Редкие распады В-мезонов на установке LHCb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

Беляев Иван Михайлович

Редкие распады В-мезонов на установке ЬНСЬ

Специальность. 01.04.23 - физика высоких энергий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

МОСКВА 2005 г.

УДК 539.1

Работа выполнена в ГНЦ РФ - "Институт Теоретической и Экспериментальной Физики"

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук А И Голутвин (ГНЦ РФ ИТЭФ, Москва)

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, чл.-корр. РАН В.Ф. Образцов (ИФВЭ, Протвино)

доктор физ.-мат наук, чл.-корр РАН

М.И. Высоцкий

(ГНЦ РФ ИТЭФ, Москва)

Ведущая организация: Институт Ядерной Физики СО РАН,

(Новосибирск)

Защита состоится 20 декабря 2005 г в 11 часов 00 минут на заседании Диссертационно1 о Совета Д 201 002.01 Институт теоретической и экспериментальной физики по адресу г Москва, ул. Большая Черёмушкинская 25, Институт теоретической и экспериментальной физики, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 10 ноября 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физ.-мат наук

В.В. Васильев

goog-4

2 Шо

3

»

Общая характеристика работы

В диссертации изучается физический потенциал и оптимизация установки LHCb для ж -следования редких петлевых распадов прелестных частиц. Данные, использованные в настоящем анализе были получены в результате моделирования детектора LHCb, который будет установлен в точке пересечения пучков ускорителя LHC в европейском научном центре ЦЕРН (г. Женева, Швейцария).

Актуальность темы

В настоящее время наиболее вероятными кандидатами на роль следующего поколения общей теории, расширяющей Стандартную Модель (СМ), рассматриваются варианты теории суперсимметрии SUSY. Новые частицы и взаимодействия, появляющиеся в различных вариантах теории, могут быть обнаружены и изучены либо прямо в процессах их рождения и распада, либо через их вклады в амплитуда различных низкоэнергетических процессов. Особенно ярким свидетельством "Новой физики" явилось бы обнаружение эф фектов, запрещенных или сильно подавленных в СМ Это придает особый интерес изучению редких петлевых распадов В-мезонов Вклад новых (предположительно тяжелых) частиц в древесные диаграммы слабых распадов прелестных адронов ожидается сильно подавленным Такое подавление в общем случае отсутствует в петлевых диаграммах В СМ вклад петлевых диаграмм оказывается сильно подавленным благодаря взаимному сокращению диаграмм (механизм Глэшоу Иллиопулоса Майани). Сочетание возможного неподавленного вклада от новых частиц с одной стороны и сильно подавленного вклада частиц СМ с другой стороны делает распады с определяющим вкладом петлевых диаграмм особенно чувствительными к проявлению "Новой физики" Огромная статистика прелестных частиц, 1012 bb-пар в год, ожидаемая в эксперименте LHCb, позволит провести систематическое изучение редких пингвинных распадов прелестных адронов

Цель работы

Цель работы заключается в изучении физического потенциала и оптимизации установки LHCb для исследования редких радиационных и глюонных пингвинных распадов прелестных частиц.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Выбор размера ячеек электромагнитного калориметра установки LHCb, оптимальных для триггерного отбора событий с энергичными фотонами, электронами и 7Г°-мезонами, восстановления распадов прелестных мезонов в конечные состояния с фотонами и 7г°-мезонами и возможности эффективного разделения высокоэнергич-ньгх фотонов из радиационных пингвинных распадов и "слипшихся" 7г°-мезонов из фоновых событий.

2 Методика, алгоритмы и программы восстановления и идентификации фотонов, ir°-мезонов и электронов на установке LHCb с использованием комбинированной информации с детекторов Spd, Prs, электромагнитного и адронною калориметров

3 Методика оптимизации критериев отбора сигнальных событий в условиях ограниченности доступных образцов фоновых событий.

4. Оптимизация критериев отбора сигнальных событий для радиационных пингвинных распадов Bjj —» К*°7 и В® —> (¡ту, и глюонных пингвинных распадов —>

. и В®.....> фф для эффективного разделения сигнальных и фоновых событий.

5 Оценки годовых выходов сигнальных событий для радиационных пингвинных распадов Bj} —> К*°7, В® —» фу, глюонных пингвинных распадов В® —> В® —» фф и оценки отношения уровня фона к сигналу.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в работах |1 -6| и вошли в [7,8] Материалы, изложенные в диссертации докладывались автором на международной конференции "Физика на LHCb" в Вене в 2004 г и опубликованы в трудах конференции Результаты представлялись автором на семинарах ИТЭФ, LAPP (Аннеси-ле-Вьё, Франция), университета Tsinghua (Пекин, Китай), на рабочих совещаниях сотрудничества LHCb в ИТЭФ, ЦЕРН, университетах Рио-де-Жанейро, Кембриджа, Цюриха и Барселоны.

Результаты по оптимизации электромагнитного калориметра представлялись автором на 8ой международной конференции по детекторам для коллайдерных пучков (Новосибирск, 2002). Результаты диссертации, касающиеся развития комплекса программ для детектора LHCb, докладывались автором на международных конференциях по компьютингу в физике высоких энергий (Пекин, 2001 и Интерлакен, 2004).

Различные материалы, изложенные в диссертации, также неоднократно докладывались соавторами на международных конференциях.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения Её объем 153 страницы, включая 11 таблиц и 81 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 108 наименований.

Содержание диссертации

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

Первая глава посвящена теории Здесь подробно изложены лагранжиан Стандартной Модели, феноменология осцилляций нейтральных прелестных мезонов и СР-нарушения. слабые нелептонные распады прелестных мезонов. Подробно обсуждается матрица Ка-биббо-Кобаяши-Маскава, инвариант Ярлског и их связь с CV-нарушением в Стандартной Модели. В последнем разделе разобраны различные аспекты теоретического описания пингвинных b ~> s (<1)-переходов.

Во второй главе приведено описание ускорителя LHC, особенностей рождения прелестных частиц в протон-протонных столкновениях при -y/s = 14 TeV, установки LHCb и процедур моделирования детектора методом Монте-Карло, восстановления заряженных треков, первичных вершин рр-взаимодействий. Особенно подробно изложена оптимизация неоднородности поперечного отклика электромагнитного калориметра и процедуры восстановления фотонов, 7г°-мезонов, идентификации электронов и нейтральных частиц.

Ускоритель LHC или Большой адронный коллайдер в настоящее время сооружается в ЦЕРН. В каждом из колец LHC планируется ускорять 2808 сгустков по 1.1 х 1011 протопов с энергией 7 ТэВ.

Детектор LHCb, предназначенный главным образом для изучения физики прелестных частиц, представляет собой одноплечевой передний спектрометр (рис. 1). Геометрическая эффективность детектора составляет примерно ±300 мрад в горизонтальной плоскости z — х и ±200 мрад в вертикальной плоскости г — у, за вычетом узкого конуса с углом раствора ~ 10 мрад вдоль оси г.

