Обнаружение распада B° → D*†D† и поиск в нем CP-нарушения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

АУШЕВ Тагир Абдул-Хамидович

ОБНАРУЖЕНИЕ РАСПАДА В0 -»■ П^Б^ И ПОИСК В НЕМ СР-НАРУШЕНИЯ

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005

УДК 539.12

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Государственный научный центр Российской федерации Институт теоретической и экспериментальной физики, г. Москва

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат. наук Пахлов П.Н. (ИТЭФ, Москва)

Официальные оппоненты:

член-корр. РАН, профессор Высоцкий М.И. (ИТЭФ, Москва)

доктор физ.-мат. наук, профессор Ермолов П.Ф. (МГУ, Москва)

Ведущая организация МИФИ, Москва

Защита диссертации состоится 15 февраля 2005 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 по защите докторских диссертаций в Государственном унитарном предприятии Государственный научный центр Российской федерации Институт теоретической и экспериментальной физики по адресу: Москва, 117259, ул. Б. Черемушкинская, д.25, конференц-зал Института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ.

Автореферат разослан 14 января 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К^лдидат физ.-мат. наук Васильев В.В.

Общая характеристика работы

Темой настоящей работы является первое обнаружение распада В° D'^D*, измерение его относительной вероятности и измерение СР-нарушения в этом конечном состоянии.

Настоящая работа основывается на данных, набранных за период с 1999 по 2003 гг. в эксперименте Belle, работающем на ускорителе КЕКВ в научно-исследовательском центре КЕК (г. Цукуба, Япония). КЕКВ - это асимметричный е+е" коллайдер с энергией пучков в системе центра масс - 10.58 ГэВ, соответствующей массе Т(4S) резонанса.

Актуальность темы

Изучение нарушения СР-симметрии, обнаруженного более 40 лет назад в распадах нейтральных ÍT-мезонов, остается и по сей день одной из самых интересных задач физики элементарных частиц. Долгое время система — К° была единственной, где наблюдали это явление. В 1999 году были построены новые детекторы - "В-фабрики" Belle и BABAR, предназначенные для измерения СР-нарушения в распадах B-мезонов. В 2002 году в обоих экспериментах было обнаружено СР-нарушение в распаде До сих пор это измерение остается единственным статистически значимым измерением СР-нарушения в В-мезонах. Однако, Стандартная Модель предсказывает большое СР-нарушение и в ряде других каналов распада В-мезона, одним из которых является изучаемый в данной работе распад

В рамках Стандартной Модели амплитуда СР-нарушения в распаде ожидается с хорошей точностью равной где - один из углов треугольника уни-

тарности матрицы смешивания кварков (СКМ матрицы). Следует отметить, что такая же величина СР-асимметрии ожидается для распада однако, в этих двух

распадах угол возникает из разного набора матричных элементов СКМ матрицы, а равенство амплитуд обусловлено унитарностью СКМ матрицы. Таким образом, самосогласованность независимых результатов измерения является важной проверкой унитарности СКМ матрицы и самой Стандартной Модели. Подобные исследования в последнее время стали одним из основных направлений поиска Новой Физики за пределами Стандартной Модели на существующих ускорителях.

Недавно были представлены результаты поиска СР-нарушения в распаде В° —► <¡>K$ в экспериментах Belle и BABAR. В нем также величина СР-нарушения ожидается рав-

ной эт 2/3. Хотя в этом распаде не обнаружено значимого СР-нарушения, имеются указания на расхождение полученных результатов со Стандартной Моделью

В измерении СР-нарушения в различных каналах распада В-мезонов, включая исследуемый, можно собрать достаточно информации о природе Новой Физики, если указания на ее существование подтвердятся

Цель диссертации

Обнаружение распада В" О'^И* и определение его относительной вероятности. Поиск СР-нарушения в данном канале распада

Научная новизна

Впервые обнаружен распад с достаточной статистической значимо-

стью измерена его относительная вероятность. Измерены параметры СР-нарушения с наилучшей на данный момент точностью.

На защиту выносятся:

1) Разработка и исследование критериев отбора для восстановления распада Ва

2) Разработка метода частичной реконструкции для восстановления распадов В —>

позволяющего существенно увеличить эффективность восстановления изучаемого распада.

3) Первое обнаружение распада Ва —> О'^И^ и первое измерение его относительной вероятности.

4) Разработка методики отбора событий и процедуры извлечения параметров СР-нарушения для распадов

5) Измерение параметров СР-нарушения в распаде 5° -Л И'^П^, восстановленного методами полной и частичной реконструкции.

Апробация работы и публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1, 2] Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на XXXI и XXXII Международных Конференциях по Физике Высоких Энергий (1СНЕР) в г Амстердаме (Нидерланды), 2002 г [3] и в г Пекине (Китай), 2004 г. [4], на 9-ом Международном Симпозиуме по Физике Тяжелых Кварков в г Калифорнии (США), 2001 г., на XX Международном Симпозиуме по

Взаимодействию Лептонов и Фотонов при Высоких Энергиях (LP'01) в г. Риме (Италия), 2001 г., а также на семинарах ИТЭФ и на совещаниях сотрудничества Belle.

