Поиск Кабиббо-подавленных распадов 0b-бариона в эксперименте LHC
Введение
1 Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере . . .
1.1 Большойадронныйколлайдер
1.2 СпектрометрLHCb
1.3 Трековаясистема
1.3.1 Вершинныйдетектор
1.3.2 Дипольныймагнит
1.3.3 Трековыестанции
1.4 Детекторыколецчеренковскогоизлучения . . . . . . . . . . . .
1.5 Калориметрическаясистема
1.5.1 Сцинтилляционно-падовый и предливневый детекторы .
1.5.2 Электромагнитныйкалориметр
1.5.3 Адронныйкалориметр
1.6 Мюоннаясистема
1.7 Триггернаясистема
1.8 Условияобработкиихраненияданных
1.9 Математическоемоделированиеданных. . . . . . . . . . . . . .
1.10 Физическая программа эксперимента LHCb. . . . . . . . . . . .
2 Изучениераспада 0 → (2 ) −
2.1 Отборсигнальныхсобытий
2.2 Модельаппроксимации
2.3 Определениечисласигнальныхсобытий . . . . . . . . . .
2.4 Изучение резонансной структуры в распаде 0 → (2 ) −
2.5 Оценка эффективностей восстановления распадов . . . . .
2.5.1 Коррекция математического моделирования . . . .
2.5.2 Эффективность геометрического аксептанса детектора .
2.5.3 Эффективность детектирования, реконструкции и
отборасобытий
2.5.4 Эффективность триггерной системы . . . . . . . . . . .
2.5.5 Эффективность идентификации адронов . . . . . . . . .
. .
. .
3
2.5.6 Поправки к эффективности восстановления треков . . .
2.5.7 Отношениеэффективностей
2.6 Систематическиепогрешности
2.7 Измерениеотношенияпарциальныхширин . . . . . . . . . . . .
3 Изучениераспада 0 → 1 −
3.1 Отборсигнальныхсобытий
3.2 Модельаппроксимации
3.3 Определениечисласигнальныхсобытий . . . . . . . .
3.4 Изучение резонансной структуры в распаде 0 → 1 −
3.5 Оценка эффективностей восстановления распадов . . .
3.5.1 Коррекция математического моделирования . .
3.5.2 Эффективность геометрического аксептанса детектора .
3.5.3 Эффективность детектирования, реконструкции и
отборасобытий
3.5.4 Эффективность триггерной системы . . . . . . . . . . .
3.5.5 Поправки к эффективности восстановления треков . . .
3.5.6 Отношениеэффективностей
3.6 Систематическиепогрешности
3.7 Измерениеотношенияпарциальныхширин . . . . . . . . . . . .
Заключение
Благодарности
Списокрисунков
Списоктаблиц
Списоклитературы
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, сфор
мулированы цели и задачи исследований, показаны новизна и практическая
значимость работы, приведено краткое описание содержания диссертации.
В первой Главе представлено краткое описание Большого адронного
коллайдера и детекторного комплекса LHCb, перечислены ключевые системы
детектора, описано их устройство и характеристики, перечислено программное
обеспечение, использованное для математического моделирования эксперимен
тальных данных, а также представлены условия обработки и хранения данных.
Спектрометр LHCb предназначен для поиска проявлений физики за
рамками СМ, косвенные свидетельства которой могут быть получены при
изучении нарушения CP-симметрии в распадах частиц, содержащих – и
-кварки. Также ведутся исследования по таким направлениям как измерение
углов треугольника унитарности, поиск редких распадов прелестных адронов,
изучение свойств тяжелых адронов и поиск новых частиц. Детектор LHCb
сконструирован для работы в передней области от точки столкновения прото
нов на Большом адронном коллайдере, угловой аксептанс детектора составляет
от 10 до 300 мрад (250 мрад) в горизонтальной (вертикальной) плоскости.
При такой геометрии в рабочую область детектора попадает около 40 % всех
рожденных в протон-протонных столкновениях частиц, содержащих тяжелые
– и -кварки. Для восстановления и идентификации частиц в результате
протон-протонных взаимодействий детектор LHCb включает в себя несколько
специализированных подсистем. Система реконструкции треков включает в
себя вершинный детектор, который расположен вокруг точки столкновения
протонов, и трековые станции, расположенные перед и за дипольным магнитом.
Идентификация заряженных частиц обеспечивается двумя детекторами колец
черенковского излучения RICH, а также информацией от калориметрической
и мюонной систем. Калориметрическая система состоит из сцинтилляционно
падового и предливневого детекторов, а также электромагнитного и адронного
калориметров. Система калориметров используется для реконструкции и
идентификации фотонов и электронов. Мюонная система состоит из пяти
слоев мюонных камер: одна станция перед калориметрической системой и
четыре станции после нее. В эксперименте LHCb применяется триггерная
система, осуществляющая предварительный отбор событий с целью сниже
ния потока данных при сохранении наиболее интересных для физического
анализа событий. Триггерная система состоит из одного аппаратного и двух
программируемых уровней. Для отбора событий, представляющих интерес
для дальнейшего физического анализа, в работе каждого уровня триггерной
системы используется информация от нескольких подсистем детектора.