Конструкция детектора LHCb оптимизирована для исследования распадов прелестных частиц, в частности особое внимание было уделено:

восстановлению вершин распада прелестных адронов и точности измерения времен распада прелестных частиц, что является важным пререквизитом изучения °°-осцилляций и асимметрий, зависящих от времени;

точному измерению импульсов и инвариантных масс, что является важным ингредиентом для подавления комбинаторных фоновых событий;

Рис 1 Детектор LHCb' Vertex Locator - высокоточный кремниевый вершинный детектор, RICH1 и RICH2 - черенковские счетчики, ТТ станции триггерного трекера, дипольный магнит, Т1-ТЗ - станции основной трекерной системы, RS/SPD, ECAL, HCAL - калориметрическая система, М1-М5 - мюонная система

эффективной системе идентификации частиц, важной для устранения опасных источников коррелированного фона,

эффективности триггерной системы.

Восстановление треков заряженых частиц и измерение их импульсов производится в трековой системе, состоящей из высокоточного вершинного кремниевого детектора VELO, станций триггерного трекерного детектора ТТ и трех сгашщй основной трекерной системы Вершинный детектор VELO состоит из 21 станции, помещенных внутрь вакуумного объема, интегрированного с вакуумной камерой ускорителя LHC. Две стнции триггерного трекера в совокупности представляют собой четыре плоскости высокоточных кремниевых сенсоров толщиной 300 мкм Дипольный магнит открытой геометрии, расположенный между детектором ТТ и основной трекерной системой, обеспечивает интеграл магнитного поля ~ 4 Тм Основная задача по измерению импульса заряженных частиц ложится на три станции основного трекера Т1-ТЗ, расположенные после диполь ного магнита. Каждая из станций основного трекера состоит из внутренней части IT выполненной по технологии, аналогичной станциям ТТ, и внешней часги, состоящей и; модулей дрейфовых трубок. Детекторы колец черенковского излучения R1CH1 и R1CH2

предназначены для эффективного разделения К* и 7Г±-мсзонов в широком интервале импульсов от 2-3 1'эВ/с до 100 ГэВ/с Мюонная система состоит из пяти станций М1-М5. Первая станция расположена перед калориметрической системой. Остальные станции расположены за калориметрической системой и прослоены слоями железного фильтра.

Калориметрическая система состоит из сцинтилляционных счетчиков SPD, преддив-невого детектора PRS, электромагнитного и адронного калориметров в проективной геометрии. Основные характеристики калориметрической системы приведены в табл. 1

Таблица 1. Основные характеристики калориметрической системы

SPD/PRS EGAL HCAL

Число каналов 2x6016 6016 1468

ху-размер 6.2x7 6 м2 6.3x7.8 м2 6.8x8.4 м2

z-глубина 180 мм 816 мм 1655 мм

2Хо, O.lAi 25Хо, l.lAi 5.6Ai

характеристики 20-30ph.e/m.i.p Ч = а = ^ ® 10%

динамический 0-100 m.i.p. Ет: 0-10 ГэВ В,.: 0-10 ГэВ

диапазон 1(10) бит 12 бит 12 бит

Счетчики SPD и PRS представляют собой две плоскости сцинтилляционных пластин толщиной 1 см, прослоеных свинцом толщиной 14 мм Такая структура позволяет проводить эффективное разделение нейтральных и заряженных частиц и отличать электромагнитные частицы (7, е*) от прочих.

Оптимизация поперечной гранулярности электромагнитного калориметра проводилась используя тестовые процессы Bjj —»тг+7г~7г° и Bjj —► (D —> Kir7r°) К*. Это исследование показало, что оптимальным является разделение калориметра на 3 зоны с размерами ячеек 40 х 40 мм2, 60 х 60 мм2 и 120 х 120 мм2 (рис. 2).

При оптимизации поперечной гранулярности электромагнитного калориметра большое внимание было уделено разделению фотонов и 7г°-мезонов при высоких энергиях При достаточно больших энергиях электромагнитные кластеры от фотонов из тг°-мезонов перекрываются и могут быть ошибочно восстановлены как одиночный фотон Такой процесс представляет собой один из наиболее опасных фонов при изучении редких радиационных пингвшшых распадов прелестных частиц. Для правильного выбора размера ячеек в центральной части электромагнитного калориметра рассматривалось разделение ливней от высокоэнергетичных одиночных фотонов и 7г°-мезонов для размера ячеек в центральной области 40 х 40 мм2 и 60 х 60 мм2. Разделение ливней производилось

Outer section : 121.2 mm celb 2688 Channels МккЯе Kction :

60.6 mm cells 1792 Channels

Рис 2 Попррвчная гранулярность электромагнитного калориметра и счетчиков SPD/PRS Показан правый верхний квадрант.

с помощью детального анализа формы электромагнитного кластера с использованием нейронных сетей. Консервативные оценки фактора подавления этого опасного фона как функции неэффективности идентификации одиночных фотонов для частиц различных энергий представлены на рис. 3. Видно что для реалистичных значений неэффективно сти идентификации фотонов в диапазоне 5-25% анализ формы ливня позволяет достичь большого подавления фоновых событий, причем фактор подавления для калориметра с ячейками 40 х 40 мм2 в центральной части в 2.5-15 раз лучше чем для калориметра с ячейками 60 х 60 мм2 в центральной части.

Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра было измерено с помощью тестовых пучков электронов и составило

Для моделирования методом Монте-Карло сигнальных событий, событий рр » ЬЬХ и неупругих рр-взаимодействий при y's — 14 ТэВ используется программа Pythia 6.2. На начальном этапе для детального моделирования использовалась программа SlCBMC, в которой распады нестабильных частиц моделировались программой QQ, а моделирование детектора производилось с помощью программы Géant 3.21. Более современная программа моделирования Gauss, основанная на программе Gaudi и использующая для распадов нестабильных частиц программу EvtGen, а для моделирования детектора LHCb программу Geant4, использовалась на более поздних стадиях Детальное реалистичное описание геометрии и материалов, включало не только активные элементы установки, но также и все нечувствительные компоненты, в частности, вакуумную камеру ускорителя.

Фотоны восстанавливаются как нейтральные кластеры в электромагнитном калори-

ТО СеУ

(1-е,) [%]

ЮО веУ

(1-е-,) [96]

Рис. 3 Фактор подавления фона от 5г°-мезонов, ошибочно восстановленных в качестве одиночных фотонов (17,0), как функция неэффективности фотонной идентификации (1 — еу) для различных энергий частиц Верхние и нижние точки соответствуют размеру ячеек в центральной части электромагнитного калориметра 40 х 40 мм2 и 60 х 60 мм2 соответственно.

