Изучение распадов B-мезонов в возбужденные состояния чармония в эксперименте LHCb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

11.11

1ПГ

национальный исследовательский центр

«курчатовский институт»

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

Поляков Иван Олегович

Изучение распадов В-мезонов в возбужденные состояния чармония в эксперименте ьнсь

Специальность: 01.04.23 - физика высоких энергий

2 9 АПР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2015

005568114

005568114

УДК 539.126

Работа выполнена в ФГБУ «ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики» НИЦ «Курчатовский институт» Научный руководитель: Егорычев Виктор Юрьевич,

канд. физ.-мат. наук, начальник отделения международных мегапроектов ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» НИЦ «КИ», г. Москва.

Официальные оппоненты: Лиходед Анатолий Константинович,

доктор физ.-мат. наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ «ГНЦ РФ ИФВЭ» НИЦ «КИ», г. Протвино.

Канцеров Вадим Абдурахманович, канд. техн. наук, доцент НИЯУ «МИФИ», г. Москва. Ведущая организация: МГУ им. М.В. Ломоносова

НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына, г. Москва.

Защита состоится 19 мая 2015 г. в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 в конференц-зале ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» по адресу: г. Москва, ул. Большая Черемушкинская 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» и на сайте www.itep.ru.

Автореферат разослан 17 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

В.В. Васильев

Программа поиска бозона Хиггса была с самого начала одной нз главных на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, г. Женева). Экспериментальное подтверждение его существования является триуфом Стандартной модели (СМ). Однако, несмотря на поразительные успехи СМ в описании экспериментальных данных, ее нельзя считать окончательной. Поэтому поиск физики вне СМ и точная проверка ее предсказаний являются главными направлениями исследований на Большом адронном коллайдере. Наиболее важная часть научной программы ускорителя БАК представлена четыремя экспериментами: CMS, ATLAS, ALICE и LHCb. Программы двух крупнейших экспериментов CMS и ATLAS содержат целый ряд направлений исследований: изучение свойств бозона Хиггса, поиск «новой физики» вне рамок СМ (в частности, поиск суперсимметричных частиц), изучение физики t-кварков и др. Основной целью эксперимента ALICE является изучение ион-ионных столкновений.

Эксперимент LHCb посвящен изучению свойств частиц, содержащих си Ь-кварки. Ожидается, что в их распадах могут присутствовать эффекты «новой физики», как, например, вклад суперсимметричных частиц. Подобные эффекты могут приводить к существенным отклонениям от предсказаний СМ для параметров нарушения CP-симметрии или величин парциальных ширин редких распадов. Преимуществом эксперимента LHCb по сравнению с другими экспериментами является большое сечение рождения, с- и Ь-кварков и возможность рождения всех возможных состояний, содержащих ¿ькварк (В+-, В0-, и Влс -мезонов, а также различных барионов, содержащих прелестный кварк).

Важную роль в изучении механизма нарушения CP-симметрии и наблюдении осцилляций в системе нейтральных В-мезонов играют распады в двухчастичные состояния, содержащие чармониевый резонанс, как, напри-

мер, В0 —> УфК^ и —> ^ф ф. Для улучшения точности измерений в данных исследованиях необходимо получение большого количества сигнальных событий, в том числе за счет проведения подобных измерений с использованием других каналов распадов. Другой важной задачей является детальное изучение влияния сильных взаимодействий в данных распадах.

Помимо этого, распады В-мезонов представляют собой чувствительный аппарат для изучения свойств чармония. Начиная с 2003 года в распадах В-мезонов было обнаружено множество чармониеподобных состояний, не описывающихся в рамках традиционной модели чармония, как, например, Х(3872), Х(4140), -£+(4430) и Физическая программа эксперимента ЬНСЬ включает в себя проверку наблюдений этих состояний, определение их свойств, а также поиск новых экзотических состояний в распадах частиц, содержащих Ь-кварк.

Данная диссертация посвящена как исследованию процесса образования чармония в распадах В-мезонов, так и изучению свойств экзотических состояний чармония.

Общая характеристика работы

Диссертация включает два связанных между собой анализа, выполненных с использованием данных эксперимента ЬНСЬ, набранных в протон-протонных столкновениях при энергиях 7 и 8 ТэВ в системе центра масс и соответствующих интегральным светимостям 1 и 2 фб-1, соответственно. Результатом первого анализа стало измерение отношений парциальных ширин распадов В0 ХаК*°, В0 ~> ХаК*0, В0 В°3 -> ХаФ и

В® —» З/грф, а именно:

В(В° ХаК*0) В(В° -» Хс2К*) В(В° -> ХаФ) В (В0 -» ЩК*аУ В(В° ХаК*0) И В(В° Щф) ' Исследуемые распады восстанавливались с использованием мод Хс1,2 «//07> УФ —> К*0 -> К+7г~ и 0 К+К~. Результатом вто-

рого анализа стало обнаружение свидетельства распада Х(3872) —> ■0(25)7 и измерение его парциальной ширины по отношению к парциальной

ширине распада Х(3872) -> J/ф7. Состояния Х(3872) восстанавливались в распадах В+ —Л'(3872)/<ч. Исследуемые распады восстанавливались с использованием мод распадов J/ф -» и ip(2S) ->

Актуальность темы диссертации

Распады В-мезонов в двухчастичные состояния, содержащие чармоние-вый резонанс, играют важную роль в изучении нарушения СР-симметрии и наблюдении осцилляций в системе нейтральных 5-мезонов. Эти распады также представляют собой чувствительный аппарат для изучения сильных и электрослабых взаимодействий.