Личный вклад диссертанта

Диссертант принимал активное участие в наборе и обработке физических данных на установке Belle, разработал методику частичной реконструкции дважды очарованных распадов В-мезонов, провел анализ представленного в диссертации распада и подготовку полученных результатов к публикации. На Международных Конференциях Физики Высоких Энергий (1СНЕР'2002 и ICHEP'2004) диссертантом были сделаны обзорные доклады результатов измерения СР-асимметрии в распадах нейтральных В-мезонов на вектор и псевдо-скаляр и в распадах соответственно, полученных сотруд-

ничеством Belle, в число которых входил и изучаемый распад. Для обработки данных и моделирования исследуемых физических процессов диссертантом было создано математическое и программное обеспечение.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Ее объем - 91 страница, включая 11 таблиц и 39 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 53 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется постановка задачи и приводится план расположения материала.

Первая глава посвящена истории исследования СР-нарушения, теории и методике определения параметров СР-нарушения в распадах В-мезонов.

Во второй главе обсуждаются теоретические особенности измерения СР-нарушения в распадах В" —У и оценки вероятности изучаемого распада. В эти распа-

ды доминирующий вклад вносит Кабиббо-подавленная древесная диаграмма, представленная на Рис. 1 а). Пренебрегая вкладом пингвинной диаграммы отношение амплитуд распадов

А(Д° ) Р(')+£>ы-) ~ 9_ г..... (уо>у"\ (уыул 1

. В° И В0 с учетом Ва — В° смешивания имеет вид:

: Wdm+DW-

(VjVu

(1)

то есть СР-асимметрия в данном типе распадов, как и в случае J/lfiKs, чувстви-

тельна к sin 2/3, причем этот угол возникает напрямую из соотношения унитарности (без дополнительных поворотов, как в случае В° —У J/l¡>Ks)'.

Рис. 1: Кварковые диаграммы, дающие вклад в распад В" —> : а) древесная,

Ь) пингвинная.

Пингвинная диаграмма дает отличную от древесной слабую фазу, и если ее вклад окажется велик, то возникает значительный эффект прямого СР-нарушения, а также сдвиг слабой фазы от sin 2/?. Согласно теоретическим предсказаниям [5) последний ожидается небольшим: < 4%. Если вопреки ожиданиям, он окажется существенным, это может означать наличие новой частицы, возникающей в пингвинной петле, и дающей вклад в СР-асимметрию.

В распаде В0 -» D,:t-мезон может рождаться, как в верхней, так и в нижней

вершине древесной диаграммы, показанной на Рис. 1 а). Поэтому, хотя конечное состояние и не является СР-собственным, СР-асимметрия может наблюдаться, поскольку оба, В°яВ°, могут распасться в это состояние с примерно равными вероятностями. Можно представить конечное состояние, как суперпозицию двух состояний: D'D + D'D. Пренебрегая пингвинным вкладом и учитывая, что íío'fi+fi'D = временная зависимость вероятности распадов будет пропорциональна:

R(B°(t) ->D"+Zr)~ [1 + 1>8т(2^-(5)8т(Дт^) + Дсо8(Дт^4)], ñ(B°(t) -> D"D+) ~ [l + Dsin(2/? + 6) sin(Amdt) - Rcüs(Amji)], R{B°(t) -» D'+D~) ~ [l - Dsin(2/? - á)siii(Am<¡í) - Rcos(Amdt)], R(B°(t) -» D'~D+) ~ [l - Dsin(2/3 + á) sin^m^) + ñcosfAm^)], (3)

D =

(4)

где <5 - разность сильных фаз между конечными состояниями, А\ = А(В —> В'О), а

Учет пингвинного вклада внесет зависящий от аромата В-мезона сдвиг в параметры Ли В и дополнительную фазу в СР-асимметрию. Вычисления этих величин зависят от модели и имеют большие неопределенности, что характерно для подобных адронных эффектов при низких энергиях, поэтому пока разумно использовать наиболее общую

параметризацию, предложенную в [6], с пятью свободными параметрами Д, S± и С± е-|Д<|/ТвО

V%D(t) = (1 ± А)—-{l + q[S±sm{Amét) - CiCosíAm^)]}, (5)

67"до

где знак +(—) соответствует конечному состоянию Dt+D~ (D"D+), a q - аромату В-мезона (qg = —дв = +1) Интегральная асимметрия А определена, как

А = Nd'*d" ~ fg\

ND.+D- + ND.-D+

В приближении пренебрежимо малого пингвинного вклада, нулевой разницы силь ных фаз (6 = 0) и равных амплитуд р а с п Цд^в^^и дается

В третьей главе дается краткое описание экспериментальной установки асимметричного е*е коллайдера КЕКВ и детектора Belle [7] Описаны разрешающие способности отдельных частей детектора, системы триггеров и идентификации частиц Детектор Belle оптимизирован для измерения нарушения СР-симметрии в распадах В мезонов Элементы детектора размещены цилиндрически-симметрично вокруг точки взаимодействия пучков в магнитном поле напряженностью 1 5 Т Магнитное поле создается при помощи сверхпроводящего соленоида Основными компонентами детектора являются силиконовый вершинный детектор SVD, дрейфовая камера CDC, аэрогелевый детектор Черенковского излучения АСС, система измерения времени пролета частиц TOF, цезий-йодный кристаллический электромагнитный калориметр ECL, сверхпроводящий магнит и мюонные камеры KLM между слоями железа, возвращающими магнитное поле, а также триггер и система сбора и записи данных DAQ Детектор покрывает телесный угол в интервале от 17° до 150° азимутального угла, что соответствует 92% от полного телесного угла в системе центра масс пучков Схематическое изображение детектора Belle (вид сбоку) показано на Рис 2 Универсальный характер установки позволяет проводить измерение редких распадов В мезонов, исследование свойств очарованных частиц, физики двух-фотонных взаимодействий, распадов г лептона Общие характеристики детектора Belle удовлетворяют следующему набору требований, вытекающих из перечисленного круга физических задач

эффективное восстановление заряженных треков,

высокое пространственное и энергетическое разрешение для фотонов, идентификация заряженных и нейтральных частиц,

прецизионное измерение положения заряженных треков в пространстве,

Рис. 2: Схематический вид детектора Belle.