Вершинный детектор обеспечивает точное измерение траектории дви
жения заряженных частиц в области протон-протонных взаимодействий. С
высокой точностью определяется положение точки взаимодействия протонов
(первичной вершины), положение вершин распадов тяжелых адронов (вто
ричных вершин), а также прицельные параметры заряженных частиц по
отношению к первичным вершинам. В дополнение к вершинному детектору
информация о траектории частиц до и после магнита собирается от системы
трековых станций, которая состоит из триггерного трекера и трех трековых
станций. При этом в конструкции трековых станций предусмотрена различная
сегментация в зависимости от расстояния до оси пучков протонов.
С использованием комбинированной информации от двух детекто
ров колец черенковского излучения, калориметрической и мюонной систем
осуществляется идентификация протонов, мюонов, каонов, нейтральных и
заряженных пионов, электронов и фотонов. Для идентификации заряженных
адронов в различных диапазонах импульсов используется два детектора
колец черенковского излучения RICH. Для каонов с импульсами в интервале
2 – 100 ГэВ/ усредненная эффективность идентификации составляет около
95 % при вероятности ложной идентификации пионов как каонов около 10 %.
Для эффективности идентификации протонов такое значение составляет около
90 % при вероятности ложной идентификации пионов как протонов менее 10 %.
Калориметрическая система эксперимента LHCb используется как для
регистрации и определения кинематических параметров электронов и ней
тральных частиц, так и для разделения фотонов, электронов и адронов. Кроме
того, аппаратный уровень триггера использует информацию от калориметри
ческой системы для определения наличия фотонов, электронов или адронов с
большим поперечным импульсом. Сцинтилляционно-падовый и предливневый
детекторы представляют собой два сцинтилляционных годоскопа, которые раз
делены слоем свинцового поглотителя. Электромагнитный калориметр ECAL
собран из независимых модулей, выполненных по технологии «шашлык».
Каждый модуль состоит из чередующихся слоев сцинтиллятора и свинцового
поглотителя. Адронный калориметр HCAL расположен сразу после электро
магнитного калориметра и изготовлен из чередующихся слоев сцинтиллятора
и железного поглотителя. В каждом устройстве калориметрической систе
мы сцинтилляционный свет собирается спектросмещающими оптическими
волокнами и считывается фотоэлектронными умножителями. Различие в
количестве выделяемой энергии в разных устройствах калориметрической
системы обеспечивает разделение между фотонами, электронами и адронами.
Энергетическое разрешение калориметров ECAL и HCAL составляет:
⃒⃒(8,5 ÷ 9,5) % ⃒⃒(69 ± 5) %
=√⊕ 0,8 %,=√⊕ (9 ± 2) %,
⃒⃒
где энергия измеряется в ГэВ.
Основными задачами мюонной системы являются идентификация мю
онов и быстрое измерение поперечного импульса мюонов, информация о
котором используется в аппаратном уровне триггера. Мюонная система вклю
чает в себя пять мюонных станций, первая из которых расположена между
детектором RICH2 и калориметрической системой, остальные четыре станции
расположены после калориметрической системы и разделены между собой
слоями железного поглотителя. Эффективность идентификации мюонов со
ставляет более 97 % в широком интервале импульсов, при вероятности ложной
идентификации пионов или каонов как мюонов около 2 %.
В конце первой Главы приводится описание триггерной системы
эксперимента, а также условия обработки и хранения экспериментальных
данных, перечисляются алгоритмы программного обеспечения, используемого
для математического моделирования данных.
Во второй Главе описывается поиск и исследование нового Ка
биббо-подавленного распада 0 → (2 ) − , а также измерение отношения
парциальных ширин распадов 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − . В экспери
менте LHCb предыдущие исследования различных распадов 0 барионов,
близких по топологии и кинематике к распаду 0 → (2 ) − , оказались очень
плодотворными. К примеру, при исследовании канала 0 → / − было
получено первое наблюдение резонансных структур в системе / , соответ
ствующих модели экзотических пентакварковых состояний. В исследованиях
Кабиббо-подавленного распада 0 → / − было получено свидетельство
существования подобных резонансных структур в системе / , а также
свидетельство наличия вклада от тетракваркового резонанса в системе / − .
Несмотря на то, что 0 барион был открыт около тридцати лет назад, большая
часть его распадов остается неизвестной, поэтому поиск новых распадов
остается важной задачей экспериментальной физики высоких энергий. Эти
факторы в совокупности с выдающимися техническими характеристика
ми экспериментальной установки подчеркивают, что поиск новых распадов
0 барионов в эксперименте LHCb является не только интересной, но и
многообещающей задачей.
Поиск нового распада 0 бариона был выполнен с использованием дан
ных, набранных экспериментом LHCb в протон-протонных столкновениях при
энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответствующих интеграль
ным светимостям 1, 2 и 1,9 фб−1 . Распады 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) −
реконструировались с использованием моды (2 ) → + − . Отбор событий
производился при помощи наложения ограничений на переменные идентифи
кации частиц в конечном состоянии, а также на различные геометрические
и кинематические параметры элементов реконструированного дерева рас
пада 0 кандидата. В анализе использовались только события, прошедшие
отбор на уровне триггерной системы, благодаря наличию в них сигнального
(2 ) кандидата. В целях уменьшения систематической погрешности при
измерении отношения парциальных ширин критерии отбора были выбраны
максимально близкими для двух распадов.
В разделах 2-4 второй Главы описаны методы обнаружения исследу
емых распадов, показаны наблюдаемые сигналы и их основные характеристики.
Также проверялось наличие вклада от промежуточных резонансных состояний
в канале 0 → (2 ) − .