Наиболее распространенным методом описания распадов В-мезонов в состояния, содержащие чармоний, является подход факторизации. Однако, как показали экспериментальные исследования содружеств Belle и ВаВаг, парциальные ширины распадов вида В -»■ хмК существенно превосходят значения, предсказываемые теоретически в рамках данного подхода. Таким образом, нефакторизуемые процессы могут давать значимый вклад в амплитуды распадов В-мезонов в состояния, содержащие чармоний. В свою очередь, несмотря на то, что парциальная ширина распада В0 —> Хс2К*° превышает теоретически ожидаемые значения, вклад нефакторизуемых процессов в распадах вида В XciK достоверно не установлен. Теоретические предсказания для парциальной ширины распада В0 —»■ хаК*0 имеют наименьшие неопределенности при вычислении относительно парциальной ширины распада В0 —> хаК*°- Поэтому одновременное измерение парциальных ширин распадов В0 и В11 -> может предоставить значимую информацию для понимания механизма рождения Xc-рсзонансов в распадах В-мезонов. Распады В° -> хл,2Ф ранее не наблюдались, и их обнаружение представляет особый интерес ввиду перспектив изучения нарушения СР-симметрии.

Распады В-мезонов, содержащие чармониевый резонанс в конечном состоянии, играют основную роль в исследовании экзотического чармония. Так, в распадах В+ ->• ЗЦп^^тгЮ в 2003 году сотрудничеством Belle было

открыто первое экзотическое состояние — Х(3872). На настоящий момент обнаружено несколько разных мод распада состояния Х(387'2), а также установлен ряд его свойств. Однако, несмотря на большое количество экспериментальных данных, природа состояния X (2,872) (как и других экзотических состояний) до сих пор неясна. Помимо традиционного чармониевого Xci(2Р)-резонанса, в качестве интерпретаций состояния АГ(3872) предлагаются £)£>*-молекула, тетракварки, гибридные состояния, а также смесь чар-мония и ГШ^-молекулы.

Важная информация о природе состояния Х(3872) может быть получена из исследований его радиационных распадов. Теоретические предсказания отношения парциальных ширин Щп = В(Х(3872) ф(2Б)у) /В(Х (3872) -»• J/ф-у) варьируются от 3 х Ю-3 до 15 и сильно зависят от выбранной модели состояния X (3872). Произведенные ранее измерения отношения в экспериментах ВаВаг и Belle находятся в противоречии друг с другом, поэтому необходимо провести дополнительное измерение данной величины.

Цели и задачи исследования

Работа посвящена экспериментальной проверке СМ и поиску новых распадов S^-мезонов. В задачи исследования входила разработка метода обработки данных, набранных экспериментом LHCb в первом сеансе 2010 - 2012 г.г., поиск распадов В° Ха^К*0, В° -> хлФ, и распадов X(Z872) J/ф7 и Х(3872) ф(25)7 в канале В+ -> Х(3872)К+.

В работе представлено экспериментальное измерение образования возбужденного состояния чармония в распадах В-мезонов. В ходе исследования был разработан экспериментальный метод и проведен анализ данных для измерения отношения парциальных ширин распадов В0 ХаК*° и В® —> хаФ относительно распадов В0 -»■ J/фК*0 и J/фф, измерения отношения

парциальных ширин распадов В° -> XciK*0 и J5° -> Х^К*0, а также измерения отношения парциальных ширин распадов Х(3872) —> nJj(2S)j и Х(3872) -> J/ф-у.

Научная новизна

Впервые обнаружен распад В® —> хлФ, 11 измерена его парциальная ширина относительно распада В° —> ,1/фф. Измерены отношения парциальных

В(В° ХаК*°) В(В° -> Хс2К*°) В{Х{3872) -» ^(25)7) ширин в{вп ^ в{во ХлК*0) и В(Х(3872) -> ° Т°Ч"

ностью лучше среднемировой.

Практическая полезность

Представленная диссертационная работа выполнена в рамках участия ФГБУ ГНЦ РФ ИТЭФ в международном эксперименте ЬНСЬ. Тематика работы соответствует программе эксперимента ЬНСЬ, а именно направлению, включающему исследование распадов В-мезонов в конечные состояния, содержащие чармониевый резонанс. Результаты исследования приведены в Таблице свойств элементарных частиц в редакции 2014 года.

Автор защищает

1. Метод восстановления распадов В0 —> ха,2К*0 и нормировочного канала В0 —»■ ■//фК*° в условиях эксперимента ЬНСЬ. Метод разделения мод распадов В0 -> ХаК*° и В0 -> Хс2К*° на основе инвариантной массы В-кандидата.

В(В° -»• хлК*0)

2. Измерение отношений парциальных ширин щ^а и

В(В° -> Хс2К*°) В(В° хс\К*°У

3. Метод восстановления распада В° -»• ХлФ и нормировочного канала В° —> .//0 ф в условиях эксперимента ЬНСЬ.

4. Первое обнаружение распада В° -> ХаФ и измерение отношения пар-

В(В° хлФ)

циальных ширин Щф).

5. Метод восстановления распадов В+ —> Х(3872)К+ с последующими распадами Х(3872) —> J/ф7 и Х(3872) —» 0(25)7 в условиях эксперимента LHCb.

6. Измерение отношения парциальных ширин распадов Х(3872) -» 0(25)7 и Х(3872) J/07.

