Изучение странных очарованных барионов и первое обнаружение барионного распада B0s тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение Государственный Научный Центр Российской Федерации — Институт Теоретической и Экспериментальной Физики» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Соловьёва Елена Игоревна

Изучение странных очарованных барионов и первое обнаружение барионного распада В®

Специальность 01.04.23 — Физика высоких энергий

АВТОРЕФЕРЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

005556428

4 ДЕК 2014

Москва, 2014 г.

005556428

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики» Национального исследовательского центра «Курчатовский Институт», г. Москва.

Научный руководитель: Чистов Руслан Николаевич, кандидат

физико-математических наук, старший научный сотрудник ФГБУ «ГНЦ РФ - ИТЭФ» НИЦ «КИ», г. Москва.

Официальные оппоненты: Куденко Юрий Григорьевич, доктор физико-

математических наук, профессор, заведующий отдела физики высоких энергий ФГБУН ИЯИ РАН, г. Троицк. Лиходед Анатолий Константинович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ «ГНЦ РФ - ИФВЭ» НИЦ «КИ», г. Протвино.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск.

Защита состоится 23 декабря 2014 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 при ФГБУ «ГНЦ РФ - ИТЭФ» НИЦ «КИ» по адресу: 117218 Москва, Б. Черёмушкинская, 25, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «ГНЦ РФ \ ИТЭФ» НИЦ «КИ» и на сайте Шр://-т^\у.itep.ru.

Автореферат разослан 21 ноября 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

В.В. Васильев

Общая характеристика работы

Темой диссертации является самое точное на сегодняшний день измерение массы очарованного дважды странного бариона П®, подтверждение рождения его возбуждённого состояния — iî*° — и измерение разницы масс fï*° и а также обнаружение первого распада В°-мезона с очарованным барионом в конечном состоянии и измерение его относительной вероятности.

Экспериментальные данные, использованные для анализа, были получены на установке Belle [1], работавшей с 1998го по 2010ы3 годы на ассимет-ричном е+е~ ускорителе КЕКВ [2].

Актуальность темы диссертации

Этот год знаменует 40ую годовщину открытия в 1974°" году ,//ij: — узкого мезонного резонанса с массой 3,1 ГэВ/с2 [3]. С открытием J/ip в физике элементарных частиц началась новая эра. В последующие годы это состояние было успешно объяснено как связанное состояние, скомпонованное из тяжёлого очарованного кварка с массой тс « 1,5 ГэВ/с2 и зарядом +2/3 и его античастицы. Вскоре после открытия состояния J/гр с так называемым скрытым очарованием были обнаружены адроны с так называемым открытым очарованием, состоящие из очарованного кварка и лёгкого антикварка или пары кварков. Первый кандидат в состояния очарованных барионов был обнаружен в 19750м году во взаимодействиях нейтрино [4]. Вскоре за этим, в 1976°" году, последовала идентификация очарованных мезонных состояний экспериментом Mark I на электрон-позитронном ускорителе SPEAR [5]. Оглядываясь назад, очарованные адроны, вероятно, могли были быть обнаружены на несколько лет раньше во взаимодействиях космических лучей [6].

Открытие [7] в 1977ом году семейства мезонов Т было первым указанием на существование пятого кварка, прелестного кварка 6, с массой ть ~ 5 ГэВ/с2 и зарядом —1 /3. И снова мезоны с открытой прелестью, состоящие из тяжёлого прелестного кварка и лёгкого антикварка, были обнаружены

несколько позже [8].

Проект японской Б-фабрики КЕКВ был одобрен янонским правительством 20 лет назад, в 1994°м году. И в январе того же года в Женском университете г. Нара (Япония) состоялось совещание, на котором голосованием было утверждено имя «Belle» для будущего эксперимента. Оно обыгрывало название пятого кварка (beauty), представлявшего главный интерес для -В-фабрик. Это имя также можно разложить на «В-eI-le», косвенно указывая на столкновения электронов (el) и их противоположностей — позитронов (le) — для рождения ¿?-мезонов. Строительство ускорителя и детектора началось в апреле 1994го года.

В течение своей работы ¿?-фабрика КЕКВ и эксперимент Belle смогли не только блестяще подтвердить теорию CP-нарушения в Д-мезонах, но и стали богатым источником очарованных барионов как из распадов В-мезонов, так и из фрагментации е+е~ —» сс. При этом изучение очарованных барионов и их возбуждённых состояний связано с барионными распадами В-мезонов, особенности которых отражают свойства и слабого взаимодействия, и процесса адронизации кварков. Анализ этих данных позволяет исследовать процессы образования барионов, что непосредственно связано с внутренней динамикой самих очарованных барионов: реализация КХД, используемая для предсказания свойств очарованных барионов, описывает и их рождение в распадах В-мезонов. Так, при изучении резонансной структуры барионных распадов были найдены новые состояния. Кроме того, анализ возбуждённых очарованных барионов, образовавшихся только при сс-фрагментации, не всегда даёт возможность поставить экспериментальное ограничение на их квантовые числа. Таким образом, новая информация по свойствам очарованных барионов может использоваться для проверки феноменологических моделей и уточнения нашего понимания реализации КХД в области малых и промежуточных энергий.

Цель диссертации

Самое точное на сегодняшний день измерение массы очарованного дважды странного бариона подтверждение рождения ранее обнаруженного экспериментом ВаВаг возбуждённого состояния ЪГС° и измерение разницы масс П*с° и а также обнаружение первого барионного распада £?°-мезона и измерение его относительной вероятности.