На рис. 1 представлены распределения инвариантной массы отобранных
0 кандидатов в каналах 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − . Число событий
определялось в результате аппроксимации распределений массы 0 кандида
тов небинированным методом максимального правдоподобия. Сигнальные
Кандидаты/5 МэВ/ 2
Кандидаты/2 МэВ/ 2
60200
0 → (2 ) −180 0 → (2 ) −
50комб. фон(а)160комб. фон(б)
подгонкаподгонка
40LHCb140LHCb
4,9 фб−11204,9 фб−1
30100
40
00
5.65.655.65.65
(2 ) − , ГэВ/ 2 (2 ) − , ГэВ/ 2
Рис. 1 — Распределение инвариантной массы отобранных 0 кандидатов в
каналах 0 → (2 ) − (а) и 0 → (2 ) − (б)
компоненты описывались модифицированной функцией Гаусса, фоновые ком
поненты — полиномиальными функциями. Количество сигнальных событий
составило 121 ± 13 и 806 ± 29 в каналах 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − ,
соответственно [1, 2]. Статистическая значимость наблюдаемого сигнала в
канале 0 → (2 ) − составила более 14 стандартных отклонений.
На рис. 2 представлены распределения инвариантной массы комбина
ций (2 ) , (2 ) − и − в канале 0 → (2 ) − . При получении данных
математического моделирования не были учтены возможные промежуточные
резонансы в указанных двухчастичных системах. Распределения эксперимен
тальных данных и данных математического моделирования согласовались
в рамках статистических неопределенностей, таким образом, при данном
количестве событий не было обнаружено вклада от резонансных состояний.
В пятом и шестом разделах второй Главы описывается вы
числение эффективностей восстановления исследуемых распадов, а также
исследование систематических неопределенностей измерения отношения пар
циальных ширин. Полная эффективность восстановления распада включает в
себя геометрическую эффективность детектора, эффективность реконструк
ции и отбора событий, эффективность триггера, а также эффективность
идентификации заряженных адронов и поправку к эффективности рекон
струкции треков. Эффективность идентификации заряженных адронов и
0 /50 МэВ/ 2
0 /50 МэВ/ 2
0 /50 МэВ/ 2
404040
353535
LHCb(а)30
LHCb(б)30
LHCb(в)
254,9 фб−1254,9 фб−1254,9 фб−1
202020
151515
101010
000
4.855.25.444.24.44.61.21.41.61.8
(2 ) , ГэВ/ (2 ) − , ГэВ/ − , ГэВ/ 2
Рис. 2 — Распределения инвариантной массы комбинаций (2 ) (а),
(2 ) − (б) и − (в) в распаде 0 → (2 ) − . Точками с погрешностя
ми представлены распределения экспериментальных данных, полученные
с помощью техники вычитания контрольных интервалов, синей линией —
распределения данных математического моделирования
поправки к эффективности реконструкции треков вычислялись с использо
ванием калибровочных данных. Остальные эффективности определялись с
помощью данных математического моделирования. Расчеты эффективностей
выполнялись по отдельности для каждого периода набора данных, после
чего эффективности усреднялись с учетом статистики, набранной за каждый
период. Отношение полных эффективностей составило:
0 → (2 ) −
= 0,761 ± 0,004 ,
0 → (2 ) −
где 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − — полные эффективности восстановления рас
падов 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − , соответственно. Для отношения
полных эффективностей указана только статистическая погрешность.
Большинство систематических погрешностей сократились при вы
числении отношений парциальных ширин, а именно, неопределенности,
обусловленные идентификацией мюонов и реконструкцией (2 ) мезонов.
Исследованы несокращающиеся вклады в систематическую неопределенность,
связанные с выбором модели аппроксимации распределений массы отобранных
кандидатов, коррекцией образцов математического моделирования, эффектив
ностью триггерной системы, остаточным согласием данных математического
моделирования и экспериментальных данных, а также ограниченностью объ
ема калибровочных данных и данных математического моделирования [3].
Итоговая относительная систематическая погрешность измерения отношения
парциальных ширин распадов 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − состави
ла 1,7 %. Наибольший вклад в систематическую неопределенность обусловлен
погрешностью значения эффективности триггерной системы.
В последнем разделе второй Главы представлены результаты
физического анализа [2]. Был обнаружен новый Кабиббо-подавленный рас
пад 0 → (2 ) − . Измерено отношение парциальных ширин распадов
0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − :
ℬ( 0 → (2 ) − )
0−
= (11,4 ± 1,3 ± 0,2) × 10−2 ,
ℬ( → (2 ) )
где первая погрешность — статистическая, вторая — систематическая. Получен
ный результат оказался в согласии с предыдущими измерениями аналогичных
отношений парциальных ширин распадов прелестных адронов. Абсолютное
значение парциальной ширины распада 0 → (2 ) − было вычислено с
использованием парциальной ширины распада 0 → (2 ) − , взятой из
справочника свойств элементарных частиц, и составило:
(︁)︁
−+1,30
ℬ( 0 → (2 ) ) = 7,17 ± 0,82 ±0,33−1,03× 10−6 ,
(︀
где первая погрешность — статистическая, вторая — систематическая включая
статистическую и систематическую неопределенности табличного значения
ℬ( 0 → (2 ) − ) , а третья погрешность связана с погрешностями таблич
)︀
ных значений парциальных ширин распадов 0 → / − , (2 ) → / + − ,
(2 ) → + − и / → + − . Кроме того, были исследованы спектры
масс (2 ) , (2 ) − и − комбинаций в распаде 0 → (2 ) − . На данной
статистике не было обнаружено значительных вкладов от промежуточных
резонансных состояний.