Личных! вклад диссертанта

Диссертант принимал активное участие в анализе физических данных эксперимента LHCb. В частности, им были восстановлены распады в0 —> и измерены их парциальные ширины; впервые обнаружен

распад —> ХлФ-, и измерена его парциальная ширина. Также им был восстановлен распад -АГ(3872) —> •0(25)7, и измерена его парциальная ширина относительно распада Х(3872) —» J/07- Помимо этого, диссертант внес основной вклад в исследование эффективности димюонного триггера, результаты которого широко используются в других анализах эксперимента LHCb.

Апробация работы и публикации

Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в 7 работах, из которых работы [1, 2, 3, 4] удовлетворяют требованиям ВАК. Список работ приведен в конце автореферата. Данные материалы регулярно обсуждались на совещаниях международной коллаборации LHCb, докладывались на семинаре ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ и семинаре ФГБУ ГНЦ РФ ИФВЭ, на различных конференциях:

1. 49-th Rencontres de Moriond QCD and High Energy Interactions (r. Jla-Туйле, 22-29 марта 2014 г.);

2. 16-ая Международная Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц (г. Москва, 22-28 августа 2013 г.);

3. International Workshop «LHC on the March» (г. Протвино, 20-22 ноября 2012 г.);

4. 18-ая Международная Московская школа физики (43-я зимняя школа физики ИТЭФ) (п. Ершово, 17-24 февраля 2015 г.);

5. Симпозиум «Кварконий» в рамках международная сессии-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (г. Москва, 17-21 ноября 2014 г.);

6. 56-ая конференция МФТИ (г. Москва, 25-30 ноября 2013 г.);

7. 11-ая Курчатовская молодежная научная школа (г. Москва, 12-15 ноября 2013 г.);

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

Результаты данной работы были неоднократно представлены сотрудниками коллаборации LHCb на многочисленных международных конференциях и на регулярном семинаре кафедры «Физика элементарных частиц» в

ИТЭФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Ее объем 117 страниц, включая 24 таблицы и 56 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 89 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении формулируется предмет исследования, описывается актуальность представленной работы, ее практическая значимость и приводится краткое описание содержания диссертации.

В первой главе представлено краткое описание ускорителя БАК и устройство детектора LHCb. Приводится описание его систем и их основных

Рис. 1: Схематический вид детектора ЬНСЬ.

характеристик. Дается краткое описание алгоритмов реконструкции событий и алгоритмов математического моделирования данных.

Большой адронный коллайдер является крупнейшим в мире ускорителем элементарных частиц и представляет собой кольцевой ускоритель встречных пучков протонов с протяженностью кольца 26.7 км. Во время набора данных в 2011 и 2012 году энергия столкновения протонов в системе центра масс составляла 7 и 8 ТэВ, а средняя мгновенная светимость в эксперименте ЬНСЬ составляла 3 х 1032 см-2с-1 и 4 х 1032 см~2с~х, соответственно. Интегральная светимость, набранная детектором ЬНСЬ за 2011 и 2012 годы, составила 1 и 2 фб-1, соответственно.

Эксперимент ЬНСЬ является одним из четырех основных экспериментов на Большом адронном коллайдере. Главной задачей этого эксперимента является поиск косвенных проявлений «новой физики» за пределами Стандартной модели в распадах адронов, содержащих Ъ- и с-кварки. Детектор ЬНСЬ является одноплечевым передним спектрометром, покрывающим область псевдобыстроты от 2 до 5. Схематический вид установки представлен на Рис. 1. Уникальная геометрия детектора ЬНСЬ обеспечивает попадание около 40% всех рождаемых частиц, содержащих Ь- и с-кварки, в аксептанс

установки. Точное определение времени жизни частиц, а также эффективное отделение вершин распада от вершин протон-протонных столкновений, обеспечивается вершинным детектором VELO. Импульсы и траектории заряженных частиц определяются трековой системой, включающей в себя ди-польный магнит, трековые станции ТТ и Т1-ТЗ до и после магнита, соответственно, а также детектор VELO. Для идентификации и разделения пионов, каонов и протонов используются два детектора колец Черенковского излучения (RICH1 и RICH2). За идентификацию и разделение электронов, фотонов, нейтральных пионов и адронов отвечает калориметрическая система, которая в том числе используется для измерения энергии фотонов и нейтральных пионов. Калориметрическая система состоит из детектора на основе сцинтилляционных пластин (SPD), предливнего детектора (PRS), электромагнитного калориметра (ECAL) и адронного калориметра (HCAL). Идентификация мюонов обеспечивается мюонной системой. Запуск триггера осуществляется калориметрической и мюонной системами.

Вершинный детектор VELO состоит из 21 кремниевого модуля радиусом 42 мм, ориентированного перпендикулярно оси пучка. Точность восстановления первичных вершин в детекторе VELO для событий с 25 заряженными треками составляет 76 мкм вдоль оси пучка и 16 мкм перпендикулярно оси пучка. Точность измерения прицельного параметра для частиц с большим поперечным импульсом равна 20 мкм. Точность определения времени жизни частиц, распадающихся в вершинном детекторе, составляет 45 фс.

Трековые станции Т1-ТЗ, расположенные за магнитом, состоят из внутреннего и внешнего трекеров. Трековая станция ТТ и внутренний трекер собраны из слоев кремниевых микрополосковых детекторов. Внешний трекер представляет собой детектор на основе цилиндрических дрейфовых камер. Импульсы заряженных частиц, проходящих через всю трековую систему, определяются с точностью от 0.4% (в случае частиц с импульсом 5 ГэВ/с) до 0.6% (в случае частиц с импульсом 100 ГэВ/с).

