предсказанные теорией, показаны пунктирной кривой

«04:-

о =

"03 -

ТЗ Е-

£02 -

TS

l. о 1:

^ о ь

04 ^ 03 | 0 2 001 -

о -о

|cos 6| |cos 8|

Рис 4 Распределения по углу поляризации для a) D¡5, Ь) D*, с) D¿ Сплошные кривые показывают результат подгонки, описанной в тексте пунктирыс — теоретически ожидаемое распределение

Распределения по w получены из одновременной подгонки спектров U(Dtt) для В+ и В° в интервалах по w Результаты показаны на рис 5 Как и при изучении угла поляризации, распределения для В'2 в обеих гипотезах практически совпадают, поэтому показано только одно из них Одновременная подгонка распределений для DJ и D"¿ дала т'у2 = -1 8 ± 0 3 Используя полученные ранее вероятности распадов В —> Dí¡,(f и, мы также вычислили тз/2(1) = 0 75 и 71/2(1) = 128 Полученные результаты находятся в согласии с теоретическими ожиданиями, за исключением параметра Т\/2(1), значение которого существенно больше ожидаемого из-за большого значения относительной вероятности распада В —> ' и В заключении представлены основные результаты работы

1 Предложен метод тагирования исследуемого полулептонного распада В-мезона полным восстановлением второго В-мезона в событии из распадов Т(45)-резонанса Оптимизированы критерии отбора тагирую-щего В-мезона для повышения точности измерения и уменьшения систематических ошибок измерения

2 Разработанный метод восстановления полулептонных распадов В-мезонов проверен на надежно измеренных распадах В —> ' ¡/ Полу-

w w

Рис. 5: Распределения по w для а) Dq, b) D*, с) Кривые показывают результат подгонки, описанной в тексте.

ченные значения относительных вероятностей этих распадов находятся в хорошем согласии со среднемировыми значениями.

3. Впервые напрямую измерены относительные вероятности распадов В —> D^irtv для В+ и В°-мезонов

В(В+ -* D'^tv) = (0.40 ±0.04 ±0.06)%, В{В+ ü*~ix+tv) = (0.64 ± 0.08 ± 0.09)%.

В(В° -* гРж-tv) = (0.42 ± 0.07 ± 0.06)%.

В(В° D*üt~£+u) = (0.56 ± 0.21 ± 0.08)%.

4. В работе, выполненной на большей статистике данных, впервые обнаружены и измерены с хорошей точностью относительные вероятности полулептонных распадов в состояние DJ (2460)

В(В+ Oft v) х B(D? D~тт+) = (0.21 ± 0.03 ± 0.03)%.

В(В° D*2~tv) х B{Df D°7t~) = (0.21 ± 0.04 ± 0.03)СХ.

5. Исследованы кинематические характеристики этих распадов: зависимость дифференциальной вероятности от переданного импульса, а также поляризация Dg. Измеренные значения параметров HQET составляют

т3/2(1) = 0.75, ?i/2=-1-8 ±0.3.

6 Относительные вероятности полулептонных распадов в состояние Di(2420) изморены с точностью, лучшей или сравнимой со среднемировой,

В{В+ -> Dl^v) х ВфЧ -> D"7г+) = (0 42 ± 0 07 ± 0 07)% В(П° -» ' ") х ЯфГ -» £>*°/Г ) = (0 54 ± 0 19 ± 0 09)%

7 Получен верхний предел на вероятности полулептонных распадов в широкое состояние D[ (2430)

В{В 1 Щ(+и) х B{D'\ D*~тг+) < 0 07% на 90% У Д . В(В° D'f^) х Й(1>'Г -» D*°7T_) < 0 47% на 90% УД

8 В спектре инвариантных масс пары Ок из распадов В —> D~t+v обнаружено значимое превышение событий над фоном в области масс 2 0ГэВ/с2 < W(Djr) < 2 4ГэВ/с2, совместимое с гипотезой рождения широкого ^-волнового состояния Dq В предположении вклада этого состояния измерены относительные вероятности

В{В+ v) х B{D;° D~7г+) = (0 18 ± 0 03 ± 0 04)%

B{B° -»• D*0-£+v) x B{D*0- 0°тГ) = (0 17 ± 0 06 ± 0 04)%

Публикации автора по теме диссертации

¡1] D Liventscv et al (Belle Collaboration), Ph}s Rev 1372,051109 (2005) [2\ D Liventsev et al (Belle collaboration), Phys Rev D77, 091503 (2008)

Подписано к печати 11 08 08 Формат 60 х 90 1/16

Уел печ л 1,2 Уч -изд л 0,85 Тираж 100 экз Заказ 542 Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б Черемушкинская 25

Введение

1 История изучения полулептонных распадов 5-мезонов.

1.1 Открытие и изучение Ь-кварков.

