Изучение распадов B0s-мезонов с чармонием и многочастичными адронными состояниями в эксперименте LHCb
Введение
1 Детектор LHCb на Большом адронном коллайдере . . . . . .
1.1 Большойадронныйколлайдер
1.2 УстановкаLHCb
1.3 Трековая система
1.3.1 Вершинный детектор
1.3.2 Дипольныи ̆магнит
1.3.3 Трековыестанции
1.4 Реконструкциятреков
1.5 Системаидентификациичастиц
1.5.1 Система детекторов колец черенковского излучения . . .
1.5.2 Калориметрическаясистема
1.5.3 Системаидентификациимюонов
1.6 Триггернаясистема
1.7 Системахраненияданных
Распараллеливание в задачах анализа физических данных экспериментаLHCb
2.1 Программное обеспечение эксперимента LHCb . . . . . . . . . .
2.2 Стандартные среды обработки данных физического анализа . .
2.2.1 СредаобработкиданныхDaVinci. . . . . . . . . . . . .
2.2.2 СредаобработкиданныхBENDER . . . . . . . . . . . .
2.3 СредадляанализаданныхOSTAP
2.4 Использование распараллеливания в физическом анализе
экспериментаLHCb
2.5 Результатыивыводы
2
Оглавление
Введение
1 Детектор LHCb на Большом адронном коллайдере . . . . . .
1.1 Большойадронныйколлайдер
1.2 УстановкаLHCb
1.3 Трековаясистема
3 ИзучениераспадаB0s→J/ψπ+π−K+K−
3.1 Отборсигнальныхсобытий
3.2 Определение числа сигнальных событий для B0s → χc1(3872)φ и
B0s→ψ(2S)φ распадов
3
3.3 Определение числа сигнальных событий для B0s→χc1(3872)K+K−распадов
3.4 Определение числа сигнальных событий для B0s → J/ψK*0K*0 распада
3.5 Оценка эффективностей восстановления распадов . . . . . . . .
3.5.1 Коррекция данных математического моделирования . .
3.5.2 Эффективность генератора и геометрического аксептансадетектора
3.5.3 Эффективность восстановления и отбора событий . . .
3.5.4 Эффективность триггерной системы . . . . . . . . . .
3.5.5 Эффективность идентификации адронов и поправки к
эффективности восстановления треков . . . . . . . . .
3.5.6 Отношенияполныхэффективностей. . . . . . . . . . .
3.5.7 Полная эффективность для канала B0s → χc1(3872)K+K−
3.6 ИзмерениемассыB0s-мезона
3.7 Исследование спектра масс J/ψφ комбинации в распадах
B0s→J/ψπ+π−φ
3.8 Систематическиенеопределенности
3.8.1 Систематические неопределенности отношения парциальныхширин
3.8.2 Систематические неопределенности измерения массы B0s-мезона
3.8.3 Систематические неопределенности массы и собственной шириныX(4740)-структуры
3.9 Результатыивыводы
Заключение
Благодарности
Списокрисунков
Списоктаблиц
Списоклитературы ………………………..101
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, сфор
мулированы задачи и цели исследований, показана новизна работы, ее
практическая значимость и приведено краткое описание содержания дис
сертации;
В первой Главе изложено краткое описание ускорителя БАК и экспе
римента LHCb. Перечислены ключевые элементы детектора, их устройство
и характеристики.
Установка LHCb является одноплечевым передним спектрометром, пред
назначенным для широкого круга задач. Физическая программа эксперимента
LHCb охватывает изучение таких проблем физики высоких энергий: редкие
распады адронов, содержащих b- и c- кварки, механизм нарушения CP-четно
сти и другие. Детектор LHCb спроектирован таким образом, чтобы наиболее
эффективно и точно реконструировать события от одиночных взаимодей
ствий протонов. Детектор LHCb обеспечивает покрытие в диапазоне от 15
до 300 (250) мрад в горизонтальном (вертикальном) направлении. Такое
угловое покрытие позволяет исследовать события c рождением пар bb̄ – и
cc̄-кварков. В геометрический аксептанс установки LHCb попадает около 40%
всех рожденных частиц, содержащих тяжелые кварки.
Для регистрации и реконструкции различных лептонных, полулептонных
и адронных конечных состояний распадов тяжелых адронов в эксперименте
LHCb используются несколько специализированных поддетекторов. Их можно
условно разделить на трековую систему и систему идентификации частиц.