Для эффективной идентификации частиц в диапазоне импульсов от 1 до 100 ГэВ/с используются два детектора колец Черенковского излучения RICH. Детектор RICH1, использующий газ C4Fi0 и аэрогель, идентифици-

рует частицы с импульсом от 1 до 60 ГэВ/с, а детектор RICH2, использующий газ CF4, идентифицирует частицы с импульсом от 15 до 100 ГэВ/с. Эффективность идентификации каонов составляет 95% при менее чем 10% вероятности ложной идентификации пиона в качестве каона. Протоны верно идентифицируются в 90% случаев, в то время как доля пионов и каонов, ложно идентифицированных в качестве протонов, составляет около 10%.

Первые два детектора калориметрической системы SPD и PRS собраны из пластиковых сцинтилляционных пластин толщиной 15 мм и разделены 12 мм слоем свинцового поглотителя. Регистрация электромагнитных ливней в этих детекторах позволяет отделять фотоны от электронов и адронов. Расположенный за ними электромагнитный калориметр собран из чередующихся слоев свинцового поглотителя и сцинтиллятора, ориентированных перпендикулярно оси пучка. Адронный калориметр расположен сразу за электромагнитным калориметром и также построен из чередующихся слоев поглотителя и сцинтиллятора. Характерной особенностью данного калориметра является то, что слои ориентированы вдоль оси пучка, а не поперек. Во всех детекторах калориметрической системы свет от сцинтилляторов собирается с помощью спектросмещающих оптических волокон и выводится на фотоэлектронные умножители, где и производится считывание сигнала. Энергетическое разрешение калориметров составляет

СГ£

Е

9.0% ± 0.5% п о0/ ав

ECAL у[Ё ' Е HCAL т/Ё

69% ± 5%

Ф 0.8% , = ^^"/цф(9%±2%) ,

где энергия измеряется в ГэВ.

Мюонная система состоит из пяти последовательно расположенных станций М1-М5, разделенных поглотителями. Мюонные станции, за исключением внутренней зоны М1, собраны из многопроволочных пропорциональных камер. Во внутренней зоне М1, через которую проходит наибольший поток заряженных частиц, используются газовые электронные умножители. Эффективность идентификации мюонов близка к 97%, в то время как вероятность ложной идентификации пионов в качестве мюонов составляет около 2%.

В следующей части первой главы приводится описание алгоритмов математического моделирования данных и алгоритмов восстановления событий: реконструкции треков, первичных вершин, а также идентификации частиц.

Протон-протонные столкновения моделируются с помощью программы PYTHIA 6.4. Для моделирования распадов родившихся частиц используется программа EvtGen. Излучение фотонов в конечном состоянии описывается программой PHOTOS. Взаимодействие частиц с веществом детектора моделируется с помощью програмного пакета GEANT4. Отклик детектора и его оцифровка моделируются программой BOOLE. Моделирование триггера, включая реконструкцию событий, выполняется программой BRUNEL, использующей те же алгоритмы, что применяются при работе с экспериментальными данными.

Реконструкция треков основана на анализе положений сработавших сенсоров в детекторах трековой системы. Вначале восстанавливаются участки треков в вершинном детекторе и трековых станциях Т1-ТЗ. Затем происходит объединение этих участков и уточнение полученных траекторий. Программа реконструкции позволяет восстанавливать более 96% треков, проходящих через весь детектор. Реконструкция первичных вершин выполняется с помощью итеративной процедуры, представляющей собой поиск вершины с более чем пятью треками, имеющими по отношению к ней достаточно малый прицельный параметр.

При реконструкции событий в электромагнитном калориметре производится поиск ячеек с максимальным среди соседних ячеек энерговыделением. Вместе с соседними, такие ячейки образуют кластер. Кластеры, удаленные от заряженных треков, рассматриваются как фотонные кандидаты. Идентификация адронов в основном обеспечивается детекторами колец Черенков-ского излучения RICH, электронов — калориметрической системой, а мюо-нов — мюонной системой. Улучшение качества идентификации достигается за счет комбинирования информации со всех систем детекторов.

В конце первой главы описывается триггерная система эксперимента LHCb. Функция триггериой системы состоит в снижении частоты поступ-

ления данных с 40 МГц до нескольких кГц при одновременном сохранении событий, представляющих интерес для физического анализа. Триггерная система LHCb состоит из трех уровней. На аппаратном уровне L0 частота потока данных понижается с 40 МГц до 1 МГц, после программируемых уровней HLT1 и HLT2 частота понижается до 3-5 кГц, после чего происходит запись данных для дальнейшего анализа.

Во второй главе приводится описание исследования распадов В0 —> и В® —» хлФ- В представленном анализе измерены их пар-

циальные ширины. Для этого в качестве нормировочных каналов использовались распады В0 -> J/фК*0 и B°s -> J/ф ф. Распады В0 -» Хл^К*0 и Щ —^ XcifiФ реконструировались с использованием канала хл,2 —>■ J/Ф")'- В свою очередь, промежуточные резонансы восстанавливались в распадах J/ф —> К*0 —К+7Г~ и ф —»• К+К~. Для анализа использовались дан-

ные, набранные в эксперименте LHCb при энергии протон-протонных столкновений в системе центра масс y/s = 7 ТэВ и соответствующие интегральной светимости 1 фб-1.