В третьей Главе описывается поиск и исследование новых Ка
биббо-подавленных распадов 0 → 1 − и 0 → 2 − , а также измерение
отношения парциальных ширин распадов 0 → 1 − и 0 → 1 − . Кро
ме того, описываются вычисления двух отношений парциальных ширин:
между распадами 0 → 2 − и 0 → 1 − , а также между распадами
0 → 2 − и 0 → 1 − . Высокая энергия протон-протонных столкнове
ний на Большом адронном коллайдере позволяет изучать широкий спектр
адронов, содержащих -кварки, включая тяжелые 0 барионы. За последние
несколько лет экспериментом LHCb были обнаружены как новые состояния
тяжелых -барионов, так и новые распады известных прелестных барио
нов, а также измерены их парциальные ширины. В частности, в распадах
0 → / − были обнаружены структуры в системе / , соответствующие
модели пентакварковых состояний. После этого открытия были предложены
различные феноменологические модели для описания наблюдаемых резо
нансных структур, а поиск аналогичных состояний в системе 1 может
способствовать подтверждению или опровержению резонансной природы
наблюдаемых структур. Первый шаг в исследовании по данному направле
нию был сделан экспериментом LHCb в работе по обнаружению распадов
0 → 1 − и 0 → 2 − и измерению отношений парциальных ширин
между этими распадами. Исследование распада 0 → 1 − открывает доступ
как к исследованию системы 1 , представляющей интерес с точки зрения
возможного вклада от пентакварковых состояний, так и к исследованию
системы 1 − , в которой предсказывается существование экзотических тет
ракварковых состояний.
Измерения отношений парциальных ширин распадов → 2 (*)
и → 1 (*) показывают значительное подавление моды распада через 2 ме
зон по сравнению с аналогичным распадом через 1 мезон. Данные результаты
согласуются с предсказанием теоретических моделей, при этом подавление ста
новится менее явным в случае, когда увеличивается число частиц в конечном
состоянии. Например, в эксперименте LHCb было измерено отношение пар
циальных ширин ℬ 0 → 2 *0 /ℬ 0 → 1 *0 = (17,1 ± 5,4) × 10−2 .
(︀)︀ (︀)︀
Измеренное в эксперименте LHCb отношение парциальных ширин между
распадами 0 → 2 − и 0 → 1 − составило 1,02 ± 0,11, что показы
вает практически полное отсутствие подавления моды через 2 мезон по
сравнению с распадом через 1 мезон. Такой результат является аргументом
в пользу развития теоретических моделей для описания распадов 0 барионов,
содержащих чармоний в конечном состоянии, чему будет способствовать
измерение аналогичных отношений парциальных ширин между распадами
0 → 2 − и 0 → 1 − .
Поиск новых распадов 0 бариона был выполнен с использованием
данных, набранных экспериментом LHCb в протон-протонных столкновениях
при энергии в системе центра масс 13 ТэВ и соответствующих интеграль
ной светимости 6 фб−1 . Распады 0 → 1 − , 0 → 2 − , 0 → 1 − и
0 → 2 − реконструировались с использованием распадов 1 и 2 ме
зонов в конечное состояние / , а / мезоны восстанавливались по моде
распада / → + − . Отбор событий производился при помощи наложения
ограничений на переменные идентификации частиц в конечном состоянии, а
также на различные геометрические и кинематические параметры элементов
реконструированного дерева распада 0 кандидата. В анализе использовались
только события, прошедшие отбор на уровне триггерной системы, благодаря
наличию в них сигнального / кандидата. В целях уменьшения систематичес
ких погрешностей при измерении отношений парциальных ширин критерии
отбора были выбраны максимально близкими для исследуемых распадов.
В разделах 2-4 третьей Главы описаны методы обнаружения
исследуемых распадов, показаны наблюдаемые сигналы и их основные характе
ристики. Также проверялось наличие вклада от промежуточных резонансных
состояний в канале 0 → 1 − .
На рис. 3 представлены распределения инвариантной массы отобранных
кандидатов в исследуемых каналах. При вычислении значения массы 0 кан
дидатов применялось условие: масса комбинации / равняется номинальной
массе 1 мезона. Поэтому пик со средним значением вблизи номинальной
массы 0 бариона соответствует распаду через 1 резонанс, в то время как
пик от распада через 2 резонанс сдвинут в область меньшего значения
массы. На рис. 3 (б) также виден широкий пик в левой части спектра, он
соответствует частично реконструированным распадам 0 бариона, таким как
0 → (2 ) − с последующими распадами (2 ) → / , (2 ) → /
или (2 ) → ( 1 → / ) . Число сигнальных событий определялось в ре
зультате аппроксимации распределений массы 0 кандидатов небинированным
методом максимального правдоподобия. Сигнальные компоненты описывались
Кандидаты/5 МэВ/ 2
Кандидаты/2 МэВ/ 2
601400
0 → 1 − 0 → 1 −
50 0 → 2 −(а)1200 0 → 2 −(б)
комб. фон
подгонка1000 0 → (2 ) −
40LHCbкомб. фонLHCb
6 фб−1800
подгонка6 фб−1
400
10200
5.45.55.65.75.85.35.45.55.65.75.8
/ − , ГэВ/ / − , ГэВ/ 2
Рис. 3 — Распределение инвариантной массы отобранных 0 кандида
тов в распадах 0 → 1 − и 0 → 2 − (а) и распадах 0 → 1 −
и 0 → 2 − (б)
суммой двух модифицированных функций Гаусса, фоновые компоненты —
полиномиальными функциями. Вклад от частично реконструированных распа
дов 0 → (2 ) − описывался функцией Гаусса. Количество сигнальных
событий в распадах 0 → 1 − и 0 → 2 − составило 105 ± 16 и 51 ± 16, а
статистическая значимость наблюдаемых сигналов — 9,6 и 3,8 стандартных от
клонений, соответственно. Число сигнальных событий в распадах 0 → 1 −
и 0 → 2 − составило 3133 ± 75 и 1766 ± 71, соответственно.