Научная новизна

Была разработана методика, с помощью которой было получено наи-

более точное на сегодняшний день значение массы Г2°-бариона. Было подтверждено рождение его первого возбуждения, П*°, в сс-фрагментации при е+е--аннигиляции при y/s « 10,6 ГэВ. Кроме того, был обнаружен первый барионный распад В°-мезона, В° —» Л+Л7Г-. В настоящее время этот процесс остаётся единственным экспериментально наблюдаемым барионным распадом В®.

Практическая полезность

Представляемая диссертационная работа проведена в рамках участия ИТЭФ в международном эксперименте Belle. Тема диссертации соответствует одному их направлений физической программы эксперимента.

Полученные в результате проведённого исследования значения массы и разности масс П*°- и Г2°-барионов вошли в "Таблицу свойств элементарных частиц", опубликованную Particle Data Group в 2010ом году, а значение относительной вероятности распада B°s —» Л^ЛтГ — в издание 2014го года.

Положения, выносимые на защиту

• Методика отбора событий, содержащих радиационные распады f2*° —>

и слабые распады —> Г2~7Г+, в которых гиперон Q в свою очередь распадается по каналу iî~ —> Л7Г~.

• Самое точное на сегодняшний день измерение массы 0°-бариона в канале распада Г2~7г+.

• Подтверждение рождения О*0 в сс-фрагментации при е+е~-аннигиля-ции при y/s ~ 10,6 ГэВ.

• Измерение разности масс (Mq.o — Mqu ).

• Методика отбора событий, содержащих распады B°s —> Л^'Дтг где Л+ распадается по каналам Л+ —► рК~ тг1, Л+ —» Л7Г+ и Л+ —> рК1/

• Обнаружение первого барионного распада £?°-мезона.

• Измерение относительной вероятности распада B°s —» Л+Л7г~.

Апробация результатов и публикации

Материалы, представленные в диссертации, докладывались автором на совещаниях международного сотрудничества Belle, семинарах ИТЭФ, атак-, же многочисленных международных конференциях и школах, включая ESHEP 2010 (г. Расеборг, Финляндия), TES 2010 (г. Изворани, Румыния), Excited QCD 2013 (г. Сараево, Босния и Герцеговина). Публикации автора по теме диссертации расположены в конце автореферата.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения, а также

включает список использованной литературы, список иллюстраций и список таблиц. Объём диссертации — 119 страниц, включая 49 рисунков, 19 таблиц и библиографию из 111 наименований.

Краткое содержание работы

Во Введении даётся обоснование актуальности проблемы, формулируется тема исследования, и приводится план расположения материала.

В первой главе представлена современная классификация очарованных барионов; кратко описана кварковая модель для основных состояний и энергетические уровни возбуждённых состояний. Кроме того, в главе представлен обзор экспериментально наблюдаемых состояний очарованных барионов.

Вторая глава содержит обзор трёхчастичных барионных распадов Вп/[-мезонов с очарованными частицами в конечном состоянии. В ней приведены результаты выполненных различными экспериментами измерений относительных вероятностей таких распадов. Также в главе обсуждены характерные особенности полученных распределений инвариантной массы пары барион-антибарион, и представлено феноменологическое объяснение наблюдаемого эффекта.

В третьей главе описаны достижения и перспективы физики В3-иезо-нов в экспериментах на электрон-позитронных ускорителях при энергии, соответствующей массе Т(55)-резонанса, в частности в эксперименте Belle.

Четвёртая глава посвящена характеристикам ассиметричного элект-рон-позитронного ускорителя КЕКВ и детектора Belle.

Ускоритель КЕКВ был расположен в Научно-исследовательской организации ускорителей высоких энергий (КЕК), г. Цукуба, Япония. Технические характеристики В-фабрики в конце её работы приведены в таблице 1.

Детектор Belle [1], находившийся в точке столкновения пучков электрон-позитронного ускорителя КЕКВ [2], был первоначально спроектирован для изучения СР-парушения [9] в области В-мезонов. Кроме того, он был нацелен на точное измерение параметров распадов прелестных мезонов, очарованных мезонов и т-лептонов. Также им был осуществлён поиск редких или запрещённых в Стандартной модели процессов и новой физики в «пингвин-ных» распадах В-мезонов. Все эти первоначальные цели были достигнуты, и во многих случаях результаты превысили ожидания благодаря высокой

7

Параметр Значение

Энергии пучков, ГэВ 8 (е-); 3,5 (е+)

Токи пучков, А 1,2 (е-); 1,6 (е+)

Размер пучков в 1Р [х], мкм 80

[у], мкм 1

[г], мкм 5

Светимость, см-2с-1 2,1 х 1034

Количество сгустков 1584

Интервал между сгустками, м 1,84

Угол пересечения пучков, мрад ±11

Таблица 1. Технические характеристики КЕКВ в конце его работы.

интегральной светимости, произведённой ß-фабрикой КЕКВ, и отличной работе детектора, поддерживавшейся почти десять лет.

Светимости, набранные экспериментом Belle при разных энергиях в системе центра масс, перечислены в таблице 2.