1.2 Слабые распады Ь-кварков.

1.3 Существующие экспериментальные данные.

1.3.1 Измерение распада В0 —► D*~£+w.

1.3.2 Измерение распада В —► D£+v.

1.3.3 Измерение распадов В —► D**£+v.

2 Описание полулептонных распадов 5-мезонов.

2.1 Симметрия тяжёлых кварков.

2.2 Спектроскопия S- и Р-волновых состояний D-мезонов.

2.3 Лагранжиан HQET.

2.4 Полулептонные распады в HQET.

2.5 Правила сумм.

3 Экспериментальная установка

3.1 Ускоритель КЕКВ.

3.2 Детектор Belle.

3.2.1 Вершинный детектор.

3.2.2 Дрейфовая камера.

3.2.3 Аэрогелевый детектор черепковского излучения

3.2.4 Система измерения времени пролёта частиц.

3.2.5 Электромагнитный калориметр.

3.2.6 Мюонная система.

3.2.7 Идентификация заряженных треков

3.2.8 Триггерная система.

3.3 Моделирование детектора

4 Метод тагирования полным восстановлением.

4.1 Методы изучения полулептонных распадов.

4.2 Восстановление промежуточных частиц.

4.3 Восстановление пары ВВ.

5 Изучение распадов В

5.1 Нормировочные распады В D(*H+v.

5.2 Источники фона и его описание.

5.3 Измерение относительной вероятности распадов В D^Trt+v.

5.4 Изучение резонансной структуры.

5.5 Изучение характеристик распадов В —*■ D*'**i+iy, D*'** —► D-k.

5.6 Оценка систематических ошибок измерений.

5.7 Обсуждение результатов.

Стандартная модель (СМ) описывает сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия трёх поколений кварков и лептонов. Основной задачей физики высоких энергий в последние десятилетия является определение параметров СМ, проверка её предсказаний и поиск физики за её пределами (Новая физика). До сих пор СМ с удивительной точностью описывает все наблюдаемые в микромире процессы.

Изучение 5-мезонов — важнейший инструмент физики высоких энергий. Благодаря большой массе 6-кварка (ть Aqcd и, следовательно, а3(ть) ~ Ю-1) и богатству процессов, в которых он участвует, Б-физика открывает широкие возможности по изучению параметров СМ и поиску процессов, не описываемых ей.

Начиная с 80-х годов, исследованию 5-мезонов был посвящён целый ряд экспериментов: ARGUS, CLEO, ALEPH, DELPHI, L3, OPAL и др. В 90-х годах для изучения £?-мезонов и поиска CP-нарушения в их распадах были запущены В-фабрики КЕКВ (КЕК, Япония) и PEP-II (SLAC, США), характеризующиеся беспрецедентно высокой светимостью, на которых работают детекторы Belle и ВаВаг.

Полулептонные распады занимают особое положение среди слабых распадов Б-мезонов. Это исключительно спектаторные процессы, обеспечивающие самое точное измерение матричных элементов |К,ь| и В отличие от адронных распадов теоретические неопределённости описания полулептонных переходов существенно меньше. Относительная инклюзивная вероятность полулептонных распадов £?-мезона измерена с хорошей точностью и составляет (10.2 ± 0.9)% для В+ и (10.5 ± 0.8)% для В0 [1]. Однако измеренные эксклюзивные полулептонные распады Б-мезона в основные состояния D-мезона (В —> D£+v и В —> D*£hu) составляют только 70-80% от полной вероятности. Поскольку относительная вероятность полулептонных распадов за счет b —> и перехода мала 10~4 [1]), "недостающие" распады следует искать среди распадов в возбуждённые состояния D-мезонов В —> D**tvv или в многочастичные состояния В —> D^mri^i/.

Для описания таких процессов используются модели, основанные на эффективной теории тяжелых кварков (Heavy Quark Effective Theory, HQET). Методы HQET показали прекрасные результаты при описании полулептонных распадов В-мезонов, как эксклюзивных в основные состояния D-мезона, так и, в особенности, инклюзивных процессов; теория позволяет получить значение \Усь\ с точностью, лучшей 2% [2, 3,4]. Однако возникают определённые проблемы в описании эксклюзивных распадов в возбужденные состояния D-мезонов. Например, правила сумм (в частности, правило сумм Уральцева [5]) указывают на сильное доминирование распадов в узкие возбуждённые состояния D-мезонов над распадами в широкие состояния, в то время как некоторые экспериментальные результаты дают обратную картину [6, 7]. До настоящего времени надёжно измеренным оставался только распад в узкое состояние Di(2420), распадающееся на D*тг. Изучению распадов с другими D** в конечном состоянии мешают трудности их восстановления и выделения на большом комбинаторном фоне, а сами экспериментальные данные по распадам в (2460) и широкие возбуждённые состояния D-мезонов оставались противоречивыми. Поэтому достоверного сравнения теории с результатом эксперимента провести не удавалось.