В начале второй главы кратко описываются методы теоретического рассчета парциальных ширин распадов В-мезонов в состояния, содержащие Xc-резонанс, а также приводятся их экспериментальные измерения. Наиболее распространенным методом описания распадов В-мезонов в конечные состояния, содержащие чармоний, является подход факторизации. Однако, измерения парциальных ширин распадов вида В —» ХсО,\К в экспериментах Belle и ВаВаг указывают на то, что нефакторизуемые процессы могут давать большой вклад в амплитуды данных распадов. Нефакторизуемые процессы также могут приводить к увеличению парциальной ширины распадов вида В —ï Хс2 К по отношению к каналам с ХсгР030пансом в конечном состоянии. Таким образом, измерение парциальных ширин распадов В —» хлК'0 и В —> Хс2К*° важно для понимания механизма рождения х<гРезонансов в распадах В-мезонов. Ранее не наблюдавшиеся распады В° —> Ха,гФ представляют особый интерес для исследований ввиду перспектив изучения нарушения СР-симметрии.

В первом разделе второй главы описывается метод восстановления

исследуемых распадов. Отбор сигнальных событий производился с помощью наложения ограничений на различные кинематические и геометрические параметры всей цепочки распада В-кандидатов, а также на идентификацию частиц в конечном состоянии. Для уменьшения систематической погрешности измерения отношений парциальных ширин критерии отбора событий выбраны максимально похожими для всех каналов распадов. В анализе использовались только события, отобранные триггером на наличие -кандидата. В каналах распада, содержащих в конечном состоянии Хе1,2-резонанс, инвариантная масса ^-кандидата вычислялась с дополнительным требованием: инвариантная масса комбинации <7/0 7 считалась равной номинальной массе Хс1- или Хсг-мезона1.

В разделах 2-6 второй главы представлены наблюдаемые сигналы исследуемых распадов и их основные характеристики. Кроме того, представлено исследование их резонансной структуры, и проведен ряд проверок полученных результатов.

На Рис. 2 представлены распределения по инвариантной массе отобранных В° Уф-уК+тг~ и В° -» //гД7К+К~ кандидатов. В В°-канале распределения аппроксимировались аналитической функцией, представляющей сумму комбинаторного фона и сигналов распадов через хл- и хС2-мезон. Комбинаторный фон описывался экспоненциальной функцией, а сигналы в Хсг и Хс2"м°Дах описывались функциями Гаусса. Так как при вычислении инвариантной массы .В-кандидатов масса комбинации 7/07 считалась равной номинальной массе Х'С1(Хс2)"мезона, то сигнал, соответствующий Хс2(Хс1)-моде, сдвинут в меньшие (большие) значения относительно номинальной массы В0 -мезона примерно на 48 МэВ/с2. Данный эффект подтверждается моделированием. В Д!?-канале вклад х'С2-моды ожидается сильно подавленным относительно моды с Хс1-резонансом и, вследствие малой статистики, не включен в модель аппроксимации. Полученные с помощью аппроксимации положения и ширины сигналов согласуются с номинальными массами В0- и В°-мезонов и значениями, ожидаемыми из моделирования. Статистическая значимость сигнала распада В° —> К составила бо-

1Далее для данных требований используется название «Хс1- или Хс2-ограничение».

и

ГТ)

к

Н

13 чэ о о

га

СП

С—*

О о

я 3

о

ш

т

я

н

ю о о

300

200

100

§

:(а) В0 -> Хс1,2К+п-

/л\ Хс1-°гРаничение

Л , 1

1 ' . . V . . . г . . .

5.2

5.3

5.4

[ГэВ/с2

5.5

200

150-

100

Млф-уК+ъ-, [ГэВ/с2]

В°3 Хс1,2к+к-

Хс1-ограничение

М^-фук+к- ,[ГэВ/с2]

Рис. 2: Распределение по инвариантной массе В0 -»■ кандида-

тов при (а) Хс1- и (б) Хс2-ограничениях. (в) Распределение по инвариантной массе В3 кандидатов при Хсг0ГРаничении- Сплошная синяя

кривая показывает результат аппроксимации распределения аналитической функцией. Зеленая сплошная (пунктирная) кривая соответствует сигналу в Хс1(Хс2)-моде, а штрихованная синяя кривая соответствует фону.

лее 9 стандартных отклонений, что соответствует первому наблюдению данного распада.

Для исследования резонансной структуры распадов В0 —» Хс1,2К+к~ и В® —> хлК+К~ были изучены распределения по инвариантным массам комбинаций •]/Ф"{, К+п~ и К+К~ в данных распадах. Было показано, что распределения по инвариантным массам комбинаций и З/ф'у согласуются с ожидаемыми распределениями для распадов ,]/ф —> и Хс1,2 ¿/Ф 7; а нерезонансный вклад согласуется с нулем. В свою очередь, в распределении по инвариантной массе комбинации К+ж~, помимо резонансной компоненты К*0 —> К1 тс ~, также присутствует нерезонансный вклад. Поэтому число резонансных событий В0 -> Хл,2^*° и В® —> хлФ определялось с помощью аппроксимации распределений по инвариантной массе комбинаций К ' тг" и К+К , представленных на Рис. 3.

Для проверки полученных результатов количества событий, определенные при Хс1" и Хс2-°гРаничениях, сравнивались между собой с помощью упрощенного моделирования. Данное упрощенное моделирование учитывало разницу в эффективностях Хсг и Хс2-ограничений, корелляцию между числом событий, наблюдаемых при Хсг и Хс2-ограничениях, а также флуктуации комбинаторного фона. В результате было показано, что числа событий, определенные при Ха- и Хс2-ограничениях, согласуются в пределах статистических погрешностей. В финальном анализе, в силу меньшей статистической погрешности, в качестве числа событий в распадах В0 —>■ ХлК*°, В° Хс2К*° и В® ->• ХлФ использовались значения, полученные при Хсг, Хс2- и Хс1-ограничениях, соответственно.