Таблица 1 Параметры основных элементов детектора Belle

Элемент Тип Конструкция Параметры

детектора материала работы

Beam pipe Бериллий Радиус 2 3 см

0 5мм Ве/2мм Не/0 5мм Ве

SVD Двусторонние Толщина стрипа 300 мкм ~ 100 мкм

силиконовые Радиус 3 0-5 8 см

сенсоры Длина 22-34 см

(41 х 2 тыс каналов)

CDC Дрейфовая 52 проволочных слоя

камера (8 4 тыс каналов) 0 3%s/pt +1

50% Не 3 катодио-стриповых

50% С2Н6 слоя (15 тыс каналов) VdC/dx = 6%

ACC Аэрогелевые 960 каналов в Npe >6

пороговые боковой области

Черенковскне 228 каналов в К/тг идент

счетчики торцевой области 12 — 3 5ГэВ/с

TOF Сцинтиллятор 128 ф-се1 ментов <Т( = 100 пс

г = 120 см, длина Зм К/ж-разделение

до 1 2 ГэВ/с

TSC 60 ^-сегментов

ECL Кристаллы 6624 канала в <гв/Е = 0т(%)/Е

Сэ1 боковой области ®0 81(%)/£1/4

1152 (+г) + 960 (-г) ©1 34(%)

в торцевой области <?pot = 05 см \!Ё

Е в ГэВ

EFC ВиСезОи 2 см х 1 5 см х 12 см ае/Е = (0 3 ~ 1)%/-/Ё

(5 каналов по в и 32 - по ф)

Magnet Сверх- Внут радиус 170 см В = 1 5Т

проводящий

магнит

KLM Плоско- 14 слоев Оф — at = 30 мрад

параллельные (5 см Ре + 4 см зазор) ot = 1 ПС

счетчики по 2 ПРС в каждом зазоре 1% адронных

(16 х 2 тыс каналов) примесей

• эффективный триггер и быстродействующая система записи данных.

Основные параметры элементов детектора приведены в Таблице 1.

Четвертая глава является основной в диссертации и посвящена анализу экспериментальных данных: первому обнаружению распада В0 —> D'^D* и измерению параметров СР-нарушения в этом канале распада. Полученные результаты сравниваются с результатами других экспериментов и оцениваются систематические ошибки.

Первое обнаружение распада выполнено на статистике в

2002 году [1]. Для восстановления распада В" -4 D'^D^ используются два метода: полной и частичной реконструкции. В методе полной реконструкции кандидаты в В-мезоны образуются, комбинируя восстановленные D'+ И D~ мезоны. ,0*+-мезон восстанавливается в цепочке распадов -мезон реконструируется по каналам: -мезон восстанавливается в каналах: Процедура восстановления и критерии отбора событий оптимизируются для получения максимальной значимости результата. Сигнал наблюдается в распределениях по разнице энергии В-кандидата и ожидаемой энергии В (ДЕ S Eg — £fealm/2) и по массе Мьс, вычисленной после подставления Е^^/2 в качестве энергии В-кандидата: М\,с = \J(^Ьеып/^)2 _ гДе Ев(Рв) - энергия (импульс) В-кандидата, а - энергия пучков в системе центра масс (с.ц.м.). Распределения по АЕ и Mix представлены на Рис. 3.

В результате фитирования распределения по получено сигнальных

событий, соответствующих распаду В0 —> D'^D*. Эта величина используется для определения относительной вероятности изучаемого распада. Фитирование распределения по ДЕ дает результат 28.0 ±7.0 событий, что согласуется в пределах ошибок с предыдущим измерением. Эффективность восстановления В-мезонов оценивается методом Монте Карло (МС). Полная эффективность реконструкции, включающая вероятности распадов D-мезонов в используемые конечные состояния, равна iB = 7.9 X 10_4. Измеренная вероятность изучаемого распада получается равной:

В{В° D^D*) = (1.17±0.26îjjJj) х Ю-3.

Поскольку мезон является псевдо-скаляром, то его распад на векторный мезон и псевдо-скалярный -мезон происходит в Р-волне. Поэтому -мезон продольно поляризован, и эту поляризацию можно экспериментально проверить угловым анализом распада С+-мезона. Если определить угол б, как угол вылета ИЗ D'+ в системе покоя по отношению к направлению его импульса, то вероятность вылета ожидается пропорциональной Распределение по для событий из сигнальной области после вычитания фона представлено на Рис. 3 d). Данные хорошо согласуются с ожидаемым распределением.

Рис. 3: Кинематические распределения для кандидатов распада В° —V D'^-D^: а) зависимость АЕ OTbjWbc; проекция на АЕ для 5.2725 < М^ < 5.2900 ГэВ/с2; с) проекция на МЬс ДЛЯ |Д£| < 0.02 ГэВ; d) распределение по COS в; данные показаны точками с ошибками, МС - штрихованной гистограммой.