метре. Все восстановленные кластеры тестируются на совпадения с восстановленными треками. При этом треки экстраполируются до лицевой стороны калориметра, а экстраполированное положение трека сравнивается с положением центра кластера. Характеристикой совпадения трека и кластера является величина х2, в которую входят как оценки неопределенности экстраполированного положения трека так и размер и форма ливня, определяемые матрицей вторых моментов кластера. Распределение по минимальной величине Ху для кластеров (минимум берётся по всем восстановленным заряженным трекам) показано на рис. 4. Пик при малых значениях ^ соответствует кластерам от заряженных частиц. Кластеры с ^ > 4 рассматриваются как фотонные кандидаты

Рис. 4. Распределение по минимальной величине Ху Для кластеров в электромагнитном калориметре Пик при малых значениях х^ соответствует кластерам от заряженных частиц (заштрихованная гистограмма) Еще более узкий пик соответствует вкладу электронов (ги стограмма с двойной штриховкой).

При оценке энергии и положения фотонных кандидатов принимаются во внимание следующие эффекты:

потери энергии в веществе детектора до начала электромагнитного калориметра, в частности в свинцовом конвертере между плоскостями SPD и PRS;

потери энергии в пассивном веществе между модулями электромагнитного калориметра;

продольная и поперечная форма электромагнитного ливня.

Идентификация фотонов, конвертировавших в пассивном материале детектора после магнита и до начала калориметрической системы, производится счетчиками SPD. Около 70% фотонов из распадов —» К*7 идентифицируются как неконвертированные фотоны, остальные 30% рассматриваются как фотоны конвертированные, с вероятностью правильной идентификации 90% и 79% соответственно.

Нейтральные пионы могут быть восстановлены либо из пары восстановленных фотонов, либо (при очень больших энергиях) из одного энергичного широкого кластера

в электромагнитном калориметре ("слипшийся" 7г°-мезон). Первая категория восстанавливается из пары фотонов с поперечными энергиями, превышающими 200 МэВ. Специальный алгоритм был разработан для восстановления "слипшихся" 7г°-мезонов. Итерационная процедура разбиения кластера на две части и учета взаимопроникновения фотонных кандидатов из одной части в другую позволяет определить эффективную инвариантную массу, соответствующую гипотезе "слипшихся" 7г°-мезонов. Эффективность алгоритмов восстановления 7г°-мезонов растёт как функция поперечной энергии частиц (Рис. 5). Как алгоритм 7Г° —» 77 восстановления, так и алгоритм восстановления "слипшихся" тг°-мезонов имеют очень сильную зависимость эффективности от поперечного импульса. Однако зависимость суммарной эффективности от поперечного импульса тт°-мезона заметно более умеренна.

pT(7t°) (GeV/c)

Рис 5. Эффективность восстановления 7г°-мезонов как функция поперечного импульса для алгоритма тт° ~> 77 восстановления (сплошная линия) и алгоритма восстановления "слипшихся" 7г°-мезонов (штриховая линия) Полная эффективность указана точками с ошибками

Основную роль в идентификации адронов играют детекторы колец черенковского излучения RICH1 и RICH2. Информация с этих детекторов комбинируется в виде разности логарифмов правдоподобия различных гипотез:

Д1п£,Л=1п£,-1п£, = j^, (1)

где - оценка правдоподобия идентификационной гипотезы i, (i, j, С {е, ц, 7Г, К, р}). Основная роль в идентификации электронов отводится калориметрической системе. Функция правдоподобия е±-гипотезы строится из следующих величин:

Хо1 включающей в себя сравнение энергии и положения заряженного кластера, определяемого как кластер с величиной < 49, и энергии и положения экстраполированного трека (рис. ба);

Хьгет> определяемой как оценка расстояния между направлением трека до магнита и положением фотона, рассматриваемого как фотон тормозного излучения (рис. 6Ь);

Ерд, энергии, зарегистрированной в детекторе РИЭ вдоль экстраполированной траектории частицы (рис. 6с);

Енса1.1 энергии, зарегистрированной в адронном калориметре вдоль экстраполированной траектории частицы (рис. 6(1).

Рис 6 Распределения величин, используемых для построения функции правдоподобия для электронов- а) х1, Ь) Хьгеш' с) Ере и ¿1) Енсаь- Сплошная линия соответствует электронам, а заштрихованная гистограмма - адронам и мюонам.

Для комбинированной идентификации заряженных частиц вся доступная информация с черенковских детекторов, мюонной и калориметрической систем объединяется

для получения оценок комбинированного правдоподобия. Для электронов из распада В® —> (3/tp —»е+е~)К® усредненная эффективность идентификации электронов, достигающих калориметрической системы, составляет 95%, при вероятности ложной идентификации пиона 0.7%. Для мюонов из распада В® -> (J/ф —> К® усредненная эффективность идентификации мюонов с р > 3 ГэВ/с , достигающих мюонной системы, составляет 93%, при вероятности ложной идентификации пиона 1.0%.

К® -мезоны восстанавливаются как вторичные Vo-вершины. Для Кд -мезонов из двухчастичных распадов прелестных мезонов ~ 25% распадаются внутри активного объема детектора VELO, ~ 50% распадаются вне активного объема детектора VELO и до станций триггерного трекера ТТ. Остальные К" -мезоны распадаются после станций ТТ и не восстанавливаются. Заряженные треки рассматриваются как тг7*7-кандидаты для восстановления Кд -мезонов, если:

X2/nDoF не превышает 5;

Д1п£»/е > 0 (это ограничение сильно уменьшает фон от вторичных электронов, рождающихся в материале детектора);

значимость прицельного параметра трека по отношению ко всем первичным вершинам превышает Зет.

Вторичные вершины 7Г+7Г_ рассматриваются как К® -кандидаты, если величина Xvx Фи~ тирования вершины не превышает 50, а поперечный импульс 7г+7г~-комбинации превос ходит 250 МэВ/с.

Третья глава диссертации посвящена анализу радиационных B¡¡ —> К*®7 и В® —> <jry и глюонных В® -+ фф и В® —» 0К® пингвинных распадов. В этой части описаны критерии отбора, позволяющие эффективно выделить редкие сигнальные события и подавить большой комбинаторный фон. Здесь же приводятся значения эффективностей критериев отбора, годовых выходов сигнальных событий и оценок отношения фона к сигналу. Особое внимание уделено процедуре оптимизации критериев отбора в условиях ограниченности доступных образцов фоновых событий.