Детектор имел конструкцию с цилиндрической симметрией относительно оси пучка. Его компактность была компромиссом между потребностью в большой трековой системе для заряженных частиц и необходимостью свести к минимуму объём калориметра, безоговорочно являющегося наиболее дорогим одиночным компонентом детектора. Передний и обратный углы покрытия были ограничены геометрией трубы ускорителя. На своём пути в детекторе Belle частица могла последовательно пройти через: • Трековую систему для заряженных частиц:

- кремниевый детектор (SVD), изготовленный из слоёв двусторонних кремниевых полосковых элементов, для восстановления треков заряженных частиц в непосредственной близости от трубы ускорителя;

- дрейфовую камеру (CDC), которая измеряла импульс и энерге: тические потери (d£/dz) заряженных частиц, пересекавших её рабочий объём. dE/àx использовались для идентификации частиц (PID).

Оба трековых устройства были помещены в продольное магнитное поле величиной 1,5 Тл, обеспечивавшееся сверхпроводящим соленоидом. Оно требовалось для достижения необходимого импульсного разрешения.

Резонанс Светимость, фб 1 Количество Т-резонансов

в резонансе вблизи резонанса

Т(5 S) 121,4 1,7 (7,1± 1,3) х 106

Скан выше Т(45) — 27,6 —

Т(45) [SVD1] 140,0 15,6 (152 ± 1) х 106

Т(45) [SVD2] 571,0 ■ 73,8 (620 ± 9) х 106

Т(35) 2,9 0,2 (11,0±0,3) х 106

Т(25) 24,9 1,7 (158 ±4) х 106

Т(15) 5,7 1,8 (102 ±2) х 10®

Таблица 2. Краткая сводка светимости, набранной экспериментом Belle и разбитой по разным энергиям в системе центра масс.

• Детекторы PID, спроектированные для того, чтобы различать многочисленные пионы от более редких каонов в диапазоне импульсов от примерно 500 МэВ/с до кинематического предела в 4,5 ГэВ/с. Belle имел два типа детекторов PID:

— аэрогелевый черенковский счётчик (АСС), покрывающий цилиндрическую часть и передний регион;

- дополнительные времяпролётные (TOF) счётчики в цилиндрической зоне с разрешением ~100 пс, которое делало их эффективными для разделения заряженных частиц с импульсами до 1,2 ГэВ/с.

• Калориметр (ECL), представлявший собой силыюсегментированные наборы кристаллов иодида цезия с примесью таллия — кратко CsI(Tl) — которые были собраны в проективную геометрию. Калориметр покрывал примерно 90% полного телесного угла. Кроме того, был разработан специальный крайний передний калориметр (EFC), изготовленный из радиациопно-устойчивых кристаллов BGO (оксид германата висмута или Bi4Ge30i2). Он был установлен на крайние квадруполь-ные линзы вблизи трубы ускорителя и предоставлял информацию о мгновенной светимости и фоне установки, что помогло оптимизировать работу КЕКВ.

• Ярмо магнита, оборудованное системой идентификации мюонов и обнаружения нейтральных адронов (KLM), для которой использовались перемежающиеся слои резистивных плоско-параллельных камер и стальных листов толщиной 4,7 см.

Рис. 1. Поперечное сечение детектора Belle.

• Двухступенчатый триггер с аппаратным уровнем Level-1 (Ll), за которым следовал программный уровень Level-3 (L3). Триггер L1 компоновал трековый и энергетический триггеры с информацией от мюон-ных детекторов, а решение принять/отклонить событие принималось центральной триггерной системой.

Схематическое поперечное сечение детектора Belle показано на рис. 1. Отдельные подсистемы, описанные выше, обозначены на рисунке. Сводка основных характеристик Belle расположена в таблице 3.

В пятой главе описаны все этапы анализа, результатом которого стало самое точное на сегодняшний день измерение массы П°-бариона; приведено экспериментальное подтверждение существования возбуждённого состояния О*0, и измерена разность масс (М(0*°) - M[Q°C)).

( jP — (|)+) является самым тяжелым из известных очарованных ба-рионов, распадающихся слабым образом. Кварковый состав - c{ss}, т. е. пара ss находится в симметричном состоянии. О*0 ( Jp = (§)+) — спиновое возбуждение

Данные, использованные для этого анализа, были набраны на детекторе

Подсистема Покрытие в Характеристики

SVD [17°; 150°] Разрешение при одиночном попадании: 12 мкм (Нф), 19 мкм (z).

CDC [17°; 150°] Разрешение при одиночном попадании: 130 мкм (Кф), 200 - 1400 мкм (г); сг (dE/dx) ^7%.

TOF [34°; 130°] at = 100 пс

АСС [17°; 127°] Np.e. > 6*

ECL [12,4°; 31,4°] [32, 2°; 128,7°] [130, 7°; 155,1°] <Je/E~ 1,7%б

KLM [20°; 155°] (Jq = <7ф = 30 мрад для |

Таблица 3. Сводка основных характеристик детектора Belle. а Число фотоэлектронов. 6 Для событий Баба.

Belle при энергии, соответствующей массе резонанса Т(45) (605 фб-1), и в точке на 60 МэВ ниже (68 фб-1).

Заряженные частицы типов А и В (А и В могли быть тг, К или р) отделялись друг от друга на основании отношения правдоподобий £(А) и £{В), полученных из TOF- и АСС-систем, а также из измерений dE/dx в CDC. Эффективность наложенных критериев составила более 85%, вероятность ошибочной идентификации типа частицы оказалась менее 12%. Для регистрации фотонов использовался электромагнитный калориметр. Восстановление проводилось из сигналов отдельных блоков ECL, которые не имели соответствующих им заряженных треков и согласующуюся с фотонным форму ливня.