Эффективность восстановления каждого из Э-мезонов из распада составляет несколько процентов, что приводит к малой полной эффективности реконструкции В-мезона таким методом 10_3). Для ее увеличения используется метод частичной реконструкции С*+-мезона. В этом методе В'-мезон из распада не восстанавливается, а восстанавливается только При этом, как будет показано

ниже, потерянная информация компенсируется известной кинематикой распада.

Поскольку суммарная масса двух В-мезонов близка массе Т(45), то в с.ц.м. В-мезон почти покоится (импульс В-мезона равен ~ 340 МэВ/с), а Э-мезоны, рождающиеся в распаде , вылетают в противоположные стороны. В то же время энерго-

выделение в распаде £),+ —» В'я^те всего 6 МэВ, поэтому поперечный импульс пиона по отношению к 0'+ в с.ц.м. составляет ~ 30 МэВ/с, при этом продольный - порядка 150 МэВ/с. Благодаря этому пион с хорошей точностью летит вдоль импульса материнского -мезона, а, следовательно, сохраняется сильная корреляция между направлениями вылета £>~-мезона и пиона от 2)"+-мезона в с.ц.м. Мы используем угол а между

направлениями вылета £>~-мезона и медленного пиона в с.ц.м. для идентификации сигнала изучаемого распада.

Одним из источников фона, имеющих похожую корреляция между D~ и тг^^, являются события е+е~ —> ОС. Кинематическая топология данного процесса представляет собой две струи, направленные в противоположные стороны. Для учета вклада континуума все данные разделяются на две независимые части: в первой, назовем их "лептонными" данными - требуется наличие высоко-энергичного лептона, а во второй, "нелептонные", - его отсутствие. Для лептона требуется электронная либо мюонная идентификация и импульс больше 1.1 ГэВ/с. Наличие в событии высоко-энергичного лептона значительно подавляет континуум. Учитывая угловую корреляцию в континууме между лептоном и -мезоном, вклад континуума удается подавить до пренебрежимо малого уровня. Для "нелептоных" данных вклад континуума вычитается, используя данные, набранные при энергии пучков ниже порога рождения

Источниками коррелированного фона, дающего пик в области cosa = — 1, являются также распады В°-мезонов на и D'+D'~. Согласно методу МС их вклад составляет всего лишь ~ 10% от сигнального и учитывается при вычислении числа сигнальных событий.

Отобранные комбинации D~Tí¡„„ дополнительно разделены на две независимые подгруппы по поляризационному углу в. В группу А отбираются события, для которых выполняется условие Согласно методу МС в эту группу попадает

85% сигнальных событий. Группа В почти полностью состоит из фоновых событий. Эти распределения представлены на Рис. 4 а) и b).

В результате подгонки получено, что число сигнальных событий в "лептонном" и "нелептонном" наборах данных равно соответственно.

Дополнительной проверкой того, что наблюдаемый сигнал именно от является наличие ожидаемой продольной поляризации -мезона. Распределения по COS в для "лептонного" и "нелептонного" наборов данных представлены на Рис. 5 а) и b), соответственно. Эти распределения получены фитированнем распределений по в каждом интервале по COSÍ. Числа событий с их ошибками, полученные из подгонки, нанесены на график. Для обоих наборов данных распределения по данному параметру хорошо согласуются с ожиданием продольной поляризации.

Вероятность распада в "лептонном" и "нелептонном" случаях составляет 0.52) X Ю_3 и (1.57 i 0.57) X 10_3, соответственно. Поскольку два результата получены на некоррелированных наборах данных, они могут быть усреднены, как независимые. Усредненное значение для вероятности распада распада равно Приведенные ошибки являются статистическими.

Для обоих методов, полной и частичной, реконструкции оцениваются систематические ошибки, их описание представлено в диссертации.

Рис. 4: Распределения по cosCt для "лептонных" данных: а) группа Аи b) группа В, с) и d) - соответствующие распределения по COS а после вычитания континуумного фона для "нелептонных" данных. Точками с ошибками обозначены реальные данные, заштрихованные гистограммы показывают ожидаемые фоновые распределения от ВВ событий, полученные методом МС. Кривые показывают результаты подгонки.

В заключение подчеркнем, что сумма вероятностей распадов В{Вй —> D"D+) + В(В° —> D'+D~) получена двумя методами: (1.17 ± 0.26^J};2s) х Ю-3, используя метод полной реконструкции, и (1.48 ± X 10"3, используя метод частичной реконструкции. В качестве результата измерения суммы вероятностей данных распадов используется значение, полученное методом полной реконструкции. Результат, полученный методом частичной реконструкции, демонстрирует правильность метода, а события отобранными данным способом используются в анализе СР-нарушения. Полученное значение превышают верхний предел, поставленный в работе CLEO [9], однако согласуется с теоретической оценкой 10~3. С представленным результатом также согласуется и результат (0.88 ± 0.10 ± 0.13) X 10"3, полученный в эксперименте BABAR [6] после опубликования данной работы.