В разделе 3.1 описаны принципы выделения сигнальных событий, в основном базирующиеся на общих свойствах прелестных частиц, таких как относительно большая масса и относительно большое время жизни. Большая масса прелестных частиц приводит к относительно жесткому спектру поперечных импульсов вторичных частиц, в особенности для малочастичных распадов В-мезонов. Соответственно поперечный импульс вторичных частиц является эффективной переменной для разделения сигнальных и фоновых событий Относительно большое время жизни и жесткий импульсный спектр прелестных частиц приводят к значительному пространственному разделению восстановленных вершин рождения и распада В-мезонов: (Дг) = (0-<ст) ~ 1 см. Вторичные

частицы, рождающиеся в распадах прелестных мезонов, благодаря большому пространственному разделению вершин, имеют большое значение прицельного параметра по отношению ко всем восстановленным первичным вершинам рр-взаимодействий. Переменная, позволяющая аффективно отделять частицы из распадов В-адропов от частиц из первичной вершины, определена как

где ёру - прицельный параметр частицы в первичную вершину, а а¡р - неопределенность в значении прицельного параметра. Минимум выбирается из значений х2 для всех восстановленных первичных вершин рр-взаимодействий. Импульс прелестного адрона па-правлен вдоль направления из вершины его рождения (вершины рр-взаимодействия) в вершину его распада. Важной переменной, позволяющей значительно уменьшить вклад комбинаторных фоновых событий, является угол 0в между этим направлением и направлением импульса прелестного мезона, вычисленным как сумма импульсов продуктов распада.

Ожидается, что основным фоном для восстановления редких распадов В-адронов станут события рр —► ЬЬХ. Такие события отличаются большой множественностью заряженных и нейтральных частиц, вторичных вершин от распадов прелестных и очарованных частиц и наличием частиц с большими поперечными энергиями и большими прицельными параметрами в первичные вершины рр-взаимодействий. Фон от общих неупругих рр-взаимодействий будет сильно подавлен уже на уровне триггера. В данной работе в качестве основного источника фона рассматривался образец, содержащий 107 событий рр —» ЬЬХ, в дальнейшем обозначаемых как рр —» (ЬЬ)^ X, где полярный угол 0 хотя бы

для одного прелестного адрона удовлетворяет условию в < 400 мрад Эффективно такой

10' „

образец соответствует статистике в событий рр —» ЬЬХ, что, тем не менее, является лишь малой частью от ожидаемого годового выхода ~ 1012 реальных событий рр —> ЬЬХ.

В разделе 3.2 описана разработанная процедура оптимизации критериев отбора В диссертации оптимизация кинематических ограничений основывается на поиске максимума функции значимости, определенной как в/'/В, где 5 и В - оценки сигнала и уровня фона, соответственно. К сожалению ограниченность образца фоновых событий не всегда позволяла использовать процедуру оптимизации не привлекая дополнительных гипотез В частности, важным предположением является гипотеза локальной факторизации критериев отбора вблизи оптимума. Предполагалось, что одновременный оптимум для всех кинематических ограничений совпадает с оптимумом для каждого критерия при условии что остальные критерии фиксированы в оптимуме либо вблизи положения оптимума. Последнее условие использовалось при слишком малом числе событий фона, удовлетворяющих оптимальным критериям, чтобы избежать зависимости положения оптимума критериев отбора от случайных больших флуктуаций малого числа фоновых

событий. С целью дополнительно уменьшить влияние случайных флуктуаций фона, на точные значения кинематических ограничений накладывались дополнительные требования, в частности:

ограничения на величины х2 выбирались из подмножества квадратов целых и полуцелых чисел {х2 : 2х = п € (Ч|;

ограничения на косинусы углов выбирались сравнимыми с нулём по модулю 0 05 {0.05 * п • п € N1, а ограничения на углы сравнимы с нулем по модулю 1 мрад {1 мрад х п : п е К};

ограничения на величину поперечного импульса выбирается по модулю 100 МэВ/с {100 МэВ/с х п : п 6 К};

ограничения на значения прицельного параметра выбирались сравнимыми с нулем по модулю 50 мкм {50 мкм х п • п € Р}};

ограничения на величины разностей логарифмов функций правдоподобий ДС,/1 выбирались из подмножества целых и полуцелых чисел {х : 2х 6 Р?},

В разделе 3.3 описан отбор радиационных распадов. Кинематика двухчастичных распадов В® —> К*°7 и В® --» ф~/ приводит к жесткому спектру поперечных энергий фотонов Присутствие энергичного фотона и изолированной двухчастичной вершины распада К*0 (<^>)-мезона в исследуемых событиях позволяет эффективно разделить сигнальные и фоновые события.

Ограничение на величину Хт,п > 16 особенно эффективно уменьшает комбинаторный фон для событий с двумя и более первичными вершинами. Для восстановления вершин распадов К*0 (0)-мезонов отбираются заряженные треки со значениями Хтт > 16 (4)

Распределения инвариантной массы К+тг и К4 К~-комбинаций после фитирования вторичной вершины с ограничением Хух < 49 представлены на рис 7. К*0 (^-кандидаты отбираются в интервале ±60 МэВ/с2(±10 МэВ/с2) относительно номинальной массы К*0 (</>)-мезона. Интересно отметить, что в фоновых событиях среди отобранных К*°-кандидатов вклад истинных К*°-мезонов меньше, чем доля случайных Кт-комбинаций, в то время как ¿»-кандидаты содержат, главным образом, настоящие 0-мезоны. Именно меньший уровень комбинаторного фона позволяет использовать более мягкие кинематические ограничения для отбора событий В° —► 07 и подавления фона.

Отобранные К* (0)-кандидаты комбинируются с восстановленными фотонами Требование большой поперечной энергии фотона,> 2.8 ГэВ, и дополнительное ограничение на поперечную энергию фотона по отношению к направлению импульса К*7 (фу)-комбинации, 2.2 (2.0) < Б}.. < 2.7 ГэВ, устраняют значительный фон от мягких фотонов и 7г°-мезонов из фрагментации и многочастичных распадов прелестных частиц.

Мк+, [ГзВ/с2] Мк+к- [ГэВ/с2]

Рис. 7. Распределение инвариантной массы К+тг (К+К ) для сигнальных событий (точки с ошибками) и фоновых событий рр —» (ЬЬ)ы X (гистограмма), а) В® -> К*°7, б) ф*)

Ограничение на угол вц между импульсом К*-/ (^-комбинации и вектором, направленным из вершины рождения В^ кандидата в вершину его распада, вв < 6(15) мрад, дает возможность уменьшить фон более чем в 100 раз, оставляя эффективность сигнала высокой, около 60%.

Для подавления коррелированного фона от двухчастичных распадов В0 > К*°1Г° и В® —» 0тг°, когда энергичный 7г°-мезон ошибочно восстановлен в качестве одиночного энергичного фотона, используется различие спиральности К*° (^)-мезонов в сигнальных и фоновых распадах. Спиральность векторного мезона в распадах В0 —» К*°7г° и В® —► фя° нулевая, в то время как в распадах В° —► К*°7 и В® —> (¡ту спиральность принимает значения ±1. Ограничение |ссе</з| < 0.7, где 'р - угол между В®^ и К+ в системе покоя К*0 (ф), значительно уменьшает вклад коррелированного фона.