Набор Л-гиперонов был восстановлен в канале распада Л —> ртт~ аппроксимацией протонного и пионного трека в общую вершину, требуя инвариантную массу полученной частицы в пределах ±4 МэВ/с2 [яа Зет] от номинального значения массы Л. Также были наложены требования на полученную при аппроксимации вершину.

Затем в канале распада —> ЛК~ были восстановлены il -гипероны. Поскольку К~ рождается не в точке взаимодействия, накладывалось условие на прицельное расстояние каонного трека: оно должно было превышать 0,01 см. Кроме того, требовалось, чтобы разность между инвариантной массой Л К~ и Л лежала в интервале 1669 МэВ/с2 < М(АК~) - M (А) + тоЛ <

8000

7000

6000

>

й 5000

О

2000

1000

1.64 1.66 1.68 1.7 „ М(ЛК>-М(Л)+тл [ОеУ/с']

Рис. 2. П- —» А.К~: распределение инвариантной массы удовлетворивших критериям отбора комбинаций АК~. Наложенные требования и процедура аппроксимации описаны в тексте.

1677 МэВ/с2(±Зст). Затем треки Л и аппроксимировались в общую вершину, на которую был наложен ряд топологических условий.

На рис. 2 показано распределение инвариантной массы1 кандидатов О-после применения описанных выше требований. Аппроксимация этого спектра суммой двух описывающих сигнальные события распределений Гаусса с общим центральным значением и многочлена третьего порядка для описания фона дала результат в (33880 ±1680) событий —> АК~. Полученное значение массы величиной в (1672,363 ± 0,012 [стат.]) МэВ/с2 оказалось в отличном согласии с общемировым средним значением.

Используя полученный набор П_-гиперонов, было проведено восстановление 0°-барионов в канале распада -» Г2"7Г+. Для того чтобы получить Г2°-кандидатов, рождённых и в процессе фрагментации сс-кварков, и при распаде В-мезонов, на импульс очарованного бариона не было наложено-никаких требований. Таким образом был почти вдвое увеличен исследуе-

1 Здесь и далее в главе под распределением инвариантной массы частиц, распадающихся по каналу X —> Ун [X —» УК], подразумевался поправленный на общемировое среднее значение спектр разности масс

этом случае неопределенности, связанные с восстановлением частицы У, взаимно уничтожаются, сужая сигнальное распределение и уменьшая статистическую ошибку измерения благодаря увеличению отношения сигнала к фону.

450 400 _350

>300

¿55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 M(Q 7г')-М(П~)+т0- [GeV/c ]

Рис. 3. —» П~7г+: спектр инвариантной массы удовлетворивших критериям отбора комбинаций П~7г+. Наложенные условия и процедура аппроксимации описаны в тексте. Пунктирная гистограмма соответствует вкладу от событий из контрольного интервала Q".

мый набор данных.

На рис. 3 показано распределение инвариантной массы полученных кандидатов — чёткий сигнал виден около 2700 МэВ/с2. Пунктирная гистограмма на рис. 3 соответствует вкладу из контрольного интервала fi- и демонстрирует бесструктурное поведение. Аппроксимация распределения гауссианом с отпущенной шириной для описания вклада сигнальных событий и линейной функцией для описания фона дала результат в (725 ± 45) событий при массе (2693, 6±0, 3) МэВ/с2. Ширина распределения составила (4,9 ± 0,3) МэВ/с2. Регион слева от 2580 МэВ/с2 был исключён из процедуры аппроксимации, чтобы избежать вклада от канала —>■ ÇI~tt+tt°, в котором 7Г° не был восстановлен.

Систематическая неопределённость измерения оценивалась следующим образом. Сигнальные события были разделены на три примерно одинаково заселённых интервала по каждой из переменных Аг^ , ДгдУ, cosan-, eos ад, p*(S7°) и р(7Г+), гдер*(Г2°) — восстановленный импульс П°-кандидата в системе центра масс е+е", а р(7г+) — импульс 7Г+ в лабораторной системе отсчёта. Полученные распределения аппроксимировались в выбранных интервалах значений переменных. Поскольку некоторые из этих перемен-

ных взаимозависимы, они были разбиты на слабо связанные друг с другом пары. От каждой пары переменных (Аг^. и ДгдУ, cosan- и cos ад, и p(iг+)) было взято максимальное отклонение от центрального значения полученной из аппроксимации массы. Затем все отклонения были квадратично просуммированы с результатом МэВ/с2. Также был изменён порядок многочлена в аппроксимирующей функции, интервал аппроксимации и ширина гауссиана в пределах её ошибки. В пределах точности округления полученное значение массы не изменялось. В заключение, поскольку на самом деле измерялось значение (М(П°) — + m¡¡-), была добав-

лена ошибка общемирового среднего значения массы П"-гиперона, равная ±0,29 МэВ/с2. Все источники систематической неопределённости приведены в таблице 4. Таким образом, получили:

Míí° = ^2693,6 ± 0,3[стат.][сист.] j МэВ/с2.

Эта величина массы согласуется с предыдущими измерениями экспериментов CLEO и ВаВаг2 и имеет лучшую точность.