Распады В° —> .1/ф К*0 и ^ф 6 использовались в качестве нормиро-

вочных каналов. Отсюда следует, что определение количества резонансных событий в этих распадах максимально повторяет процедуру, используемую для распадов В0 Хл,2К*° и ХлФ- Полученные числа событий в ис-

следуемых распадах представлены в Табл. 1.

В седьмом и восьмом разделах второй главы описывается определение эффективностей восстановления исследуемых распадов и исследование погрешностей измерения отношений парциальных ширин.

Мк+«- , [ГэВ/с2] МК+1Т- , [ГэВ/с2]

1.02 1.04

мк+к- , [ГэВ/с2]

Рис. 3: (а) Распределение по инвариантной массе комбинации К+тт~ в распаде В° -> хлК+к~, полученное при Ха-ограниченип. (б) Распределение по инвариантной массе комбинации К+тт~ в распаде В0 —>■ Хс2-К+7Г~, полученное при ^-ограничении. (в) Распределение по инвариантной массе комбинации К+К~ в распаде .В" -> хаК+К~, полученное при ХсГограничении. Сплошная кривая показывает результат аппроксимации распределений аналитическими функциями, штрихованная кривая соответствует нерезонансным компонентам.

Таблица 1: Количество событий в исследуемых распадах. Представленные погрешности соответствуют статистическим погрешностям.

распад количество событий

Ви -> ХаК*» В0 -> Хс2^*° В°$ ХаФ В0 -> Уф К*0 В^УФФ 566 ± 31 66 ± 19 146 ± 14 56707 ± 279 15027 ± 139

Таблица 2: Эффективности восстановления распадов, определенные на основе моделирования. Представленные погрешности соответствуют статистическим погрешностям, связанным с объемом данных моделирования.

распад эффективность, 10 4

ХаК*и 7.9 ±0.1

В0 -)• Хс2 К*0 9.5 ±0.1

В° ХаФ 12.7 ±0.2

В0 -> J/фК*° 53.9 ±0.3

85.1 ±0.4

Полная эффективность восстановления распада включает в себя эффективность геометрического аксептанса детектора, эффективности детектирования, реконструкции и отбора событий, и эффективность триггера. Полные эффективности восстановления распадов определялись на основе данных моделирования и представлены в Табл. 2.

При вычислении отношений парциальных ширин сокращаются многие систематические погрешности, как, например, погрешности, связанные с реконструкцией -мезонов и идентификацией мюонов. Несократившиеся вклады в систематические погрешности измерений связаны с рядом источников: определением числа событий в сигнальных распадах, реконструкцией фотонов, выбранными критериями отбора сигнальных событий и эффективностью триггера. Погрешность, связанная с конечным объемом данных моделирования, была включена в статистическую погрешнось результата. Пол-

В(В° -> Хе1К*°)

ные систематические погрешности измерения отношений

В{В° ЩК*0)'

в(в^хс1К*°)11 В(В^ЛФФ) состшшли 6%'10% и 7%'соответственно-

В последнем разделе второй главы представлены результаты изме-

рения отношений парциальных ширин:

В(В° Хс1^*°) = (19 8 ± 1Л (стат} ± 12 (снст) ± о_9 х 10-2

В(В° -)• УФК*0)

в(в° хс2к*0) = , , . ± 17 (сист^ ± 1Л ^ х 10.

В(В° хаК*0) К к

В(В° -» Ха^1) = (18 9 ± ! 8 , ) ± 1 з (сист ± 0 8 х 10

2

-2

где первая погрешность статистическая, вторая систематическая, а третья связана с неопределенностью в значениях парциальных ширин распадов Хс1,2 Измеренные отношения парциальных ширин распадов В°-

мезона согласуются с результатами предыдущих экспериментов, однако имеют лучшую точность. Распад В°3 хлФ был обнаружен впервые.

В третьей главе приводится исследование распадов Х(3872) ^(25)7 и Х(3872) -> Уф-у с использованием канала В+ ->■ Х(3872)К+. В представленном анализе измерено отношение их парциальных ширин. Распады восстанавливались с использованием мод ф -» где ф обозначает Уф-или ^(25)-мезон. Для анализа использовались данные, набранные в эксперименте ЬНСЬ при энергиях протон-протонных столкновений в системе центра масс у/э =7 и 8 ТэВ и соответствующие интегральным светимостям 1 и 2 фб-1, соответственно.

В начале третьей главы приведено краткое описание экспериментальных исследований состояния Х(3872) и его теоретических интерпретаций. На настоящий момент измерены квантовые числа состояния Х(3872), его масса, а также обнаружено несколько разных мод распада данного состояния. Однако, несмотря на это, природа состояния Х(3872) (как и других экзотических состояний) до сих пор не установлена. В список его возможных интерпретаций помимо традиционного чармониевого Ха(2Р)-резонаиса входят £Ш*-молекула, тетракварки, гибридные состояния, а также суперпозиция чармония и Р£>*-молекулы. Изучение радиационных распадов состояния Х(3872), а именно измерение отношения Вфу = В{Х(3872) ^(25)7)/Б(Х(3872) Уф -у), позволяет существенно

сузить круг рассматриваемых моделей. Теоретические предсказания отношения парциальных ширин варьируются от 3 х 10 3 до 15 и сильно зависят от выбранной модели состояния Х(3872). Произведенные ранее измерения отношения в экспериментах ВаВаг и Belle находятся в противоречии друг с другом, поэтому необходимо дополнительное измерение данной величины.