Распределения инвариантной массы В° и В®-кандидатов, удовлетворяющих всем перечисленным кинематическим ограничениям, а также требованиям триггеров нулевого и первого уровней, представлены на рис. 8а и 86. Разрешение по инвариантной массе оценивается ~ 65 МэВ/с2 и определяется, главным образом, энергетическим разрешением электромагнитного калориметра.

Рис 8 Распределение инвариантной массы для сигнальных событий, удовлетворяющих кри-лериям отбора и условиям триггеров нулевого и первого уровней а) В^ —> К*°7, б) В® —»(¡г/. Вертикальная шкала произвольна. Также показан вклад (гисгограмма) фона от распадов В° К*°тг° и В® -» фп° соответственно.

В разделе 3.4 описан отбор глюонных пингвинных распадов При отборе событий В® —» и В® —» фф, где К® и ^-мезоны восстанавливаются в каналах К® —► тт+тт~ и ф —» К+К~, присутствие узкого ^-резонанса в конечном состоянии значительно облегчает отбор событий и подавление фона. Пары К+К~ рассматриваются а качестве (^-кандидатов, если при фитировании вторичной вершины величина Хух не превышает 100(10), а инвариантная масса находится в интервале ±12(17) МэВ/с2 от номинальной массы 0-мезона.

Кандидаты В® —» фф отбираются как комбинации фф, удовлетворяющие следующим требованиям:

угол &в между импульсом (/»(/¡»-комбинации и вектором, направленным из первичной вершины в вершину распада В®-кандидата, не превышает 10 мрад;

угол 9* между импульсом ф в системе покоя «^комбинации и направлением перехода из лабораторной системы в систему покоя пары фф удовлетворяет условию (сое 6*1 < 0.75;

при фитировании вторичной вершины, составленной из четырех кяонов, величина X2 не превышает 100.

Пары фК° рассматриваются как В® -> фЩ - кандидаты, если:

прицельный параметр комбинации 0Кд по отношению к первичной вершине рр-взаимодействия не превьппает 250 мкм, 200 мкм и 100 мкм для ОБ, 1А и прочих комбинаций соответственно;

угол вв между импульсом комбинации и вектором, направленным из первичной вершины в вершину распада В0-кандидата, не превышает 35 мрад (10 мрад для ВГ) комбинаций);

при фитировании вторичной вершины величина х2 не превьппает 6;

• при специальном фитировании вторичной вершины, в котором угол вц полагается равным нулю, величина х2 не превышает 3.8.

Последние два ограничения не применяются для -мезонов из категории ЬЭ.

Распределения инвариантной массы в случае распадов В® —► фф и В° —> фК$, удовлетворяющие всем кинематическим ограничениям, перечисленным выше, а также требованиям триггеров нулевого и первого уровней, представлены на рис. 9. Разрешение по инвариантной массе составляет 12 МэВ/с2 для В° -+ фф и 16 МэВ/с2 для В0 —> 0К®.

13 5.225 5.25 5.275 5Л 5.325 535 5.375 5 4

525 5 3 535 54 545 55

М фф [ГэВ/с2]

Мфщ [ГэВ/С2]

Рис. 9 Распределение инвариантной массы для событий а) В® —> фф и б) ВЦ —► удовлетворяющих критериям отбора и требованиям триггеров нулевого и первого уровней

В разделе 3.5 приведены оценки эффективности и годовых выходов событий. Эффективности восстановления и критериев отбора сигнальных событий, а также триг-герные эффективности приведены в табл. 2. Эффективность восстановления включает геометрию детектора, реконструкцию и идентификацию заряженных треков и фотонов Триггерная эффективность содержит эффективности триггеров нулевого и первого уровней Эффективность триггера высокого уровня полагалась равной 100% Годовые выходы рассчитывались для интегральной светимости 2 фбн-1

Таблица 2 Эффективность восстановления и критериев отбора (ейЕь), эффективность триггера («тшз) и ожидаемый годовой выход (ЛГ) для радиационных и глюонлых пингвинных распадов.

Распад бЭЕЬ [%] ¿тшз [%] ЛГ

В® - К*°7 0.41 38 3.5 • 104

в 0.64 34 9 3-103

0.03 37 40

В® - 0К® 1.1 19 08-103

в® -* фф 2.0 23 1.2 -103

В разделе 3.6 приведены оценки отношения фона к сигналу. В качестве основного источника фона рассмотрен образец состоящий из 107 событий рр —» (ЬЬ^Х, где хотя бы один прелестный адрон, возникающий в процессе фрагментации Ь(Б)-кварка, имеет полярный угол 0, удовлетворяющий условию в < 400 мрад. Для оценки отношения фона к сигналу вЬб/5 предполагается линейная зависимость фоновых событий от инвариантной массы В®,-кандидатов вблизи номинальной массы В^. Определения сигнальных и расширенных массовых интервалов приведены в табл. 3. Ни одно из 107 фоновых событий рр —» (ЬЬ)^Х после применения критериев отбора не дает вклада в расширенный массовый интервал, что позволяет ограничить величину Вь¡¡/5 в сигнальном массовом интервале Верхние пределы на уровне достоверности 90% для величин бы-Д9 приведены в табл. 3.

Относительный вклад коррелированного фона от двухчастичных распадов В° —> К'°тг° и В® —> фп° не превышает 2 2% (4%) на уровне достоверности 90% Для распада В® —* фК° дополнительно использовался образец 10® событий, содержащих настоящие (¿»-мезоны из распадов прелестных адронов, позволивший ограничить отношение фона от таких событий к сигналу < 0.28 на уровне достоверности 90%

Таблица 3 Определения сигнальных (<5М) и расширенных (ДМ) массовых интервалов, использованных для оценки верхних пределов на уровне достоверности 90% отношения фона от событий рр —> (ЬЬ)(щ X к сигналу (Вьв/^)> Для радиационных и глюонных пингвинных распадов

Распад гм [МэВ/с2] ДМ [ГэВ/с2] бьь/5

ВЗ К*®7 ±200 [4.6,6.0] <0.7

±200 [4.6,6.0] <2.4

±200 [4.6,6.0] <3.5

ВЗ - ФК% ±55 [4.0,6.6] < 1.1

В® -»ФФ ±24 [4.0,7.0] <0.2

В разделе 3.7 обсуждаются результаты работы и производится сравнение с существующими данными. Статистика одного года работы детектора ЬНСЬ (3.5 х 104 вое становленных распадов В® -+ К*°7) позволит существенно уменьшить статистическую ошибку в измерении прямой СР-асимметрии до уровня значительно лучшего