Используя полученный набор было восстановлено первое возбуждённое состояние П°-бариона в канале распада О,*0 —> На массу й°с-кандидатов было наложено требование 2679 МэВ/с2 < M< 2709 МэВ/с2. Для подавления комбинаторного фона фотон должен был выделить в электромагнитном калориметре энергию Е1 > 100 МэВ, а импульс П*°-кандидата в системе центра масс е+е~ должен был быть больше 2,5 ГэВ/с.

На рис. 4(а) показано распределение инвариантной массы оставшихся комбинаций — виден сигнал при разнице масс (M(Q,®y) — M(Í2°)) около 70 МэВ/с2. Пунктирная гистограмма соответствует распределению, которое построено из контрольного интервала и не имеет выраженных особенностей. Аппроксимация суммой функции Crystal Ball [11] с зафиксированной из моделирования Монте-Карло шириной для описания вклада сигнала и многочлена второго порядка, умноженного на арктангенс, для описания фоновых событий дала результат в (54 ±9) событий при разности масс (70, 7±0,9) МэВ/с2. С учётом систематики от изменения параметризации описания сигнала и фона статистическая значимость сигнала составила

2Величина (2G93, 3 ± 0,6) МэВ/с2 получена в работе (10], но поскольку исследование систематической неопределённости не проводилось, сотрудничество ВаВаг это значение не приводит как официальное.

14 12

>

и

2 8

СЧ

й 6

С

О

Ш 4

2

Рис. 4. (а): П*° —» спектр разности масс удовлетворивших критериям отбора и Я°-кандидатов. Пунктирная гистограмма соответствует распределению из контрольного интервала П®. (б): £>*° -» О07: аппроксимированное распределение разности масс удовлетворивших критериям отбора комбинаций И1-у. Наложенные требования и процедура аппроксимации описаны в тексте.

6, 4а.

Для определения систематической неопределённости измерения разности масс О*0 и 0° изменялись порядок многочлена и пороговый член в аппроксимирующей функции, а также ширина сигнала в пределах её ошибок. Сдвиг разности масс составил в +0,1 МэВ/с2 и ^ МэВ/с2 соответственно (табл. 4).

Кроме того, было изучено возможное систематическое смещение результата измерения, появляющееся вследствие неточного знания отклика детектора для фотонов малой энергии. Сравнивая массы сгенерированных Монте-Карло и восстановленных П*°, был найден сдвиг в +0,9 МэВ/с2. В качестве дополнительной проверки этого числа на полном наборе данных была восстановлена цепочка распадов £>*° —> П° —у К' 7г+. Поми-

мо условий на идентификацию заряженных частиц, было наложено требование, чтобы инвариантная масса £>°-мезона находилась в интервале ±10 МэВ/с2(~ ±2сг) от номинального значения, фотон имел энергию выше 100 МэВ, а £)*°-кандидат — импульс больше 2, 5 ГэВ/с. Анализ энергетического спектра Е1 событий из массового окна 50 МэВ/с2 < 7) — М{0°) < 90 МэВ/с2 показал, что 82% всех фотонов принадлежат интервалу энергий

0.05

„0.15

' [ОеУ/с ]

0.1 „ 0.15 „ 0.2 М(П°у)-М(В°) [ОеУ/с

Л'^п», A/q.o - Mqo,

МэВ/с2 МэВ/с2

Аппроксимация в интервалах + 1,8 -1,5 -

±0,29 —

Калибровочный канал — -0,9

Ширина сигнала 0,0 +0,1 -0.2

Аппроксимационная функция 0,0 + 0,1

Всего + 1,8 -1,5 +0,1 -0,9

Таблица 4. Вклады различных источников в систематическую ошибку восстановленных частиц.

до 200 МэВ. Поэтому было наложено дополнительное требование: энергия фотонов, исходящих из D*0, должна была лежать в том же промежутке, от 100 до 200 МэВ. На рис. 4(6) показано распределение (M(D°7) - M(D0)) для оставшихся после применения всех условий кандидатов D07. Из аппроксимации суммой функции Crystal Ball [11] для сигнальных событий и многочлена третьего порядка для фона была получена разность масс M (D°j) - M {ЕР) = (143,03 ± 0,09) МэВ/с2. Это значение на 0,91 МэВ/с2 выше, чем общемировое среднее значение, что находится в соответствии с результатом исследования Монте-Карло. Таким образом, ошибка вследствие неопределённости калибровок была установлена равной —0, 9 МэВ/с2.

Комбинируя полученные числа (табл. 4), получаем:

Мп,о - Mfiо = (70, 7 ± 0,9[стат.][сист.]) МэВ/с2.

Это значение разности масс согласуется с предыдущим измерением сотрудничества ВаВаг.

Шестая глава посвящена обнаружению первого распада В°-мезона с очарованным барионом в конечном состоянии, —> Л+Л7Г~. Также в главе приведены результаты измерения относительной вероятности перехода. B°s —> Л+ Атт~ и исследование распределений двухчастичных масс дочерних частиц.

Этот анализ был проведён на данных, которые были получены на детекторе Belle при энергии, соответствующей массе резонанса Т(5S). Интегральная светимость набора составила 121,4 фб-1, что эквивалентно (14,1± 2,6) х 106 В°-мезонов, рождённых в процессах ï(55): Т(55) —> B°B°S, Т(5S) BfB°s и T(5S) -> В?В*.