Помимо обсуждаемой выше важности изучения распадов В —» D^mri^'v и В —> для проверки и уточнения моделей сильного взаимодействия при переходах тяжелых кварков, эти распады являются фоновыми при определении матричных элементов |Ktb| и \Усь\, а также для измерения распадов В —> D^r vuT, представляющее один из перспективных методов поиска Новой физики в распадах 5-мезонов.

Темой настоящей работы является измерение вероятностей полулептонных распадов В D^ttF-v и исследование резонансной структуры адронной системы ЯМ /I для выделения вклада различных D**. Измерение выполнено с помощью полной реконструкции второго (тагирующего) В-мезона в событии. Согласно теоретическим предсказаниям, вклады отдельных возбуждённых состояний D-мезонов могут составить ~ 0.5% и внести существенный вклад в полную относительную инклюзивную вероятность полулептонных распадов В-мезона.

Настоящая работа основывается на данных, набранных за период с 2000 по 2007 гг. в эксперименте Belle, работающем на ускорителе КЕКВ в научно-исследовательском центре КЕК (г. Цукуба, Япония). КЕКВ — асимметричный е+е~ коллай-дер с энергией пучков в системе центра масс 10.58 ГэВ, соответствующей массе Т(4S) резонанса.

Основные материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [8]. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались в 2005-м году на 22-м Международном симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (LP2005) в Уппсале, Швеция; на Международной конференции по физике высоких энергий Европейского физического общества (HEPP-EPS 2005) в Лиссабоне, Португалия; на 4-м Международном семинаре по треугольнику унитарности СКМ в Нагойе, Япония (СКМ2006) в 2006-м году; в 2007-м году на 23-м Международном симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (LP2007) в Дигу, Корея; в 2008-м году на 9-м международном семинаре по тяжёлым кваркам и лептонам (HQL-2008) в Мельбурне, Австралия; на 43-й международной конференции Rencontres de Moriond 2008 в JIa Туиле, Италия, а также на совещаниях сотрудничества Belle.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Результаты исследования систематических ошибок приведены в таблице 5.6. Мы получили ошибку в 14% для измерения вероятности В —> ошибку в

16% для измерения относительных вероятностей распадов в узкие D** и ошибку в 25% для распадов в широкие D**.

5.7 Обсуждение результатов

1. Предложенный метод тагирования исследуемого полулептонного распада В-мезона полным восстановлением второго jB-мезона в событии из распадов Т(45)-резонанса был проверен на надежно измеренных распадах В —> D*trv. Полученные значения относительных вероятностей этих распадов показали хорошее согласие со среднемировыми значениями, что подтвердило применимость метода в исследовании полулептонных распадов.

2. Впервые напрямую измерены относительные вероятности распадов В —>

Заключение

Представленные в настоящей диссертации исследования были основаны на данных эксперимента Belle, набранных в период с 2000 по 2007 год. В представленных исследованиях были получены следующие основные результаты:

1. Предложен метод тагирования исследуемого полулептонного распада В-мезона полным восстановлением второго 5-мезона в событии из распадов Т(46')-резонанса. Оптимизированы критерии отбора тагирующего 5-мезона для повышения точности измерения и уменьшения систематических ошибок измерения.

2. Разработанный метод восстановления полулептонных распадов В-мезонов проверен на надежно измеренных распадах В —> D*£+v. Полученные значения относительных вероятностей этих распадов находятся в хорошем согласии со среднемировыми значениями.

3. Впервые напрямую измерены относительные вероятности распадов В —> D^ir£+v для В+ и В°-мезонов

В{В+ -> D~iv+£+i>) = (0.40 ± 0.04 ± 0.06)%, В{В+ -> D*~>K+tv) = (0.64 ± 0.08 ± 0.09)%, В(В° -> D\~tv) = (0.42 ± 0.07 ± 0.06)%, В{В° -> D*°ir-e+v) = (0.56 ± 0.21 ± 0.08)%.

4. В работе, выполненной на большей статистике данных, впервые обнаружены и измерены с хорошей точностью относительные вероятности полулептонных распадов в состояние D2(2460)

В(В+ -> Dftv) х B(Df D~tt+) = (0.21 ± 0.03 ± 0.03)%, В{В° -> D*2~tu) х Bio;' D°тг~) = (0.21 ± 0.04 ± 0.03)%.

5. Исследованы кинематические характеристики этих распадов: зависимость дифференциальной вероятности от переданного импульса, а также поляризация Dj. Измеренные значения параметров HQET составляют гз/2(1) = 0.75, т£/2 = -1.8±0.3.