В первом разделе третьей главы описывается метод восстановления исследуемых распадов. Отбор сигнальных событий производился с помощью наложения ограничений на различные кинематические и геометрические параметры всей цепочки распада .В-кандидате в, а также на идентификацию частиц в конечном состоянии. Для уменьшения систематической погрешности измерения отношения парциальных ширин критерии отбора событий в двух каналах распада выбраны максимально похожими друг на друга. Различия в критериях отбора вызваны существенной разницей в энергиях, выделяемых в распадах Х(3872) J/ф7 и Х(3872) —> ip(2S)"f. В анализе использовались только события, отобранные триггером на наличие J/ф- либо ■0(25)-кандидата. При вычислении инвариантной массы В-кандидатов масса комбинации ф~/ считалась равной номинальной массе состояния Х(3872).

Во втором и третьем разделах третьей главы представлены наблюдаемые сигналы исследуемых распадов и приведены их основные характеристики.

Число сигнальных распадов В+ —» Л'(3872)(—> ф^)К+ определялось с помощью аппроксимации двумерного распределения по инвариантной массе В-кандидата и инвариантной массы системы г/;7- Двумерное распределение описывалось функцией, представляющей сумму сигнала, комбинаторного факторизуемого фона и нефакторизуемого пикующегося фона. Пикую-щийся фон определялся с помощью моделирования. В J/ф-канале основным источником пикующегося фона являются распады В+ —> J/ф К*^ с последующими распадами К*+ —> К+тт° и тт° —> 77, где один из фотонов не регистрируется. В у(25)-канале основным источником пикующегося фона являются частично реконструированные распады В —> ф(25)К+Х 2 в сочетании

23десь В означает В0- или £°-мезон. а X— любые дочерние частицы в распаде

со случайным фотоном.

Проекции аппроксимации двумерных распределений в J|ф- и 1/-'(25)-капалах на инвариантные массы Я-кандидатов и комбинации показаны на Рис. 4 и Рис. 5, соответственно. Проекции построены в сигнальных областях, определенных как интервалы ±3<т около положения сигнала, что в .7/0-канале соответствует интервалам е [5258; 5300] МэВ/с2 и гпф1 е [3784; 3967] МэВ/с2, а в -0(25)-канале интервалам тщ2з)ук+ € [5262; 5307] МэВ/с2 и гпф(25)7 с [3836; 3904] МэВ/с2. Положения сигналов, определенные в результате аппроксимации, согласуются с номинальными массами В+-мезона и состояния А'(3872). Число сигнальных событий в З/ф- и ^(25)-каналах составило 591 ± 48 и 36.4 ± 9.0, соответственно.

Статистическая значимость наблюдаемого сигнала определялась с помощью упрощенного моделирования на основе серии псевдо-экспериментов, в которых имитировалось двумерное массовое распределение фоновых компонент (комбинаторной и пикующейся). Согласно результатам серии псевдо-экспериментов, статистическая значимость сигнала в моде Х(3872) 0(25)7 составила 4.4 стандартных отклонения.

В четвертом и пятом разделах третьей главы описывается определение эффективностей восстановления исследуемых распадов и исследование погрешностей измерения отношения парциальных ширин.

Полная эффективность восстановления распада включает в себя эффективность геометрического аксептанса детектора, эффективности детектирования, реконструкции и отбора событий, и эффективность триггера. Полные эффективности восстановления распадов определялись на основе данных моделирования. Для воспроизведения кинематики В-мезонов было выполнено перевзвешивание данных моделирования по поперечному импульсу и быстроте Б-кандидатов (рт(В) и у (В), соответственно). По итогам перевзвешивания была определена поправка к эффективности восстановления распадов отдельно для J|ф- и 0;(25)-канала. Полученные с учетом поправок полные эффективности восстановления распадов В+ Х(3872)(-> ,7/07)/С"1 и В+ -> Х(3872)(-> ф(2ЯУ/)К+ составили

03

т

и

т—4

О

К

я н 2 \о о

и

1000

500

:(а)

-■Ч'-Т-Т 1 | 1 1 1 . I . . !

5.1

52.

5.3 5.4 п 5.5

У ... ГГсР/^21

, [ГэВ/с2

га

СП

С-,

К Я н 2 о

о

400

300-

Мщ~п [ГэВ/с2]

Рис. 4: Проекции двумерного распределения В+ -> Х(3872)(-> кандидатов на (а) инвариантную массу комбинации У'ф'уК+ и (б) инвариантную массу комбинации .7/07- Проекции построены в сигнальных областях, соответствующих интервалам ±3а около положения сигнального пика. Сплошная синяя кривая показывает результат аппроксимации распределения. Зеленая сплошная кривая соответствует сигналу, пунктирная розовая линия соответствует пикующемуся фону, штрих-пунктирная оранжевая линия соответствует комбинаторному фону, а синяя штрихованная линия сумме комбинаторного и пикующегося фонов.