Для отбора событий использовались стандартные критерии, ранее применявшиеся в эксперименте Belle при восстановлении барионных распадов В-мезонов. Так, треки заряженных частиц, кроме исходящих из вершин Kg и Л, должны были брать начало в пределах 0,25 см в радиальном направлении и в пределах 1 см вдоль направления пучка от точки взаимодействия е+е~.

А^-мезоны (Л-гипероны) были восстановлены в каналах распада Kg —> 7г+7г~ (Л —+ ртг~) аппроксимацией пионных (р и 7г) треков в общую вершину, требуя инвариантную массу полученной частицы в пределах ±10 МэВ/с2 [и Зет] (±4 МэВ/с2 [я» За]) от номинального значения массы Kg (Л). На полученную вершину были наложены стандартные требования.

AJ-барионы восстанавливались в каналах распада Л+ —* рК~ж+, Л+ —► pKg и Л+ —» Л7Г+. Инвариантная масса полученного Л^-кандидата должна была находиться в 10 МэВ/с2 (« За) интервале вокруг номинального значения.

Векторы импульса Л+ и Л, а также трек 7Г были аппроксимированы в общую вершину Для фильтрации фонов, включающих смещённые треки (например, от невосстановленных распадов Kg и Л), было наложено условие на качество подобранной общей вершины Л+, Л и тг".

Для подавления фона е+е~ —» сс было наложено ограничение на отношение i?2 второго и нулевого моментов Фокса-Вольфрама [12]. Также для этой цели был использован посчитанный в системе центра масс угол Othrust между осями наклона3 импульсов дочерних частиц /^-кандидата и всех остальных частиц события. Ограничения на массовое окно Л^-кандидата, R-> и ©thrust, были определены после процедуры оптимизации коэффициента добротности сигнала.

Для идентификации сигнальных событий использовался разработанный для восстановления В-мезонов метод выделения по кинематическим переменным, вычисляемым в системе центра масс: массе с «ограничением на энергию пучка» — Му,с = ^J'¿?2учка — р^о — и разности энергий АЕ =

Едя — ¿?пучка, где рцо и Ецо — импульс и энергия восстановленного В^-мезона в системе центра масс. Для канала распада T(5S') —> BQsBas сигнальные события группируются около точки с координатами (гтгдо4, 0) в плоскости Мъс

3Для набора из N импульсов Й (г = 1 ,■•■ N), ось наклона Т определяется как единичный вектор, вдоль которого их совокупная проекция максимальна.

4тпво = (5.3G6,77 ± 0,24) МэВ/с2.

от АЕ. В канале T(5,S) —> B*S°B°S фотон, возникающий при распаде

В*0 —> В°7, не восстанавливается, и потому сигнальные события группируются около точки ((mßo + тд;о5)/2, (тво — тд.о)/2) [(то^.о, тдо — тд^о)] в плоскости Л/ьс от Ai?. Для дальнейшего анализа были сохранены кандидаты В°-мезонов, имеющие Мъс >5,3 ГэВ/с2 и |Д£7| < 0,3 ГэВ.

К трём двумерным спектрам Мьс от АЕ, соответствующим различным подканалам Л+, была применена безынтервальная аппроксимация наибольшим расширенным правдоподобием. Сигнальное и фоновое распределения были параметризованы отдельно для каждого из подканалов, беря произведение форм для Мъс и АЕ 13 качестве двумерной плотности вероятности. Линейная корреляция между Мьс и АЕ для сигнальных событий оказалась меньше 0.002, а для фоновых событий не превысила 0,005.

Вклад канала рождения С (С может быть BfB*s°, В*°В° или В^Щ) описывался двумерным распределением Гаусса с параметрами, определёнными из моделирования Монте-Карло. Количество сигнальных событий для канала С можно записать как:

Nf* = Afgj fc В (B°s -» Л+Хтг") В (At РК~ тг+) ß (Л —> рп~) Nf% = Що fc В (В°$ - Л+Лтг) В {At - pK°s) В (K°s - тг+тГ) •

.B{A^pir)^cKK_ (1)

Ne* = N-sо /с В (B°s Л+Лтг") В (Л+ - Лтг+) В2 (Л - £ ,

где fc — относительная вероятность, что В°-мезон был рождён по каналу С, а б — эффективность восстановления, которая была определена из моделирования Монте-Карло. Для долей fc использовались следующие значения [13]: fBfBf = (87,0 ± 1,7)%, = (7,3 ±1,4)% и /воде =

1 _ fB,0ß,o — /ß.050. Относительная вероятность распада В® —> яв-

лялась общим для различных подканалов параметром, а для всех промежуточных распадов использовались общемировые средние значения. Средняя эффективность восстановления составила 12,5% для подканала рКтг, 5,9% для подканала pKg и 8,7% — для Лтг.

Формы фона описывались пороговой функцией ARGUS [14| для переменной Мьс и линейной функцией для АЕ. Регион с АЕ < —150 МэВ был исключён из процесса аппроксимации для того, чтобы избежать вкладов

5mß.„ = (5415,4^) МэВ/с2; тпВ;о - тпБо = (48,7+^) МэВ/с2.

Рис. 5. В° -* Л+ЛтГ с последующим распадом Л+ —> рК~7Г+ (левая колонка), Л+ —> рК% (центральная колонка) или Л+ —> Ап+ (правая колонка): спектр МЬс (верхний ряд) для событий из сигнального региона (-71 МэВ < АЕ < -23 МэВ)

и спектр АЕ (нижний ряд) комбинаций Л+Лгг~ для событий из сигнального региона В?В? (5,405 ГэВ/с2 < Мы < 5,427 ГэВ/с2).