На рис. 4 представлены распределения инвариантной массы комби
наций 1 , 1 − и − в канале 0 → 1 − . При получении данных
математического моделирования не были учтены возможные промежуточные
резонансы в указанных двухчастичных системах. Распределения эксперимен
тальных данных и данных математического моделирования согласовались
в рамках статистических неопределенностей, таким образом, при данном
количестве событий не было обнаружено вклада от резонансных состояний.
В пятом и шестом разделах третьей Главы описывается вы
числение эффективностей восстановления исследуемых распадов, а также
исследование систематических неопределенностей измерения отношения пар
циальных ширин. Полная эффективность восстановления распада включает в
себя геометрическую эффективность детектора, эффективность реконструк
ции и отбора событий, эффективность триггера, а также эффективность
0 /100 МэВ/ 2
0 /100 МэВ/ 2
0 /100 МэВ/ 2
505050
40LHCb(а)40LHCb(б)40LHCb(в)
6 фб−130
6 фб−130
6 фб−1
202020
101010
4.555.544.51.52
1 , ГэВ/ 2 1 − , ГэВ/ 2 − , ГэВ/ 2
Рис. 4 — Распределения инвариантной массы комбинаций 1 (а), 1 − (б)
и − (в) в распаде 0 → 1 − . Точками с погрешностями представлены
распределения экспериментальных данных, синей линией — распределения
данных математического моделирования
идентификации заряженных адронов и поправку к эффективности рекон
струкции треков. Эффективность идентификации заряженных адронов и
поправки к эффективности реконструкции треков вычислялись с использо
ванием калибровочных данных. Остальные эффективности определялись с
помощью данных математического моделирования. Расчеты эффективностей
выполнялись по отдельности для каждого периода набора данных, после
чего эффективности усреднялись с учетом статистики, набранной за каждый
период. Отношение полных эффективностей составило:
0 → 1 −
= 1,969 ± 0,008 ,
0 → 1 −
0 → 2 −
= 1,088 ± 0,007 ,
0 → 1 −
0 → 2 −
= 1,043 ± 0,007 ,
0 → 1 −
где — полная эффективность восстановления соответствующего распада.
Для отношений полных эффективностей указана только статистическая
погрешность.
Большинство систематических погрешностей сократились при вы
числении отношений парциальных ширин, а именно, неопределенности,
обусловленные идентификацией и восстановлением фотонов, а также
идентификацией мюонов и реконструкцией (2 ) мезонов. Исследованы
несокращающиеся вклады в систематическую неопределенность, связанные с
выбором модели аппроксимации распределений массы 0 кандидатов, коррек
цией образцов математического моделирования, эффективностью триггерной
системы, остаточным согласием данных математического моделирования и
экспериментальных данных, а также ограниченностью объема калибровочных
данных и данных математического моделирования. Итоговая относительная
систематическая погрешность измерения отношения парциальных ширин распа
дов 0 → 1 − и 0 → 1 − составила 3,3 %, для отношения парциальных
ширин распадов 0 → 2 − и 0 → 1 − погрешность составила 3,8 %, и
для отношения парциальных ширин распадов 0 → 2 − и 0 → 1 −
погрешность составила 3,8 %. Наибольший вклад в систематическую по
грешность обусловлен выбором модели аппроксимации распределений массы
отобранных 0 кандидатов. Значимость наблюдения распада 0 → 2 −
была оценена с учетом систематической неопределенности и составила 3,5 стан
дартных отклонения.
В последнем разделе третьей Главы представлены результаты
физического анализа [4]. Был обнаружен новый Кабиббо-подавленный распад
0 → 1 − . Также было получено первое свидетельство распада 0 → 2 − ,
сигнал от которого наблюдался со значимостью 3,5 стандартных отклонения.