Трековая система состоит из дипольного магнита, системы VELO – вершинный
детектор, трековых станций на основе полупроводниковой технологии TT и
трековых плоскостей на основе пропорциональных газовых камер (T1–T3).
Она предназначена для определения пространственных координат первичной и
вторичных вершин, а также определения импульса и заряда дочерних частиц.
Система идентификации вторичных частиц отвечает за определение типа
заряженных и нейтральных частиц и состоит из калориметрической системы
(в которую входят сцинтилляционно-падовый детектор SPD, предливниевый
детектор PS, электромагнитный калориметр ECAL и адронный калориметр
HCAL), двух детекторов колец черенковского излучения (RICH1 и RICH2)
и мюонной системы.
Во второй Главе представлено программное обеспечение эксперимента
LHCb, особенности пакетов для анализа физических данных, а также пред
ставлены результаты применения методики распараллеливания в задачах
анализа физических данных эксперимента.
В первых двух разделах второй Главы обсуждается архитектура
и структура программного обеспечения эксперимента LHCb. Архитектура
программного обеспечения эксперимента LHCb спроектирована таким образом,
чтобы иметь возможность гибко изменяться в соответствии с требованиями и
технологическими изменениями в течение всего периода проведения экспери
мента. Реализация основана на программной платформе Gaudi. Основная идея
архитектуры Gaudi заключается в определении наборов инструментов, кото
рые являются общими для большинства приложений обработки данных. Такой
подход позволил построить набор пакетов-приложений, динамически выбирая
наиболее подходящие компоненты для выполнения различных задач. Как пра
вило, программы для финального анализа данных в физике высоких энергий
реализуются на языках C++ и python на базе пакетов Root и pyROOT.
В третьем и четвертом разделах второй Главы приводится опи
сание среды обработки для анализа данных в коллаборациий LHCb и
разработанный интерфейс для распараллеливания задач анализа данных и ре
зультаты его применения. Типовые задачи физического анализа на финальных
стадиях в эксперименте LHCb являются таковыми: подавление комбина
торного фона и выделение сигнального процесса, сравнение характерных
распределений и их параметров между физическими данными и данными
математического моделирования, извлечение интересующих параметров рас
пределений, оценка значимости сигнала и вычисление неопределенностей
получаемых физических результатов. Некоторые из методов решения этих
задач могут быть эффективно распараллелены. Например, подавление фона
и оценки систематических эффектов.
В эксперименте LHCb разработан уникальный программный блок для
анализа данных, который обеспечивает удобное и интуитивно понятное для
пользователя представление интерфейса для программного пакета Root и
pyROOT. Он позволяет осуществлять расширение существующей функциональ
ности и включает в себя основные инструменты, необходимые пользователю
для выполнения анализа. Основными преимуществами усовершенствованной
среды анализа данных являются:
– простые манипуляции с объектами и классами программного обеспече
ния Root и RooFit: гистограммы, деревья, таблицы и т. д.;
– простой и дружественный интерфейс для оборудования пакета
RooFit;
– расширенный набор моделей плотностей распределения вероятности
случайной величины для подпрограммы RooFit;
– интерактивная среда анализа на основе программы RooFit.
Реализованное программное обеспечение так же, как и пакет Root, основано
на объектно-ориентированном подходе. Так же, как и в программе Root,
операции с классами, которые требуют существенного машинного времени,
реализованы на языке C++. Пользовательский интерфейс реализован на
языке python в виде интерфейсов-оберток к существующим С++ классам
и дополнительных классов и функций, требующихся для анализа данных
в физике высоких энергий.
В рамках программных пакетов среды для анализа данных был разрабо
тан удобный интерфейс, позволяющий пользователю распараллеливать любые
типовые задачи по данным [1]. Проверка процедуры ускорения выполнения
задач была проведена для разного числа вычислительных узлов на трех типах
примеров, с ориентировкой на степень использования блока вывода и ввода
данных (I/O) в процессе выполнения задачи:
– задачи фильтрации данных двух типов – максимально задействован
блок вывода и ввода данных;
– задача сборки результатов мультивариативного анализа – степень
загрузки блока вывода и ввода данных – средняя;
– задача упрощенного моделирования – блок вывода и ввода данных
практически не используется.
На рис. 1 показана зависимость коэффициента ускорения выполне
ния задач от количества вычислительных узлов, на которых происходило
распараллеливание.