Измерение параметров СР-нарушения выполнено на большей статистике, соответствующей интегральной светимости 140 фб-1 [2]. Критерии отбора оптимизированы с учетом специфики поиска СР-нарушения. Для измерения СР-асимметрии необхо-

Рис. 5 Распределения по cosf а) "лептонный" набор; b) "нелептонный" набор Штрихованные гистограммы показывают сигнальные распределения, полученные методом МС

димо знание вершин распадов обоих В-мезонов, а также таггирование аромата второго В-мезона в событии С поправкой на ограниченную точность таггирования (w - вероятность неправильного таггирования) вероятность распада в зависимости от At = Azpr/c для сигнальных событий определяется соотношением -

7>d.b(Aî) = (1±Л)—s-{l-?A№ + g(l-2u))[5±sin(AmrfAi)

ОТдо

-C±cos(Am<jAi)]}. (8)

С учетом конечного разрешения по координатам вершин распадов B-мезонов функция плотности вероятности для сигнала в г-том событии получается сверткой (8) с функцией разрешения Ro-o(At):

f?e = jvD.D{A^)RD.D(Ml-M')dù.t'. (9)

Используя метод полной реконструкции, на полной статистике были получены распределения (Рис 6), аналогичные представленным на Рис. 3. Оптированием распределения по Мъс найдено 161 ± 16 сигнальных событий. Эта величина используется в последующем фитировании СР-нарушения, как количество сигнальных событий Согласующийся результат, 149± 18 событий, получен фитированием АЕ распределения Для восстановления вершины распада и таггирования аромата второго мезона используются стандартные методы, применяемые в работах сотрудничества Belle [10, 11, 12]

В случае частичной реконструкции для СР-анализа интересны только события из "лептонного" набора данных, поскольку высоко-энергичный лептон (^tag) обеспечивает необходимые для фитирования СР-нарушения вершину распада и таггирование аромата второго В-мезона в событии Распределения по cos а, аналогичные представленным

Рис. 6: Кинематические распределения для кандидатов распада 5" —^ О^П*: а) зависимость ДЕ ОтЬ)Мьс> проекция на ось АЕ ДЛЯ Мьс > 5.27 ГзВ/с2; с) проекция на ось Мьс ДЛЯ |Д.Е| < 0.02 ГэВ; ё) распределение по С08Й; данные показаны точками с ошибками, МС - штрихованной гистограммой.

на Рис. 4 а) и Ь), показаны на Рис. 7. Число сигнальных событий 137 ± 39, полученное из фита, хорошо согласуется с ожидаемым из полной реконструкции 133 ± 13.

Вероятность неправильного таггирования в этом случае определяется из данных в анализе распада В" Я"(тг0)^Подробное описание этого анализа представлено в диссертации. Эффективность таггирования высоко-энергичным лептоном оказывается очень высокой в результате чего метод частичной реконструкции дает срав-

нимую с методом полной реконструкции точность, несмотря на больший уровень фона.

Для конкретного события г, отобранного методом полной или частичной реконструкции, функция плотности вероятности равна сумме сигнальной функции (9) и функции Р],6, параметризующей распределения по Д< для фона:

Р. = , /о',°, / -Ро-в^тп-п^и - + /ь* рЬе(дд,

/в-О + 1Ы ' /в-о + /ь8

(10)

где доля сигнальных и фоновых событий вычисляются, как функции сле-

дующих переменных:

Рис 7 Распределения п о cosa для "лептонных" данных с 0 50 ^ |cos0|) < 1 05 и b) |cos0| < 0 50 Сплошные линии показывают результат фита Пунктирные линии показывают формы фона

• ДЕ и Мъс (в случае полной реконструкции),

• масса D~ и соьа (в случае частичной реконструкции),

• поляризация D'+ eos в (в обоих случаях),

Для извлечения параметров СР-нарушения A, S± И С± находится максимум функции правдоподобия üili P¡¡ где произведение вероятностей берется по всем отобранным событиям Фитирование осуществлялось как по отдельности для событий, отобранных методами полной и частичной реконструкции, так и совместно для обоих методов Результаты подгонки приведены в Таблице 2 Статистическая значимость обнаружения СР-нарушения в этом распаде равна 2 7<г Распределения по At для всех возмож-

Таблица 2 Результаты измерения параметров СР-нарушения

Полная реконстр Частичная реконстр Совместный фит

А +0 03 ± 0 09 +0 16 ± 0 18 +0 07 ± 0 08 ± 0 04

S_ -117 ±0 48 -0 65 ± 0 79 -0 96 ± 0 43 ± 0 12

+0 33 ± 0 29 +0 11 ± 0.45 +0 23 ± 0 25 ± 0 06

S+ -0 25 ± 0 52 -0 92 ± 0 58 -0 55 ± 0 39 ± 0 12

С+ -0 34 ± 0 27 -0 39 ± 0 38 -0 37 ± 0 22 ± 0 06

ных знаковых комбинаций В И после вычитания фона показаны на Рис 8 Для большей наглядности показаны только события с большой долей сигнальных событий (/ее > 0 1), а для случая полной реконструкции и с качественным таггированием

(ад < 0 25)

Д! (рэ)

Рис 8 Распределения по А1 после вычитания фона для случаев а) полной, Ь) частичной реконструкции Линиями показаны сигнальные функции подгонки

Подгонка также осуществлялась функцией, параметризованной согласно (3), пренебрегая разностью сильных фаз (<$ ~ 0) и пингвинным вкладом В результате совместного фитирования двух наборов данных, полученных методами полной и частичной реконструкций, найдено