О 01, что, возможно, позволи! провести точные тесты предсказаний Стандартной Модели или найти значимые отклонения от предсказаний СМ. Годовой выход в 40 восстановленных событий В® —» и>7, ожидаемый на установке ЬНСЬ, позволит значительно улучшить оценки этой величины и достигнуть статистической экспериментальной неопределённости в отношении |У(а/У15| на уровне О ^0.1 х -у/(1 + В/в) /^у^, используя только моду В® —» ш-у. Ожидаемый на установке ЬНСЬ годовой выход 9.3 х 103 восстановленных событий В® —» ^7 позволит провести первое измерение относительной вероятности или ши рины этого пингвинного распада и таким образом проверить предсказания формфактор-ных вычислений для величины Г (В® —> (¡ту) /Г (В® —> К*°7). Разрешение по собственному времени жизни В®-мезонов в этом канале достаточно для исследования зависящей от времени СР-асимметрии для не слишком больших значений Дггц. в частности для значений, ожидаемых в рамках СМ. Годовая статистика восстановленных распадов В® —» фу статистически эквивалентна та 550 идеально тагированым событиям Ожидаемый на установке ЬНСЬ годовой выход 1.2 х 103 восстановленных событий В® —» фф позволит провести первое измерение относительной вероятности или ширины этого глюонного пингвинного распада и исследование зависящей от времени СР-асимметрии. Ожидаемый на установке ЬНСЬ годовой выход 800 восстановленных событий В® —> </>К® значительно превосходит самый крупный существующий образец 180±16 восстановленных событий и, несомненно,

будет очень полезен для проверки возможного нарушения тождеств.

аЛГ __Л

Ав°%к§ ^К^з/ФК* »-ЯП2/3 . В заключении приведены основные результаты диссертации:

1 Проведена оптимизация электромагнитного калориметра установки ЬНСЬ, включая выбор размера ячеек и структуры электромагнитного калориметра установки ЬНСЬ, оптимальный не только для триггерного отбора событий с энергичными фотонами, электронами и 7г°-мезонами, но и последующего восстановления и отбора распадов прелестных мезонов в конечные состояния с фотонами и 7г°-мезонами, в частности ВЦ —» ртг, ВЦ —> (Б° —> К-7Г+7Г°) К*°. Одним из важнейших критериев оптимизации размера ячеек и структуры электромагнитного калориметра являлась возможность эффективного разделения высокоэнергичных фотонов из радиационных пингвинных распадов, таких как В^ —► К*°7 и В° —» (¡уу, и "слипшихся" 7г°-мезонов из фоновых событий. По результатам оптимизации выбрана трехзон-ная структура электромагнитного калориметра установки ЬНСЬ с размерами ячеек 4 х 4 см2, 6x6 см2 и 12 х 12 см2. Произведен выбор оптимальной плотности световодов для ячеек 12 х 12 см2, который позволил минимизировать поперечную неоднородность отклика калориметра, обеспечив хорошее энергетическое разрешение калориметра для энергичных электромагнитных частиц, что было проверено с помощью тестовых пучков электронов.

2 Разработаны программы моделирования детектора ЬНСЬ и, в особенности, като риметрической системы. Результаты моделирования сравнивались с результатами, полученными при анализе испытаний прототипов детекторов с использованием тестовых пучков частиц Разработан комплекс программ для детального описания геометрии и моделирования детектора ЬНСЬ, алгоритмов восстановления и калибровки калориметрической системы, программ идентификации заряженных и нейтральных частиц и программ наглядного дружественного физического анализа

3 Разработаны методика, алгоритмы и программы восстановления и идентификации фотонов и тг°-мезонов для установки ЬНСЬ с использованием комбинированной информации с детекторов Эре!, Рге и электромагнитного калориметра. Для 7г°-мезонов высокая эффективность восстановления и реконструкции получена как для 7г°-мезонов малых и средних энергий, восстанавливаемых из двух одиночных фотонов, так и для высокоэнергетичных "слипшихся" 7г°-мезонов Разработаны методика, алгоритмы и программы восстановления и идентификации электронов для установки ЬНСЬ с использованием комбинированной информации с детекторов Эре), Рге,

электромагнитного и адронного калориметров. Для электронов достигающих калориметрическую систему получена высокая эффективность идентификации г» 95% при вероятности ложной идентификации пиона ~ 0.7%.

4 Разработана методика оптимизации критериев отбора сигнальных событий в условиях ограниченности доступных образцов фоновых событий. На основе разработанной методики оптимизации найдены оптимальные критерии отбора сигнальных событий для радиационных пингвинных распадов В® —> К*®7 и В® —» 07 и глюонных пингвинных распадов В® —* фК$ и В® » фф, позволяющие провести эффективное разделение сигнальных и фоновых событий.

5 Определены методом Монте-Карло эффективности триггера, восстановления, отбора и разрешения по инвариантной массе и собственному времени жизни для сигнальных событий. Оценены годовые выходы сигнальных событий для радиационных пингвинных распадов В® —> К*°7 и В" —> 07, и глюонных пингвинных распадов В° —> 0К® и В® ♦ фф. Получены оценки на отношение уровня фона к сигналу для радиационных пингвинных распадов В® —► К*°7 и В® —» 07 и глюонных пингвинных распадов В^ 0К§ и В® —» фф.

6 Приведено сравнение ожидаемых годовых выходов радиационных пингвинных рас падов В® —> К*®7 и В® —> 07 и глюонных пингвинных распадов В|| —> 0Кд и В" —» фф с существующими образцами данных.

Основные результаты по перспективам исследования редких распадов прелестных частиц на установке ЬНСЬ, сделанные в работе, приведены в табл 4

Таблица 4 Годовые выходы сигнальных событий (Л/") и оценки верхних пределов на уровне достоверности 90% для отношения фона от событий рр —► к сигналу (ВЬ£/5) для

редких петлевых распадов прелестных мезонов.

Распад м Вьь/<?

В» К*®7 3.5 х 104 <0.7

В.®-* 07 9.3 х 103 < 2.4

ВЗ —* ^7 40 <3.5

В® -» 0К® 0.8 х 103 < 1.1

В,®-»00 1.2 х 103 <0.2

Список литературы

[1] I Belyaev, "Rare decays at LHCb", Czech. J Phys. 55, Suppl. A (2005); CERN-LHCb-2005-001; LAPP-EXP-2003-03

[2] G. Pakhtova and I Belyaev, "Radiative B-decays with LHCb", CERN-LHCb-2003-090

[3] S. Barsuk and I. Belyaev, "The B° -» фф reconstruction at LHCb", CERN-LHCb-2003-094

[4] S. Barsuk, I. Belyaev et al, "Optimization of cell sizes of electromagnetic calorimeter", CERN-LHCb-99-034

[5] S Barsuk, I Belyaev et al., "Fiber density and uniformity of response of LHCb electromagnetic calorimeter", CERN-LHCb-2000-034

[6] С.Я Барсук, Г.В. Пахлова, И.М. Беляев, "Перспективы изучения пингвинных распадов в эксперименте LHCb", ITEP-05-08

[7] S. Amato, . , I. Belyaev et al., "LHCb calorimeters: Technical Design report", CERN-LHCC-2000-036.