Высокая производительность программного обеспечения является ключе
вым требованием для быстрого анализа данных. В рамках программной среды
для анализа данных, использующейся в эксперименте LHCb, был разработан
Ускорение выполнения задач
задачафильтрации, тип 1
7задачафильтрации, тип 2
задачаупр. мод.
6задачасборка рез. мульт. ан-з
2
Зависимость близкая к линейной
2468
кол.выч. узлов
Рис. 1 — Ускорение выполнения задач за счет использования модуля parallel в
усовершенствованной среде анализа данных
набор инструментов и интерфейсов, позволяющих применять распаралле
ливание на многоядерных и многопроцессорных системах, что эффективно
сократило время вычисления и проведения анализа данных. Тестирование
разработанного расширения показало практически линейную зависимость вре
мени исполнения задач от количества вычислительных узлов для всех типовых
задач анализа данных. Одним из преимуществ выбранного метода является
возможность распараллеливания на кластере с помощью сетевого протокола
ssh. Для этого был реализован интерфейс, поддерживающий конфигурацию
задач для запуска на выбранных машинах. Пользователь может задать опре
деленные машины и переменные окружения для запуска. Расширенный пакет
использовался для расчетов задач физического анализа, представленного в
этой диссертации, в особенности при подсчете статистической значимости
сигнала с помощью метода упрощенного моделирования, где потребовалось
более чем 400 миллионов псевдоэкспериментов.
В третьей Главе представлены исследования по поиску нового распада
B0s -мезона в конечное состояние J/ψ π+ π− K+ K− .
Распады прелестных адронов в конечные состояния, содержащие очаро
ванный и антиочарованный кварки, представляют собой уникальную систему
для изучения свойств чармониев и чармониеподобных состояний. В последние
десятилетия в таких распадах было обнаружено большое количество новых
состояний, в том числе частица χc1 (3872), пентакварки и многочисленные
кандидаты в тетракварки, а также обычные чармониевые состояния. Природа
многих экзотических чармониеподобных кандидатов остается неясной до
сих пор. Сравнение парциальных ширин таких систем с обычными состо
яниями чармония в распадах прелестных адронов может пролить свет на
механизмы их образования.
Далее представлена процедура поиска и изучения распадов B0s -мезонов
в конечное состояние J/ψ K+ K− π+ π− через различные состояния с проме
жуточными резонансами. Исследование основано на данных, набранных
спектрометром LHCb при энергиях протон-протонных столкновений в системе
центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответствующих интегральной светимости 1, 2 и
6 фб−1 . С помощью этих данных были измерены отношения парциальных
ширин для распадов B0s → χc1 (3872)ϕ, B0s → J/ψ K*0 K*0 , где K*0 обозна
чает K* (892)0 -резонанс и B0s → χc1 (3872)K+ K− распада, где пара K+ K− не
является результатом распада ϕ-мезона к нормировочным каналам. В ка
честве нормировочного канала для двух первых измерений использовался
распад B0s → (ψ(2S) → J/ψ π+ π− ) (ϕ → K+ K− ), а нормировочным каналом
для распада B0s → χc1 (3872)K+ K− являлся распад B0s → χc1 (3872)ϕ.
Отбор сигнальных и нормировочных событий производился с помощью
наложения ограничений на различные кинематические и идентификационные
переменные. Тот факт, что конечное состояние для всех распадов одинаковое,
позволяет использовать одни и те же критерии отбора для исследуемых и
нормировочных каналов. Для формирования B0s -кандидатов используются
только события, отобранные триггером на наличие J/ψ -мезонов. Распределение
по инвариантной массе B0s → J/ψ K+ K− π+ π− кандидатов показано на рис. 2.
15 ×10
Кандидаты/(5 МэВ/c2)
LHCb
B0s → J/ψ π+ π− K+ K−
комб. фон
общая подгонка
5.35.355.45.45
[︀]︀
mJ/ψ π+π−K+K−ГэВ/c
Рис. 2 — Распределение по инвариантной массе J/ψ π+ π− K+ K− отобранных
B0s -кандидатов (точки с ошибками).