6. Относительные вероятности полулептонных распадов в состояние Z)i(2420) измерены с точностью, лучшей или сравнимой со среднемировой,

В(В+ D\tv) х В(Щ -> D*~ir+) = (0.42 ± 0.07 ± 0.07)%, В(В° D^tu) х B(Di D*°тг") = (0.54 ± 0.19 ± 0.09)%.

7. Получен верхний предел на вероятности полулептонных распадов в широкое состояние £^(2430)

В{В+ D'ftu) х Г)*-тг+) < 0.07% на 90% У.Д.,

В{В° х B{D'{- £)*°тг-) < 0.47% на 90% УД.

8. В спектре инвариантных масс пары Dir из распадов В —► Dir£+v обнаружено значимое превышение событий над фоном в области 2.0ГэВ/с2 < M(Dt) < 2.4ГэВ/с2, совместимое с гипотезой рождения широкого Р-волнового состояния Dq. В предположении вклада этого состояния измерены относительные вероятности

В(В+ D^tv) х B(D? D~ir+) = (0.18 ± 0.03 ± 0.04)%, В(В° Dl'tu) х B{D*0~ ,О07г-) = (0.17 ± 0.06 ± 0.04)%.

Благодарности

Я благодарен своему научному руководителю, Павлу Николаевичу Пахлову, за его плодотворные идеи, без которых эта работа не была бы начата и закончена.

Также я хотел бы поблагодарить всех, с кем я общался и кто оказывал мне помощь в её написании, особенно моих коллег за их терпение и ответы на мои бесконечные вопросы, в ИТЭФе: Руслана Чистова, Галю Пахлову, Тимофея Уг-лова, Тагира Аушева, Рому Мизюка, и ИЯФе: Александра Бондаря, Александра Кузьмина, Сеню Эйдельмана.

Отдельное огромное спасибо Александру Евгеньевичу Бондарю за его интерес к моей работе, советы, вопросы и рекомендации.

Конечно же, эта работа была бы невозможна без сотрудников научного центра КЕК и участников коллаборации Belle, создавших прекрасный научный прибор и все условия для комфортной работы на нём.

1. O. Buchmueller, H. Flaecher, Phys. Rev. D 73, 073008 (2006).

2. K. Abe et al (Belle Collaboration), hep-ex/0611047.

3. B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), arXiv: 0707.2670 [hep-ex].

4. N. Uraltsev, Phys. Lett. В 501, 86 (2001).

6. D. Buskulic et al. (ALEPH Collaboration), Z. Phys. С 73, 601 (1997);

7. A. Anastassov et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 80, 4127 (1998);

8. G. Abbiendi et al. (OPAL Collaboration) Eur. Phys. J. С 30, 467 (2003).

9. V.M. Abazov et al. (DO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 95, 171803 (2005);

10. J. Abdallah et al. (DELPHI Collaboration), Eur. Phys. J. С 45, 35 (2006).

11. M. A. Shifman, M. B. Voloshin, Sov. J. Nucl. Phys. 47, 511 (1988), M. A. Shifman, M. B. Voloshin, Yad. Fiz. 47, 801 (1988).

12. N. Isgur and M.B. Wise, Phys. Lett. В 232, 113 (1989).

13. N. Isgur and M.B. Wise, Phys. Lett. В 237, 527 (1990).

14. M. Neubert, Phys. Rept. 245, 259 (1994).

15. A. V. Manohar and M. B. Wise, Camb. Monogr. Part. Phys. Nucl. Phys. Cosmol. 10, 1 (2000).

16. J. Rosner, Comm. Nucl. Part. Phys. 16, 109 (1986).

17. K. Abe et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. D 69, 112002 (2004); A. Kuzmin et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. D 76, 012006 (2007).

18. E. Eichten and B.R. Hill, Phys. Lett. В 243, 427 (1990); A.F. Falk, B. Grinstein and M.E. Luke, Nucl. Phys. В 357, 185 (1991).

19. LI. Bigi, M. Shifman, N.G. Uraltsev and A. Vainshtein, Phys. Rev. D 52 196 (1995).

20. N. Uraltsev, Phys. Lett. В 545, 337 (2002).

21. J.L. Goity and W. Roberts, Phys. Rev. D51, 3459 (1995). Мы используем исправленную модель из генератора EvtGen, см. 46..

22. J. Blatt and V. Weisskopf, "Theoretical Nuclear Physics", New York: John Wiley & sons (1952).

23. A. Le Yaouanc et al., Phys. Lett. В 520, 25 (2001).

24. S. Veseli, M.G. Olsson, Phys. Lett. В 367, 302 (1996).

25. D. Scora and N. Isgur, Phys. Rev. D 52, 2783 (1995); см. также N. Isgur et al., Phys. Rev. D 39, 799 (1989).

26. B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), Phys. Rev. Lett. 100, 151802 (2008).