(36.60 ±0.13) х 10~4 и (6.98 ±0.04) х Ю-4, соответственно. Различие эф-фективностей в двух каналах связано с различием в кинематике фотонов, вызванным существенной разницей в энергиях, выделяемых в распадах Х(3872) 7/07 и Х(3872) ^(25)7-

При вычислении отношений парциальных ширин сокращаются многие систематические погрешности, как, например, погрешности, связанные с ре-

(О

СП

I-

о о

ю о О

Мф^К*, [ГэВ/С

т

£Г> (-1

О

о

\о о О

мф{23)1, [ГэВ/с2]

Рис. 5: Проекции двумерного распределения В+ Х(3872)(-> ■ф(2Б)'у)К+ кандидатов на (а) инвариантную массу комбинации ф{28)^К+ (вставка показывает увеличенную область инвариантной массы ф{2Б)уК+) и (б) инвариантную массу комбинации ■0(25)7- Проекции построены в сигнальных областях, соответствующих интервалам ±3<т около положения сигнального пика. Сплошная синяя кривая показывает результат аппроксимации распределения. Зеленая сплошная кривая соответствует сигналу, пунктирная розовая линия соответствует пикующемуся фону, штрих-пунктирная оранжевая линия соответствует комбинаторному фону, а синяя штрихованная линия сумме комбинаторного и пикующегося фонов.

конструкцией т/'-мезопов и идентификацией мюонов. Несократившиеся вклады в систематические погрешности измерений связаны с рядом источников: определением числа событий в сигнальных распадах, реконструкцией фотонов, кинематикой В * -мезонов, выбранными критериями отбора сигнальных событий, эффективностью триггера и неопределенностью в знании парциальных ширин распадов '¡/»-мезонов в два лептона. Погрешность, связанная с конечным объемом данных моделирования, была также включена в систематическую погрешность измерения. Полная систематическая погрешность измерения отношения В(Х(3872) ф(2Б)-у) / В(Х (3872) ->• J/07) составила 12%.

В последнем разделе третьей главы представлен результат измерения отношения парциальных ширин:

где первая погрешность статистическая, а вторая систематическая. Представленное измерение имеет лучшую на данный момент точность и сравнимо с результатами сотрудничеств Belle и ВаВаг. Результат измерения отношения Яфу согласуется с теоретическими предсказаниями в рамках модели чистого чармония и модели суперпозиции DD'-молекулы и чармония.

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

1. Разработан метод восстановления распадов В0 —> Хл,2К*0 и нормировочного канала В° —J/tp К*0 в условиях эксперимента LHCb. Разработан метод разделения мод распадов В0 —> ХлК*° и В0 -> на основе инвариантной массы В-кандидата.

2. Обнаружены распады В0 ХадК*0, и измерены отношения парци-

В(В° ->• XdК*0) В(В° -> Хс2К*°) альных ширин в{в0 щ к.0) и в(До ^у«) с точностью

ше среднемировой. Результаты согласуются с измерениями предыдущих экспериментов и теоретическими предсказаниями.

4

5. Разработан метод восстановления распадов В+ Х(3872)К+ с последующими распадами Х(3872) -> J/07 и Х(3872) -> ф(2Б)ч в условиях эксперимента LHCb.

6. В распадах В+ -> Х(3872)К+ обнаружено свидетельство распада Х(3872) —> 0(25)7 с0 значимостью 4.4 стандартных отклонения. Данный результат подтверждает свидетельство распада Х(3872) -> ф(25)7, ранее полученное сотрудничеством ВаВаг. Измерено отношение парциальных ширин распадов Х(3872) -» ф{25)7 и Х(3872) .7/07 с точностью лучше среднемировой. Результат согласуется с измерениями экспериментов ВаВаг и Belle.

. Разработан метод восстановления распада —> ХаФ 11 нормировочного канала В® —> J/ф ф в условиях эксперимента ЬНСЬ.

. Впервые обнаружен распад В° -> Хс10, и измерено отношение парци-

хаФ) Т/Г

альных ширин *-ггтт- Измеренное значение находится в со-

-]/фф)

гласии с аналогичным отношением парциальных ширин в распадах В°-мезонов.

Публикации автора по теме диссертации

Публикации, удовлетворяющие требованиям ВАК:

1. R. Aaij,..., I. Polyakov et al. (LHCb collaboration), «Evidence for the decay X(3872) ->• ^(25)7», Nucl. Phys. B. 886 (2014) 665-680.

2. R. Aaij, ... , I. Polyakov et al. (LHCb collaboration), «Observation of the B° Хс1ф decay and study of B° -> xa,2K*° decays», Nucl. Phys. B. 874 (2013) 663-678.

3. R. Aaij, ... , I. Polyakov et al. (LHCb collaboration), «Observation of the decay B+ -> J/фК+К-тг+», JHEP 1311 (2013) 094.

4. R. Aaij, ... , I. Polyakov et al. (LHCb collaboration), «Measurement of relative branching fractions of В decays to ф(2Б) and J/ф mesons», Eur. Phys. J. C72 (2012) 2118.

Прочие публикации:

5. I. Polyakov (on behalf of the LHCb collaboration), «Ь and с hadron spectroscopy at LHCb», Proceedings of 49-th Rencontres de Moriond (2014) QCD and High Energy Interactions, p. 107.

6. И.М. Беляев, В.Ю. Егорычев и И.О. Поляков, «Распады В-мезонов в состояния, содержащие J/ф- и т/>(25)-резонансы, в эксперименте LHCb», Ядерная Физика, Том 76. Дополнительный номер. (2013) 137.

7. I. Polyakov (on behalf of the LHCb collaboration), «В decays to charmonia at LHCb», PoS IHEP-LHC (2012) 015.

£

Подписано к печати 17.03.15 г. Формат 60x90 1/16

Усл. печ. л. 1,75 Уч.-изд. л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ 605

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