[8] R. Antunes Nobrega, ... ,1. Belyaev et al., "LHCb reoptimized detector design and performance: Technical Design Report", CERN-LHCC-2003-030.

№21535

РНБ русский фонд I

2006-4 22680

I

Подписано к печати 27.10.05. 1/16

Усл. печ. л. 1.3 Уч.-изд. л. 0.95 Тираж 100 экз. Заказ 517

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

Введение

1 Распады прелестных мезонов

1.1 Лагранжиан Стандартной Модели

1.2 Параметризация матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава . 12 ^ 1.3 Треугольники унитарности и инвариант Яр л ског.

1.4 Феноменология В°Ё°-осцилляций и нарушения CV-четности

1.4.1 Осцилляции нейтральных В-мезонов.

1.4.2 Механизмы СР-нарушения

1.4.3 CP-нарушение в амплитудах распадов.

1.4.4 CP-нарушение в В°Ё°-осцилляциях.

1.4.5 Интерференция между распадами и осцилляциями

1.5 Слабые нелептонные распады В-мезонов.

1.6 В°Ё°-осцилляции и нарушение CP-четности в Стандартной Модели.

1.7 Пингвинные b —> з(с1)-переходы

1.7.1 Радиационные пингвинные распады В-мезонов

1.7.2 Глюонные пингвинные распады В-мезонов.

2 Эксперимент LHCb

2.1 Ускоритель LHC.

2.2 Рождение b-кварков на LHC

2.3 Детектор LHCb

2.3.1 Система восстановления треков.

2.3.2 Детекторы колец черенковского излучения

2.3.3 Мюонный детектор.

2.3.4 Калориметрическая система.

2.3.5 Магнит, вакуумная камера

2.4 Триггер.

2.5 Моделирование и восстановление событий.

2.5.1 Моделирование методом Монте-Карло.

2.5.2 Восстановление треков заряженных частиц.

Ф 2.5.3 Восстановление вершин рр-взаимодействий.

2.5.4 Восстановление фотонов и 7г°-мезонов

2.5.5 Идентификация заряженных частиц.

2.5.6 Восстановление Kg -мезонов.

2.5.7 Программы физического анализа

3 Анализ пингвинных распадов в эксперименте LHCb

3.1 Принципы отбора событий.

3.2 Оптимизация критериев отбора

3.3 Отбор событий Bj}—» К*°7 и В° -> (fry . . . .97 ■

3.4 Отбор событий В° ->фф и Bj} '.

3.5 Эффективность и годовые выходы.

3.6 Оценки соотношения сигнала и фона.

3.7 Обсуждение результатов.

Одной из наиболее актуальных и важных проблем современной физики является существование нашей Вселенной - проблема бариогенеза. Факт существования нашей Вселенной в форме вещества (барионов) и отсутствии сколько-либо значимого количества антивещества (антибарионов) указывает на существенную неполноту современных знаний. А.Д. Сахаров [1] сформулировал условия существования Вселенной, известные как три постулата Сахарова:

• существование взаимодействий, несохраняющих комбинированную (CP) четность;

• существование взаимодействий, несохраняющих барионное число;

• отсутствие термодинамического равновесия в начальный период.

Первое условие А.Д. Сахарова формально удовлетворяется в Стандартной Модели (CM) SU(3) х SU(2) х U(l) электрослабых и сильных взаимодействий, в которой нарушение CP-четности естественным образом вводится через структуру юкавских взаимодействий кварковых полей с полями хиггсовских бозонов. Экспериментальные свидетельства несохранения комбинированной четности до конца прошлого тысячелетия включали в себя только обнаружение нарушения CP-четности в системе нейтральных каонов. На рубеже тысячелетий, главным образом благодаря экспериментам BaBaR и Belle, к ним прибавились многочисленные наблюдения и измерения CP-нечетных эффектов в распадах прелестных частиц.

Второе условие А.Д. Сахарова формально не соблюдается в Стандартной Модели. Однако непертубативные эффекты могут приводить к эффективному несохранению барионного числа [2,3]. Взаимодействия, приводящие к несохранению барионного числа, естественным образом появляются практически в любом расширении Стандартной Модели с включением электрослабой SU (2) х U (1) и сильной (КХД) SU (3) групп как подгрупп некоторой общей группы Великого Объединения.

Экспериментальных свидетельств несохранения барионного числа1 пока не существует. Количественный анализ показывает существенную недостаточность механизма CP-нарушения, заложенного в СМ для объяснения существующей барионной асимметрии Вселенной.

Таким образом сам факт нашего существования неминуемо приводит к выводу о неполноте современной картины (микро)мира, частности СМ, и о неизбежности существования дополнительных полей и взаимодействий ("Новой Физики"). В настоящее время наиболее вероятными кандидатами на роль следующего поколения общей теории, расширяющей СМ, рассматриваются различные варианты теории суперсимметрии SUSY. В этих моделях естественным образом появляются как нарушение барионного числа, так и дополнительные источники СР-нарушения. Новые частицы и взаимодействия, появляющиеся в различных вариантах теории, могут быть обнаружены и изучены либо прямо в процессах их рождения и распада, либо через их вклады в амплитуды различных низкоэнергетических процессов. В наиболее вероятных сценариях новые

1К роме самого факта нашего существования. частицы имеют довольно большую массу. Для прямого рождения таких частиц требуются ускорители сверболыних энергий, такие как сооружаемый в настоящее время большой адронный коллайдер LHC, который, как планируется, будет особо эффективен к прямому обнаружению рождения новых частиц и взаимодействий на массовой шкале 100-1000 ГэВ/с2.

Альтернативой изучению прямого рождения новых частиц представляется изучение возможных вкладов новых частиц и взаимодействий в амплитуды низкоэнергетических процессов, например в амплитуды слабых распадов. Важнейшим условием успеха этого подхода является четкость и точность теоретических предсказаний амплитуд распадов. Именно это определяет особое место прелестных частиц в программе поиска эффектов "Новой Физики". Наличие целого ряда теоретических подходов к описанию слабых распадов прелестных частиц, допускающих не только качественное, но нередко и количественное описание процессов приводит к большому числу однозначных предсказаний с весьма небольшим уровнем теоретической неопределённости. Проверка таких предсказаний представляется удобной формой тестирования СМ и, как следствие, одним из вариантов поиска эффектов "Новой Физики". Особенно ярким свидетельством "Новой Физики" явилось бы обнаружение эффектов, запрещенных или сильно подавленных в СМ. Это придает особый интерес к изучению редких распадов В-мезонов. Вклад новых (предположительно тяжелых) частиц в древесные диаграммы слабых распадов прелестных адронов, ожидается сильно подавленным множителем О (т^"), где тх - масса новой частицы и n > 1. Такое подавление в общем случае отсутствует в петлевых диаграммах. В СМ вклад петлевых диаграмм оказывается сильно подавленным благодаря взаимному сокращению диаграмм (механизм Глэшоу-Иллиопулоса-Майани). Сочетание возможного неподавленного вклада от новых частиц с одной стороны и сильно подавленного вклада частиц СМ с другой стороны делает распады с определяющим вкладом петлевых диаграмм особенно чувствительными к проявлению "Новой Физики". Таким образом при достаточно общих предположениях изучение редких петлевых, в частности пингвинных, диаграмм является одним из наиболее перспективных направлений в поиске новых частиц и взаимодействий.