Были измерены следующие отношения парциальных ширин:
ℬ 0 → 1 −
(︀)︀
0−
= (6,59 ± 1,01 ± 0,22) × 10−2 ,
ℬ ( → 1 )
ℬ 0 → 2 −
(︀)︀
= 0,95 ± 0,30 ± 0,04 ± 0,04,
ℬ ( 0 → 1 − )
ℬ 0 → 2 −
(︀)︀
= 1,06 ± 0,05 ± 0,04 ± 0,04,
ℬ ( 0 → 1 − )
где первая погрешность — статистическая, вторая — систематическая, а третья
погрешность связана с неопределенностью табличных значений парциальных
ширин распадов 1 → / и 2 → / . Полученный результат отноше
ния парциальных ширин распадов 0 → 1 − и 0 → 1 − оказался в
согласии с предыдущими измерениями аналогичных отношений парциальных
ширин распадов прелестных адронов. Результат отношения парциальных
ширин распадов 0 → 2 − и 0 → 1 − оказался в согласии с преды
дущим измерением в эксперименте LHCb. При этом новый результат имеет
лучшую точность и получен с использованием набора данных, статистичес
ки независимого по отношению к набору данных, использовавшемуся для
предыдущего измерения. Измеренное отношение парциальных ширин между
распадами 0 → 2 − и 0 → 1 − согласуется с предыдущим аналогич
ным измерением. Кроме того, это отношение, как и отношение ширин между
распадами 0 → 2 − и 0 → 1 − , показывает отсутствие подавления
моды распада через 2 мезон по сравнению с модой через 1 мезон, что
является дополнительным аргументом в пользу разработки теоретических
моделей для распадов 0 барионов с чармонием в конечном состоянии. Также
были исследованы спектры масс 1 , 1 − и − комбинаций в канале
0 → 1 − . На данной статистике не было обнаружено значительных вкла
дов от промежуточных резонансных состояний.
В Заключении кратко перечислены основные результаты работы,
которые сводятся к следующему:
– разработан метод восстановления и отбора распадов 0 → (2 ) − и
0 → (2 ) − с использованием распада (2 ) → + − ;
– впервые обнаружен распад 0 → (2 ) − . Измерено отношение пар
циальной ширины распада 0 → (2 ) − к парциальной ширине
нормировочного канала 0 → (2 ) − . Результат находится в согла
сии с аналогичными измерениями отношений парциальных ширин в
распадах прелестных адронов;
– разработан метод восстановления и отбора распадов 0 → 1 − ,
0 → 2 − , 0 → 1 − и 0 → 2 − с использованием распадов
1 → / , 2 → / и / → + − ;
– впервые обнаружен распад 0 → 1 − . Измерено отношение пар
циальной ширины распада 0 → 1 − к парциальной ширине
нормировочного канала 0 → 1 − . Результат находится в согла
сии с аналогичными измерениями отношений парциальных ширин в
распадах прелестных адронов;
– получено первое свидетельство существования распада 0 → 2 − .
Измерено отношение парциальных ширин между распадами
0 → 2 − и 0 → 1 − ;
– с точностью, превышающей точность предыдущего измерения, по
лучено отношение парциальных ширин распадов 0 → 2 − и
0 → 1 − .
Стандартная модель (СМ) — это фундаментальная теория, в рамках которой удалось объединить три типа фундаментальных сил: электромагнит ное, слабое и сильное взаимодействия (не включая гравитационное), а также классифицировать все известные элементарные частицы [1]. Теория была раз работана во второй половине двадцатого века, а нынешняя формулировка была завершена в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков. К успехам СМ можно отнести подтверждение суще ствования -кварка [2,3], экспериментальное обнаружение -нейтрино [4] и открытие бозона Хиггса [5, 6]. Кроме того, СМ позволяет предсказать с боль шой точностью ряд измеряемых физических параметров, включая свойства нейтральных токов и параметры ± и 0 бозонов. Несмотря на несомненный успех теории, существует ряд вопросов, на которые нет ответа в рамках СМ: столь сильное различие масс фермионов, число поколений частиц материи, значительное отличие энергетических масштабов различных фундаментальных взаимодействий и др. Кроме того, есть ряд экспериментальных сведений, ука зывающих на существование физики за пределами СМ. Например, открытие осцилляций нейтрино, асимметрия материи и антиматерии во Вселенной, а так же полученные из космологических наблюдений проблемы темной материи и темной энергии. Для разрешения некоторых проблем СМ были предложены различные расширения СМ, к примеру, теории Великого объединения, супер симметричные расширения СМ, а также новые, более общие теории, такие как теория струн, М-теория и др. В рамках таких теорий предсказывается существование новых массивных частиц, которые могут быть обнаружены в экспериментах на Большом адронном коллайдере в протон-протонных столкно вениях при больших энергиях. Поиск новых частиц ведется как прямым, так и косвенным образом. Для этого проводятся прецизионные измерения различ ных параметров СМ, отклонение которых от теоретических предсказаний будет свидетельствовать о существовании новых частиц. Однако, несмотря на широ кий спектр проведенных на данный момент исследований, не было получено достоверных результатов, подтверждающих или исключающих ту или иную теорию за рамками СМ. Поэтому поиск явлений, не поддающихся объяснению в СМ, является важнейшей задачей современной физики высоких энергий. Од ним из передовых методов поиска физики за пределами СМ является изучение распадов адронов, содержащих -кварк. Исследования в данном направлении проводятся в экспериментах на Большом адронном коллайдере, а также в ряде экспериментов, таких как Belle II и BESIII, которые работают на электрон-пози тронных коллайдерах.