81П2/3 = -5+ = -5- = 0 75 ± 0 30,

|Л,|/|Д2| = 0 75 ±013 (11)

Сделаны проверки правильности метода фитирования параметров СР-нарушения, используя распад В0 —> и метод псевдо-"экспериментов" Оценена систематиче-

ская ошибка измерения

В пятой главе приводятся основные результаты проделанной работы В заключении подводятся итоги работы и основные выводы Полученное значение хорошо согласуется с величиной измеренной в распаде

Ошибки данного измерения еще велики, однако, в ближайшие годы с увеличением статистики в 20 - 30 раз, параметры СР-нарушения в данном канале распада могут быть измерены с погрешностью менее 10% Возможно, такой точности будет достаточно для обнаружения различий между измеренными величинами СР-нарушения и их ожидаемыми значениями согласно Стандартной Модели

Список литературы

[1] Belle Collaboration, К Abe, , T Aushev, et al, Phys Rev Lett 89, 122001 (2002)

[2] Belle Collaboration, T Aushev, et al, Phys Rev Lett 93, 201802 (2004)

[3] T Aushev, Proceedings of ICHEP 2002, 503-506

[4] T Aushev, Proceedings of ICHEP 2004/hep-ex/0411021

[5] Z Z Xmg, Phys Lett B443, 365, (1998)

[6] BABAR Collaboration, В Aubert et al, Phys Rev Lett 90, 221801 (2003)

[7] Belle Collaboration, A Abashian et al, Nucl Instrum Meth , A 479, 117 (2002)

[8] Particle Data Group, S Eidelman et al, Phys Lett В 592, 1 (2004)

[9] CLEO Collaboration, E Lipeles et al, Phys Rev D62, 032005 (2000)

[10] Belle Collaboration, К Abe et al, hep-ex/0308036

[11] Belle Collaboration, H Kakuno et al, hep-ex/0403022

[12] Belle Collaboration, К Abe et al, Phys Rev D 66, 071102 (2002)

Подписано к печати 11.01.05 Формат 60 х 90 1/16

Усл.печ.л. 1,25 Уч-изд.л. 0,9 Тираж 100 экз Заказ 510

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

Ol он

216

Введение

1 CP-нарушение в распадах 5-мезонов

1.1 Симметрии в физике.

1.2 Модель Кобаяши-Маскава.

1.3 CP-нарушение в распадах Б-мезонов.

1.3.1 В0 - В°-смешивание.

1.3.2 Непрямое CP-нарушение в В-мезонах.

1.3.3 CP-нарушения в распадах В-мезонов из Т(45)-резонанса

2 CP-нарушение в распаде В0 -> D^D*

2.1 Чем интересно данное измерение?.

2.2 CP-нарушение в распадах В° > £>(*)+£)(•)-.

2.3 Оценка вероятности распада В0 —> D^D^.

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 Черенковского излучения.

3.2.4 Система измерения времени пролета частиц.

3.2.5 Электромагнитный калориметр.

3.2.6 Мюонная система.

3.2.7 Идентификация заряженных треков

3.2.8 Триггерная система.

3.2.9 Моделирование детектора

4 Анализ экспериментальных данных

4.1 Методы реконструкции распада В0 —> D^D*.

4.2 Первое обнаружение распада В0 —> D'^D*

4.2.1 Восстановление В0 —> D^D* методом полной реконструкции

4.2.2 Восстановление В0 Dt:tDT методом частичной реконструкции

4.2.3 Сравнение результатов и оценка систематических ошибок

4.3 Измерение CP-нарушения в распаде В0 —> D*±£)T.

• 4.3.1 Таггирование аромата Б°-мезона.

4.3.2 Определение вершин распадов.

4.3.3 Параметризация сигнала и фона в СР-фитировании.

4.3.4 Результаты измерения параметров CP-нарушения.

4.3.5 Проверка метода с помощью распада В0 D*+Dj.

4.3.6 Проверка измерения методом псевдо-'экспериментов" 4.3.7 Оценка систематических ошибок измерения.

5 Основные результаты проделанной работы 84 Заключение 86 Благодарности 88 Список литературы

Изучение нарушения CP-симметрии, обнаруженного более 40 лет назад в распадах нейтральных /^-мезонов, остается и по сей день одной из самых интересных задач физики элементарных частиц. Долгое время система К0 — К0 была единственной, где наблюдали это явление. В 1999 году были построены новые детекторы - "В-фабрики" Belle [1] и BABAR [2], которые должны были позволить обнаружить CP-нарушение в распадах В-мезонов. Ожидалось, что полученные на них данные позволят точно измерить параметры CP-нарушения и либо подтвердить Стандартную Модель (СМ), либо обнаружить эффекты ей противоречащие. В дальнейшем обсуждении возможные эффекты, не согласующиеся со СМ, будут называться Новой Физикой, как это принято в литературе. Сегодня уже можно говорить о надежном измерении величины CP-нарушения в распадах В0 —> (cc)resK° [3, 4] и первых результатах измерения прямого CP-нарушения в распаде В0 -» К*^ [5, б].

Темой настоящей работы является первое обнаружение распада В0 —> D*±D:F, измерение его относительной вероятности и поиск CP-нарушения в этом конечном состоянии. Согласно предсказаниям СМ параметры CP-нарушения в данном канале и распаде В0 —> J/i})Ks должны совпадать с хорошей точностью. В противном случае можно предположить существование Новой Физики.