от возможных распадов В® —> Л+Л7Г~7Г°, в которых 7Г° не был восстановлен. Эта граница была проверена Монте-Карло моделированием процессов В°8 Л+Лтг-тг0 и В° -» Л+Лр".

Результатом процедуры аппроксимации стала относительная вероятность распада В° —> А+Атг~ величиной (3,6±1,1) х 10 4, что соответствует сигналу в (20,3 ± 6,1), (3,0 ± 0,9) и (1,9 ± 0,6) событий для Л+ рК~тг+, Л+ —► рКд и Л+ —> Аж+ подканалов соответственно. На рис. 5(а)-(в) и 5(г)-(е) показаны одномерные проекции Мьс и АЕ для ^-кандидатов из сигнального региона В*°В*60. Статистическая значимость наблюдаемого сигнала составила 4,4а, что было посчитано как у/—2\п(Ьо/Ь), где Ьо и Ь -значения правдоподобия при относительной вероятности распада, равной нулю и наилучшему аппроксимирующему значению соответственно. Этот результат является первым и на сегодняшний день остаётся единственным экспериментально обнаруженным барионным распадом Я®.

Для изучения наблюдаемых форм сигнала и фона использовался только подканал Л+ —> рК~тг+, поскольку он, как и ожидалось, содержал наибольшую часть найденного сигнала. Сначала были проверены распределения для ^-кандидатов из контрольных интервалов Л+, 20 МэВ/с2 < \М (рК~тт+) - тл+1 < 50 МэВ/с2, и Л, 4 МэВ/с2 < |М(ртг") - шл| < 8 МэВ/с2, которые не содержали особенностей в сигнальной области. Монте-Карло выборка всех известных е+е^-процессов при энергии в системе центра масс, соответствующей массе Т(55), которая имела шестикратную статистику по сравнению с набором данных, была проанализирована с использованием той же процедуры восстановления и критериев отбора, которые были описаны выше. Указаний на сигнал в распределениях по переменным Мьс и АЕ найдено не было. Наконец, были проверены возможные процессы Т(55) —> В(*Шм(7г), в которых В0 распадается на Л+Л7Г". Для этого было сгенерировано 121300 сигнальных Монте-Карло событий, которые затем были проанализированы с помощью той же процедуры восстановления и наложенных требовании, что описаны выше. В сигнальном регионе /з.ч Пв события В0 —> Л+Лтг" найдены не были. На основании описанных выше проверок был сделан вывод, что найденный сигнал действительно обусловлен распадом В® —> Л+Ля--. _

Для вычисления систематической неопределённости В (В® —> Л+Л-л--) варьировались в пределах их ошибок параметры аппроксимирующей функции, эффективности восстановления, а также доли /с- Кроме того, изменялась граница области, исключённой из процедуры аппроксимации. Наблюдаемые после аппроксимации отклонения значения относительной вероятности принимались за соответствующие ошибки. Ни одна из этих вариаций не снизила значимость сигнала в пределах точности округления. Кроме того, на каждый использованный трек была включена ошибка в 0,35% для учёта неопределённостей восстановления. Коррелированная систематическая погрешность в 2% на каждый р и 1% на каждый 7Г или К была приписана для подсчёта ошибки идентификации частиц. Неопределённость, возникающая вследствие различий между данными и моделированием Монте-Карло для смещённых от точки взаимодействия треков, составила Также были учтены ошибки всех переменных, входящих в (1).

— 0,3

Все упомянутые погрешности приведены в таблице 5 и были квадратично просуммированы.

Окончательно была получена следующая относительная вероятность рас-

Источник Относительная ошибка,%

Параметры аппроксимации +1,1 -1,2

Граница исключённой области +0,4 -0,3

Восстановление треков ±2,1

Идентификация частиц ±8,0

Смещённые частицы +0,0 -6,8

£ 7г+7г-) В(А-^рж-) ±0,1 ±0,8

Всего +8,4 -12,8

Таблица 5. Вклады в систематическую погрешность В (В° —> Л+Лл- ).

пада:

В(Щ-» Л^Лтг") = (з, 6 ±1,1 [стат.] ^[сист.] ± 0,9[Л+] ± 0,7[%о]) х 10"4 ,

где неопределённости, связанные со значением относительной вероятности распада Л+ и с полным числом В°-мезонов, указаны отдельно. Канал В~ —>

который является топологически подобной модой в секторе мезонов, имеет относительную вероятность распада (2, 8 ± 0,8) х 10~4. Оба значения согласуются друг с другом в пределах ошибок, что говорит о незначительном участии кварка-наблюдателя Ъ в образовании конечного состояния.

Для изучения распространённого в ¿¿„ ¿-секторе эффекта усиления сигнала у порога был извлечён выход сигнала по интервалам барион-антибари-опной массы. После корректировки на эффективность восстановления была получена зависимость дифференциальной относительной вероятности распада от М (Л^ГЛ), которая показана на рис. 6(а). Аппроксимация соответствующим гипотезе нерезонансного трёхчастичного распада распределением (полученным из моделирования Монте-Карло) с отпущенной нормировкой показала статистическую совместимость в 19%. Та же самая процедура была повторена и для других двухчастичных масс: Л+7г~ (рис. 6(6)) и Л7Г~ (рис. 6(в)), дав 41% и 22% совместимости с гипотезой нерезонансного трёхчастичного распада. Таким образом, имеющейся на данный момент статистики ¿?°-мезонов не хватает для изучения потенциального околопорогового эффекта в распаде —> Л^Лж'.