Актуальность темы диссертации
Распады прелестных барионов изучаются как для понимания динами ки процессов с участием тяжелых кварков, так и для поиска физики за пределами СМ. Уточнение параметров прелестных барионов, таких как соб ственное время жизни, масса и парциальные ширины распадов, способствует проверке эффективной теории тяжелых кварков [7]. Прелестный 0 барион представляет собой основное состояние тяжелого -кварка и двух легких – и -кварков. Первое свидетельство существования 0 бариона было получено около тридцати лет назад, однако до сих пор известна лишь небольшая часть, около 20%, его распадов. Поэтому поиск новых распадов 0 бариона остает ся важной задачей современной физики высоких энергий. Рекордно высокая энергия протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере обуславливает высокое сечение рождения широкого спектра прелестных адро нов, включая тяжелые 0 барионы. Детекторный комплекс LHCb на Большом адронном коллайдере является передним спектрометром, конструкция которого была разработана специально для исследования прелестных частиц. Детектор LHCb имеет превосходные характеристики триггерной и трековой систем, а также системы идентификации адронов, что обуславливает отличное разреше ние по массе и высокую эффективность отбора событий с распадами частиц, содержащих -кварки. За время работы эксперимента LHCb было опубликова но более двадцати работ с результатами исследований прелестных барионов. К примеру, в распадах 0 → / − впервые было получено наблюдение экзотических резонансных состояний в системе / , соответствующих моде ли пентакварков [8–11]. Кроме того, с помощью распада 0 → / − было измерено собственное время жизни 0 бариона с наилучшей мировой точ ностью [12]. С использованием Кабиббо-подавленного распада 0 → / −
удалось получить свидетельство существования подобных резонансных струк тур в системе / , а также свидетельство наличия вклада от тетракваркового резонанса в системе / − [13]. С использованием распада 0 → (2 ) − была измерена масса 0 бариона с наилучшей мировой точностью [14]. При исследовании распада 0 → 1(3872) − была впервые измерена ширина эк зотического состояния 1(3872) [15]. Таким образом, поиск и исследование распадов 0 барионов в эксперименте LHCb является не только интересной, но и перспективной задачей.
Цели и задачи исследования
К задачам исследования относится разработка методов обработки физи ческих данных, набранных экспериментом LHCb в период с 2011 по 2018 гг. Работа включает в себя два связанных между собой анализа эксперименталь ных данных по поиску и изучению новых распадов 0 барионов в конечные состояния, содержащие чармоний. В работе использовались данные, набранные детектором LHCb в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответствующие интегральной светимости 1, 2 и 6 фб−1, соответственно.
В диссертационной работе представлена процедура поиска нового распада 0 → (2 ) − и измерение его парциальной ширины относительно норми ровочного канала 0 → (2 ) −. Второй анализ посвящен поиску новых распадов 0 → 1 − и 0 → 2 − и измерению отношения парциальной ши рины распада 0 → 1 − к ширине нормировочного канала 0 → 1 −. Кроме того, описана процедура измерения двух отношений парциальных ши рин: между распадами 0 → 2 − и 0 → 1 −, а также между распадами 0 → 2 − и 0 → 1 −. В ходе исследования было проверено наличие вклада от промежуточных резонансных состояний в распадах 0 → (2 ) − и 0 → 1 −.
Научная новизна:
– впервые обнаружен распад 0 → (2 ) −, и измерено отношение пар циальной ширины распада 0 → (2 ) − к ширине нормировочного канала 0 → (2 ) −;
– впервые обнаружен распад 0 → 1 −, и измерено отношение пар циальной ширины распада 0 → 1 − к ширине нормировочного канала 0 → 1 −;
– получено первое свидетельство существования распада 0 → 2 −, и измерено отношение парциальной ширины распада 0 → 2 − к ширине распада 0 → 1 −;
– измерено отношение парциальных ширин распадов 0 → 2 − и 0 → 1 − с точностью, превышающей точность предыдущего изме рения.
Практическая полезность
Представленная диссертационная работа выполнена в рамках участия ФГБУ «Институт теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Али ханова НИЦ «Курчатовский институт» в международном содружестве LHCb. Тематика работы соответствует физической программе эксперимента LHCb, а именно исследованию распадов прелестных барионов в конечные состояния, содержащие чармоний. Разработанная в ходе анализа распа дов 0 → − ( = (2 ), 1, 2) методика реконструкции и отбора кандидатов важна для дальнейшего поиска и измерения характеристик Кабиббо-подавленных распадов частиц, содержащих прелестный кварк. Изме рение парциальных ширин таких распадов важно для проверки предсказаний как эффективной теории тяжелых кварков, так и в целом квантовой хромо динамики. Кроме того, распады прелестных частиц с чармонием в конечном состоянии представляют интерес с точки зрения поиска физики за предела ми СМ. Результаты работы по измерению отношения парциальных ширин распадов 0 → (2 ) − и 0 → (2 ) − приведены в таблице свойств элементарных частиц.
Основные положения, выносимые на защиту:
– разработан метод восстановления и отбора распадов 0 → (2 ) − и
0 → (2 ) − с использованием распада (2 )→ + −;
– измерено отношение парциальной ширины распада 0 → (2 ) − к
парциальной ширине нормировочного канала 0 → (2 ) −;
– разработан метод восстановления и отбора распадов 0 → 1 −, 0 → 2 −, 0 → 1 − и 0 → 2 − с использованием распадов 1 → / , 2 → / и / → + −;
– измерено отношение парциальной ширины распада 0 → 1 − к пар циальной ширине нормировочного канала 0 → 1 −;
– измерено отношение парциальных ширин распадов 0 → 2 − и 0 → 1 −;
– измерено отношение парциальных ширин распадов 0 → 2 − и 0 → 1 −.