Настоящая работа основывается на данных, набранных за период с 1999 по 2003 гг. в эксперименте Belle, работающем на ускорителе КЕКВ в научно-исследовательском центре КЕК (г. Цукуба, Япония). КЕКВ - это асимметричный е+е~ кол-лайдер с энергией пучков в системе центра масс - 10.58 ГэВ, соответствующей массе Т(45) резонанса.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [7, 8]. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на XXXI и XXXII Международных Конференциях по Физике Высоких Энергий (ICHEP) в г. Амстердаме (Нидерланды), 2002 г. [9] и в г. Пекине (Китай), 2004 г. [10], на 9-ом Международном Симпозиуме по Физике Тяжелых Кварков в г. Калифорнии (США), 2001 г., на XX Международном Симпозиуме по Взаимодействию Лептонов и Фотонов при Высоких Энергиях (LP'01) в г. Риме (Италия), 2001 г., а также на семинарах ИТЭФ и на совещаниях сотрудничества Belle.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

5 Основные результаты проделанной работы

В работе исследовался распад В0 —> D^D*. Получены следующие результаты:

• Впервые обнаружен исследуемый распад и измерена его относительная вероятность [7]. Используя метод полной реконструкции, получено:

В(В° D*~D+) + В(В° D*+D~) = (1.17 ± 0.26^) х 1(Г3. (52)

• Разработана методика частичной реконструкции распада В0 —» D^D*. Данным методом получен результат для вероятности изучаемого распада [7]:

В{В° D*~D+) + В{В° -> D*+D~) = (1.48 ± 0.38l^) х 1(Г3. (53)

Этот результат хорошо согласуется с результатом, полученным методом полной реконструкции. Данная методика может применяться для всех распадов типа В £>**£><*).

• Разработана методика определения параметров CP-нарушения в изучаемом канале методом частичной реконструкции, что позволит существенно улучшить точность измерения параметров CP-нарушения в дополнении к методу полной реконструкции.

Для проверки возможности использования этого метода проведены измерения времени жизни Р°-мезона и параметра Дт^. Полученные результаты: тво = 1.48 ± 0.04 ps;

Amd = 0.52 ± 0.02 ps"1, хорошо согласуются со среднемировыми значениями.

Получены результаты измерения параметров CP-нарушения двумя методами [8]:

Полная реконстр. Частичная реконстр. Совместный фит

А +0.03 ± 0.09 +0.16 ±0.18 +0.07 ±0.08 ±0.04

S —1.17 ± 0.48 -0.65 ±0.79 -0.96 ±0.43 ±0.12 с +0.33 ± 0.29 +0.11 ±0.45 +0.23 ± 0.25 ± 0.06

-0.25 ±0.52 -0.92 ± 0.58 -0.55 ±0.39 ±0.12

-0.34 ± 0.27 -0.39 ± 0.38 -0.37 ±0.22 ±0.06

Статистическая значимость обнаружения CP-нарушения в этом распаде равна 2.7а.

В предположении согласно теоретическим предсказаниям, что разность сильных фаз <5 = 0, значение sin 2/3 и отношение амплитуд найдены равными: sin 2/3 = 0.75 ±0.30; \Ai\/\A2\ =0.75 ±0.13. (54)

Заключение

Исследования, проведенные при анализе экспериментальных данных, полученных в эксперименте Belle, позволили впервые наблюдать распад В0 —У D*±DT и измерить его относительную вероятность. При этом получены следующие результаты:

• Разработаны и оптимизированы критерии отбора событий методом полной реконструкции, что позволило впервые наблюдать исследуемый распад. Разработана методика частичной реконструкции, что позволило существенно увеличить эффективность реконструкции данного распада.

• Разработаны программы, позволяющие моделировать исследуемый процесс методом Монте Карло. В результате моделирования были рассчитаны эффективности применяемых критериев отбора.

• Разработана методика оценки эффективности реконструкции "медленных" треков на основе экспериментальных данные, что позволило уменьшить зависимость результата от точности моделирования.

• Определены основные источники фона к исследуемому распаду. На основе моделирования и, где это было возможно - на основе анализа экспериментальных данных, были получены оценки вклада каждого из источников фона.

• Впервые определена величина относительной вероятности распада В0 —у

В(В° -»■ D*~D+) + В(В° D*+D~) = (1.17 ± 0.26^) х 1(Г3.

Полученное измерение позволило подтвердить теоретические предсказания, основанные на теории факторизации.

• Оптимизированы критерии отбора событий для измерения СР-нарушения в данном канале распада. Разработана методика измерения параметров СР-нарушения, используя метод частичной реконструкции, что позволило существенно улучшить точность измерения параметров CP-нарушения в дополнении к методу полной реконструкции.

• Измерены параметры CP-нарушения, используя методы полной и частичной реконструкций (Таблица 9). Статистическая значимость обнаружения СР-нарушения в этом распаде найдена равной 2.7о.

В пределах ошибок данного измерения полученный результат хорошо согласуется с ожидаемым в СМ значением. Однако, на статистике в 20 — 30 раз большей, которая может быть получена в ближайшие годы в таких экспериментах, как Super-Belle и LHC-b, параметры CP-нарушения в данном канале распада могут быть измерены с погрешностью менее 10%. Возможно, такой точности будет достаточно для обнаружения различий между измеренными значениями параметров CP-нарушения и их ожидаемыми значениями согласно СМ.