Рис. 6. Зависимость дифференциальной относительной вероятности распада от М (Л^Л) (а), М (Л+7Г-) (б), М (Ли--) (в). Точки соответствуют данным, а сплошная линия — результату аппроксимации гистограммой нерезонансного трёхчастичного распада.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации:

• Разработаны методики отбора событий, содержащих радиационные распады —> и слабые распады —> Г2-7г+, в которых гиперон О- в свою очередь распадается по каналу —» Ап~.

• Используя наибольшую доступную статистику, проведено самое точное на сегодняшний день измерение массы Г^-бариона в канале распада 0"тг+ с результатом ^2693,6 ± 0,3 [ стат.] [сист.] ^ МэВ/с*. Это значение согласуется с общемировой средней величиной массы и имеет значительно меньшую неопределенность.

• На наборе восстановленных П® —> Г2~7г+ со значимостью 6,4а подтверждено рождение в сс-фрагментации при е+е~-анпигиляции при 10,6 ГэВ.

• Методом Монте-Карло определено разрешение по разности масс и £1°-барионов.

• Измерена разность масс (Л/п-о —М^о), которая оказалась равной ^70, 7

±0,9 [стат.]^д'д [сист.]^ МэВ/с2. Полученное значение согласуется с предыдущим измерением, выполненным сотрудничеством ВаВаг.

• Разработана методика отбора событий, содержащих распады В° —> Л+Лтг~, где Л+ распадается по каналам Л+ —» рК~ж+, Л+ —> Л7г+ и

• Методом Монте-Карло определена эффективность регистрации и раз-

решение по массе с «ограничением на энергию пучка» и разности энергий для распада В® —► Л+Лтг' при различных каналах Л*.

• В применении к процессу B°s —* A+Air~~ разработана процедура одновременной безынтервальной аппроксимации нескольких двумерных спектров методом наибольшего расширенного правдоподобия.

• Со статистической значимостью в 4,4<т обнаружен распад В® —> Л+Л7г~. Этот процесс был первым и на данный момент остаётся единственным найденным барионным распадом Щ-мезона.

• Измерена относительная вероятность распада В® —> Л+Л7Г", оказавшаяся равной (з, 6 ± 1,1 [стат.] ^[сист.] ± 0,9[Л+] ± 0, 7[Afgo]) х 1СГ4.

• Проведено подробное исследование двухчастичных масс дочерних частиц распада В® —> Л^Лтг".

Публикации автора по теме диссертации

1. Е. Solovieva, R. Chistov et al (Belle Collaboration), "Study of and Qf Baryons at Belle", Phys. Lett. В 672, 1 (2009).

2. E. Solovieva, R. Chistov et al. (Belle Collaboration), "Evidence for B°s —> Л+ЛтГ", Phys. Lett. В 726, 206 (2013).

3. E. Solovieva (for the Belle Collaboration), "Recent Results on Т(55) Decays at Belle", Proceedings of Excited QCD Conference, 3-9 February 2013, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina.

Список литературы

[1] A. Abashian et al. (Belle Collaboration), Nucl. Instr. Meth. A 479, 117 (2002);

J. Brodzicka et al. (Belle Collaboration), PTEP 2012, 04D001 (2012).

[2] S. Kurokawa and E. Kikutani, Nucl. Instr. Meth. A 499,1 (2003) и остальные статьи, включённые в этот том;

Т. Abe et al, Prog. Theor. Exp. Phys. 03A001 (2013) и последующие статьи вплоть до 03А011.

[3] J.J. Aubert, et al., Phys. Rev. Lett. 33, 1404 (1974); J.E. Augustin et al, Phys. Rev. Lett. 33, 1406 (1974).

[4] E.G. Cazzoli et al., Phys. Rev. Lett. 34, 1125 (1975).

[5] G. Goldhaber et al., Phys. Rev. Lett. 37, 255 (1976); I. Peruzzi et al., Phys. Rev. Lett. 37, 569 (1976).

[6] K. Niu, E. Mikumo, and Y. Maeda, Prog. Theor. Phys. 46, 1644 (1971).

[7] S.W. Herb et al., Phys. Rev. Lett. 39, 252 (1977);

W.R. Innes et al., Phys. Rev. Lett. 39, 1240, 1640(E) (1977).

[8] S. Behrends et al., Phys. Rev. Lett. 50, 881 (1983); R. Giles et al., Phys. Rev. D 30, 2279 (1984);

H. Albrecht et al. (ARGUS Collaboration), Phys. Lett. B 185, 218 (1987).

[9] M. Kobayashi and T. Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49, 652 (1973).

[10] B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), Phys. Rev. Lett. 97, 232001 (2006).

[11] T. Skwarnicki, Ph.D. Thesis, Institute for Nuclear Physics, Krakow 1986; DESY Internal Report, DESY F31-8G-02 (1986).

[12] G.C. Fox and S. Wolfram, Phys. Rev. Lett. 41, 1581 (1978).

[13] S. Esen, A.J. Schwartz et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. D 87, 031101 (RC) (2013).

[14] H. Albrecht et al. (ARGUS Collaboration), Phys. Lett. B 241, 278 (1990).

Подписано к печати 30.10.14 г. Формат 60x90 1/16

Усл. печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ 604

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