Достоверность результатов и выводов
Достоверность результатов, полученных в работе, определяется стабильностью работы всех подсистем детекторного комплекса LHCb в пе риод набора данных, использованием в анализе стандартных программных пакетов, а также программных пакетов, разработанных специально для обра ботки физических данных эксперимента LHCb, в том числе современного программного обеспечения для математического моделирования физиче ских процессов методом Монте-Карло. Полученные результаты находятся в согласии с аналогичными измерениями в других экспериментах. Кроме того, достоверность полученных в диссертации результатов и выводов обу словлена многочисленными проверками с использованием компьютерного моделирования физических процессов и экспериментальной установки, а также
дополнительными независимыми исследованиями внутри содружества LHCb и сравнением с теоретическими предсказаниями СМ.
Апробация работы и публикации
Материалы, изложенные в работе, опубликованы в статьях, которые удов летворяют требованиям ВАК:
1. R. Aaij, … , V. Matiunin ., Observation of the decay 0 → 1 −, JHEP 05 (2021) 095;
2. R. Aaij, … , V. Matiunin ., Observation of the decay 0 → (2 ) −, JHEP 08 (2018) 131;
3. V.I. Matiunin, B baryon decays at LHCb, Phys. Part. Nuclei Lett. 16 (2019) 475–480;
4. В.И. Матюнин и др., Поиск новых распадов прелестных барионов в эксперименте LHCb, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон. 2 (2019) 3.
Данные материалы регулярно обсуждались на рабочих совещаниях междуна родного содружества LHCb, представлялись на различных конференциях и
семинарах:
1. Les Rencontres de Physique de la Vall ́ee d’Aoste (LaThuile’2021), (г. Ла Туиль, Италия, 9 – 11 марта 2021 г.);
2. 40th International Conference on High Energy Physics (ICHEP’2020), (г. Прага, Чехия, 28 июля – 6 августа 2020 г.);
3. The XXIV International Workshop High Energy Physics and Quantum Field Theory (QFTHEP’19), (г. Сочи, 22 – 29 сентября 2019 г.);
4. International Workshop on − + collisions from Phi to Psi (PhiPsi’19), (г. Новосибирск, 25 февраля – 1 марта 2019 г.);
5. Hadron Structure and QCD (HSQCD’18), (г. Гатчина, 6-10 августа 2018 г.);
6. Молодежная конференция по теоретической и экспериментальной фи зике ИТЭФ, (г. Москва, 16 – 19 ноября 2020 г.);
7. Молодежная конференция по теоретической и экспериментальной фи зике ИТЭФ, (г. Москва, 26 – 29 ноября 2018 г.);
8. Международная научная конференция студентов, аспирантов и моло дых ученых «Ломоносов-2018», (г. Москва, 9 – 13 апреля 2018 г.).
Результаты работы неоднократно представлялись сотрудниками содружества LHCb на международных конференциях. Исследования отмечены следующи ми наградами:
– премия имени И.В. Курчатова НИЦ «Курчатовский институт» за лучшую работу среди молодых научных сотрудников и инженеров исследователей (г. Москва, 30 ноября 2018 г.);
– диплом по итогам конкурса научно-исследовательских работ НИЦ «Курчатовский институт» – ИТЭФ (г. Москва, 19 марта 2021).
Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных ис следований No 20-32-90166 (Аспиранты).
Личный вклад диссертанта
Автор принимал активное участие в анализе данных эксперимента LHCb. В частности, диссертантом был проведен анализ по поиску новых распадов 0 → (2 ) −, 0 → 1 − и 0 → 2 −. Автор выполнил все ключевые части физического анализа: разработка метода восстановления исследуемых распадов, подготовка данных математического моделирования методом Монте Карло, поиск оптимальных критериев отбора событий, аппроксимация рас пределений массы отобранных кандидатов, исследование наличия вкладов от промежуточных резонансных состояний, вычисление эффективностей отбора с
использованием скорректированных данных математического моделирования, вычисление отношения парциальных ширин с использованием нормировочных каналов и оценка систематических неопределенностей. Кроме того, автор участ вовал в сменных дежурствах по обеспечению функционирования детектора LHCb и набора физических данных.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 101 страницу, включая 26 рисунков и 19 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований.
Текст диссертации организован следующим образом:
– во введении приведено обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, показана новизна и прак тическая значимость работы, приведено краткое описание содержания диссертации;
– в первой главе представлено краткое описание Большого адронного коллайдера и детекторного комплекса LHCb, перечислены ключевые системы детектора, описано их устройство и характеристики, перечис лено программное обеспечение, использованное для математического моделирования экспериментальных данных, а также представлены условия обработки и хранения данных;
– во второй главе представлены исследования по поиску нового Кабиббо-подавленного распада 0 → (2 ) −, описаны методы обна ружения распада, показаны наблюдаемые сигналы. В главе приведены вычисления отношения парциальной ширины изучаемого распада относительно нормировочного канала 0 → (2 ) −. Полученные результаты сравниваются с предыдущими измерениями аналогичных отношений парциальных ширин для распадов прелестных адронов;
– в третьей главе представлены исследования по поиску новых Ка биббо-подавленных распадов 0 → 1 − и 0 → 2 −, описаны методы обнаружения распадов, показаны наблюдаемые сигналы. В
главе приведены вычисления отношения парциальной ширины распада 0 → 1 − относительно нормировочного канала 0 → 1 −. Кро ме того, приведены вычисления двух отношений парциальных ширин: между распадами 0 → 2 − и 0 → 1 −, а также между распада ми 0 → 2 − и 0 → 1 −. Полученные результаты сравниваются с предыдущими измерениями аналогичных отношений парциальных ширин для распадов прелестных адронов;
– в заключении приведены основные результаты диссертационной ра боты.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!