Благодарности

В первую очередь хочу выразить глубокую признательность своему научному руководителю П.Н. Пахлову, благодаря которому выход данной работы стал возможен, а также за предоставление прекрасных условий для плодотворной научной работы.

Я искренне благодарен своим коллегам М. Данилову, Г. Пахловой, Р. Чистову, В. Балагуре, И. Беляеву, А. Друцкому, Р. Кагану, Р. Мизюку, С. Семенову, И. Тихомирову, Д. Ливенцеву, Т. Углову и В. Эйгесу, за многочисленные полезные обсуждения, обмен ценным опытом и научное сотрудничество.

Мне приятно поблагодарить своих коллег из Японии М. Hazumi, Y. Iwasaki и Y. Sakai за помощь в подготовке работы и плодотворные обсуждения.

Особую благодарность хочу выразить лидеру сотрудничества Belle F. Takasaki за постоянное внимание к моей работе в сотрудничестве Belle.

Я считаю своим долгом поблагодарить всех участников сотрудничества Belle.

Я рад возможности выразить благодарность своему первому учителю А. Ба-зоркину за привитую любовь к физике и своим родителям за их всемерную поддержку.

1. Belle Collaboration, A. Abashian et al, Nucl. Instrum. Meth., A 479, 117 (2002).

2. BABAR Collaboration, B. Aubert et al, Nucl. Instrum. Meth., A 479, 1 (2002).

3. Belle Collaboration, K. Abe et al, Phys. Rev. D66, 071102 (2002).

4. BABAR Collaboration, B. Aubert et al, Phys. Rev. Lett. 89, 201802 (2002).

5. BABAR Collaboration, B. Aubert et al, Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004).

6. Belle Collaboration, Y. Chao et al, hep-ex/0408100.

7. Belle Collaboration, K. Abe, . , T. Aushev, et al., Phys. Rev. Lett. 89, 122001 (2002).

8. Belle Collaboration, T. Aushev, et al, Phys. Rev. Lett. 93, 201802 (2004).

9. T. Aushev, Proceedings of ICHEP 2002, 503-506.

10. T. Aushev, Proceedings of ICHEP 2004/hep-ex/0411021.

11. T.D. Lee and C.-N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956).

12. C.S. Wu et al, Phys. Rev. 105, 1413 (1957).

13. B.L. Ioffe, L.B. Okun and A.P. Rudik, JETP 5, 328 (1957).

14. L.D. Landau, JETP 5, 336 (1957).

15. J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch and R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 13, 138 (1964).

16. M. Kobayashi and T. Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49, 652 (1973).

17. Particle Data Group, S. Eidelman et al, Phys. Lett. В 592, 1 (2004).

18. L. Wolfeinstein, Phys. Rev. Lett. 51, 1945 (1983).

19. A.B. Carter and A.I. Sanda, Phys. Rev. Lett. 45, 952 (1980).

20. A.B. Carter and A.I. Sanda, Phys. Rev. D23, 1567 (1981).

21. ARGUS Collaboration, H. Albrecht et al, Phys. Lett. B192 245 (1987).

22. R. Aleksan, J.E. Bartelt, P. Burchat, A. Seiden, Phys.Rev. D39, 1283 (1989).

23. I. Dunietz et al, Phys. Rev. D43, 2193 (1991).

24. M. Ciuchini et al, Phys. Rev. Lett. 79, 978 (1997).

25. A. I. Sanda and Z.-Z. Xing, Phys. Rev. D56, 341 (1997).

26. X.-Y. Pham and Z.-Z. Xing, Phys. Lett. B458, 375 (1999).

27. Belle Collaboration, H. Miyake et al., hep-ex/0501037.

28. BABAR Collaboration, B. Aubert et al, Phys. Rev. Lett. 90, 221801 (2003).

29. Z.-Z. Xing, Phys. Lett. B443, 365, (1998).

30. CLEO Collaboration, E. Lipeles et al, Phys. Rev. D62, 032005 (2000).

31. КЕКВ В Factory Design Report, KEK Report 95-1, 1995, unpublished.

32. H. Hirano et al, Nucl. Instr. and Meth. A455 (2000) 294.

33. T. Sumiyoshi et al., Nucl. Instr. and Meth. A433 (1999) 385.

34. I. Adachi et al, Nucl. Instr. and Meth. A355 (1995) 390.

35. S.K. Sahu et al, Nucl. Instr. and Meth. A382 (1996) 441.

36. K. Abe et al, KEK progress report 96-1 1996.

37. A. Abashian et al, Nucl. Instr. and Meth. A449 (2000) 112.

38. Т. Iijima et al, Belle Note 321 "Kaon identification in BELLE". A. Kuzmin et al, Belle Note 308,

39. Energy calibration of the ECL with Bhabha events at BELLE".

40. S. Ushiroda et ai, "Trigger summary of Experiments 07 13", Belle Notes 273, 280, 350, 381, 423.

41. R. Brun et al., CERN-DD-78-2-REV.

42. См. например Н.П. Бусленко и др., "Метод статистических испытаний (метод Монте Карло)", Москва, 1962.

43. Belle Collaboration, K. Abe et al., hep-ex/0308036.

44. Belle Collaboration, H. Kakuno et al, hep-ex/0403022.

45. Belle Collaboration, K. Abe et al, Phys. Rev. D 66, 071102 (2002).