Данная работа посвящена перспективам исследования радиационных пингвинных распадов —> К*°7 и BJ? —► фу и глюонных пингвинных В° —> фф и В^ —► фК$ распадов в эксперименте LHCb. Изучение редких пингвинных распадов прелестных адронов представляется важной частью физической программы эксперимента LHCb, сооружаемого в данное время на ускорителе LHC, и предназначенного для высокоточного измерения параметров СР-нарушения и поиска явлений "Новой Физики" в распадах прелестных частиц.

Ожидается, что детектор LHCb, позволит провести множество интереснейших измерений. Огромная статистика прелестных адронов ожидаемая в эксперименте позволит провести систематическое изучение редких распадов В-адронов. Специальный триггер нулевого уровня, оптимизированный на быстрое выделение событий с энергичными фотонами, делает эксперимент особо чувствительным к исследованию радиационных пингвинных распадов прелестных частиц.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [4-9].

Диссертация состоит из введения, трех частей и заключения.

Основные результаты по перспективам исследования редких распадов прелестных частиц на установке LHCb, сделанные в работе, собраны в Табл. 3.5.

Заключение

Данная работа посвящена изучению физического потенциала и оптимизации установки LHCb для исследования редких петлевых распадов прелестных частиц. Показано, что эксперимент LHCb имеет большой потенциал для исследования редких пингвинных распадов, таких как радиационные распады —► К*°7, —► 07, В° —> ojj и адронные распады В° —> фф и В° —> 0Kg. В работе продемонстрирована возможность восстановления этих распадов и представлены оценки годовых выходов сигнальных событий и отношений фона к сигналу.

В работе получены следующие результаты:

1. Проведена оптимизация электромагнитного калориметра установки LHCb, включая выбор размера ячеек и структуры электромагнитного калориметра установки LHCb, оптимальный не только для триггерного отбора событий с энергичными фотонами, электронами и 7г°-мезонами, но и последующего восстановления и отбора распадов прелестных мезонов в конечные состояния с фотонами и 7г°-мезонами, в частности В° —> ртг, В° —> (D0 —> К~7г+7г°) К*0. Одним из важнейших критериев оптимизации размера ячеек и структуры электромагнитного калориметра являлась возможность эффективного разделения высокоэнергичных фотонов из радиационных пингвинных распадов, таких как В° —> К*°7 и В° —> ф'у, и "слипшихся" 7г°-мезонов из фоновых событий. По результатам оптимизации выбрана трехзонная структура электромагнитного калориметра установки LHCb с размерами ячеек 4x4 см2, 6 х 6 см2 и 12 х 12 см2 [9]. Произведен выбор оптимальной плотности световодов для ячеек 12 х 12 см2, который позволил минимизировать поперечную неоднородность отклика калориметра, обеспечив хорошее энергетическое разрешение калориметра для энергичных электромагнитных частиц, что было проверено с помощью тестовых пучков электронов [8].

2. Разработаны программы моделирования методом Монте-Карло детектора LHCb, и, в особенности, калориметрической системы [74]. Результаты моделирования сравнивались с результатами, полученными при анализе испытаний прототипов детекторов с использованием тестовых пучков частиц. Разработан комплекс программ для детального описания геометрии и моделирования детектора LHCb, алгоритмов восстановления и калибровки калориметрической системы, программ идентификации заряженных и нейтральных частиц и программ наглядного дружественного физического анализа [75-77,81-84,94,95].

3. Разработаны методика, алгоритмы и программы восстановления и идентификации фотонов и 7г°-мезонов для установки LHCb с использованием комбинированной информации с детекторов Spd, Prs и электромагнитного калориметра, причем восстанавливаются как фотоны, достигающие детектора Spd, так к фотоны, конвертированные в материале детектора после магнита. Для 7г°-мезонов высокая эффективность восстановления и реконструкции получена как для 7г°-мезонов малых и средних энергий, восстанавливаемых из двух одиночных фотонов, так и для высокоэнергетичных "слипшихся" 7г°-мезонов [92]. Разработаны методика, алгоритмы и программы восстановления и идентификации электронов для установки LHCb с использованием комбинированной информации с детекторов Spd, Prs, электромагнитного и адронного калориметров. Для электронов достигающих калориметрическую систему получена высокая эффективность идентификации ~ 95% при вероятности ложной идентификации пиона ~ 0.7% [93].

4. Разработана методика оптимизации критериев отбора сигнальных событий в условиях ограниченности доступных образцов фоновых событий [4,5,7]. На основе разработанной методики оптимизации найдены оптимальные критерии отбора сигнальных событий для радиационных пингвинных распадов ВЦ —> К*°7 и В° —> фу, и глюонных пингвинных распадов ВЦ —> фК% и В° —> фф, позволяющие провести эффективное разделение сигнальных и фоновых событий [4-7].

5. Определены методом Монте-Карло эффективности триггера, восстановления, отбора и разрешения по инвариантной массе и собственному времени жизни для сигнальных событий [4-7]. Оценены годовые выходы сигнальных событий для радиационных пингвинных распадов ВЦ —> К*°7 и В° —► фу, и глюонных пингвинных распадов ВЦ —► фК$ и —► фф [4-7]. Получены оценки на отношение уровня фона к сигналу для радиационных пингвинных распадов ВЦ —► К*°7 и В° —> фу, и глюонных пингвинных распадов ВЦ —> фК$ и В° -> фф [4-7].

6. Приведено сравнение ожидаемых годовых выходов радиационных пингвинных распадов В[} —» К*°7 и В° —»• (fry и глюонных пингвин-ных распадов В^ —»• фК$ и В® фф с существующими образцами данных.

1. Вагзик, I. Ве1уаеу, А. Со1ийут апс

2. Рпуз.В 245, 396 (1984) [25] А.Л. Вигаз апа К. РЫзЬег, т "Неауу Р1ауоигз II", еа. А.Л. Вигаз М. Ьтапег, Зт§ароге \Уогк1 ЗаепШс (1998) 136