Во втором, третьем и четвертом разделах третьей Главы
представлены наблюдаемые сигналы исследуемых распадов и их основные
характеристики, приведен ряд проверок полученных результатов. Первы
ми приведены результаты определения числа сигнальных событий для
B0s → χc1 (3872)ϕ и B0s → ψ(2S)ϕ распадов. Сигнальные выходы распадов
B0s → Xcc ϕ, где Xcc обозначает ψ(2S)- или χc1 (3872)-состояния, были опреде
лены с помощью одновременной подгонки двух трехмерных распределений
по инвариантным массам J/ψ π+ π− K+ K− , J/ψ π+ π− и K+ K− комбинаций.
Аппроксимация производилась методом небинированного максимального
правдоподобия. Распределения анализировались одновременно в двух не
пересекающихся областях по массам, соответствующих сигналам B0s → ψ(2S)ϕ
и B0s → χc1 (3872)ϕ распадов. В каждой области модель подгонки была
определена как сумма восьми компонент. Сигнальные компоненты для
B0s -мезона описывались с помощью модифицированной функции Гаусса. Узкие
Xcc -состояния ( χc1 (3872) и ψ(2S)) параметризовывались с использованием
свертки релятивистской функции Брейта-Вигнера в S-волне и симметричной
модифицированной функцией Гаусса, описывающей разрешение детектора.
Описание ϕ-сигналов параметризовано с помощью релятивистской функции
Брейта-Вигнера с P-волной, свернутой с функцией разрешения детектора.
Описание фоновых компонентов выполнялось с использованием полиноми
альных функций.
Количество сигнальных событий распадов равно: B0s→χc1 (3872)ϕ = 154 ± 15,
B0s→ψ(2S)ϕ = 4180 ± 66. Статистическая значимость сигнала распада
√︀
Bs → χc1 (3872)ϕ была рассчитана по формуле−2 × ln(ℒ /ℒ + ), где
ℒ + (ℒ ) – вероятность, соответствующая гипотезе о том, что в распределе
нии существует как сигнал, так и фон (только фон). Полученная значимость
равна 11,9 стандартным отклонениям.
Далее описывается процедура выделения событий сигнала для распадов
B0s → χc1 (3872)K+ K− . Распады B0s → χc1 (3872)K+ K− , где пара K+ K− мезонов
не происходит из распадов ϕ-мезонов, исследовались с помощью образца ото
бранных B0s → J/ψ π+ π− K+ K− кандидатов. Кандидаты B0s → χc1 (3872)K+ K−
распадов были получены с помощью аппроксимации методом небинирован
ного максимального правдоподобия двухмерного распределения по массам
J/ψ π+ π− и J/ψ π+ π− K+ K− комбинаций. Подгонка производилась с помощью
суммы четырех компонентов. Количество сигнальных событий для распа
да B0s → χc1 (3872)K+ K− равно: B0s→χc1 (3872)K+ K− = 378 ± 33, что значительно
превышает выход для компоненты B0s→χc1 (3782)ϕ . Распределение по инвари
антной массе K+ K− комбинации, после вычитания комбинаторного фона,
скорректированное на эффективность с помощью процедуры перевзвешивания
распадов B0s → χc1 (3872)K+ K− , показано на рис. 3.
Вклад узкого сигнала ϕ-мезона был оценен с помощью аппроксимации
методом небинированного максимального правдоподобия распределения по
инвариантной массе K+ K− комбинации. Полученная доля выхода сигнала
ϕ → K+ K− распада равна: ϕ = (38,9 ± 4,9) %. Это первое обнаружение распа
да B0s → χc1 (3872)K+ K− , где пара K+ K− не является дочерней комбинацией
от распада ϕ-мезона. Последним приведены результаты определения сиг
нальных событий для распада B0s → J/ψ K*0 K*0 , используя аппроксимацию
Выход/(15 МэВ/c2)
B0s → χc1 (3872)ϕLHCb
40B0s → χc1 (3872)K+ K−
подгонка
моделирование
0
−10
11.21.4[︀]︀
K+K−ГэВ/c2
Рис. 3 — Распределение по инвариантной массе K+ K− комбинации от
распадов B0s → χc1 (3872)K+ K− , после вычитания фона и поправленное на
эффективность (точки с ошибками). Для лучшей визуализации региона,
соответствующего большей массе, распределение показано в уменьшенном
вертикальном диапазоне. Математическое моделирование для гипотезы трех
частичного фазового объема показано зеленой линией
методом небинированного максимального правдоподобия трехмерного распре
деления по инвариантным массам J/ψ π+ π− K+ K− , K+ π− и K− π+ комбинаций.
Модель подгонки в этом случае во многом совпадает с моделью, приведен
ной выше, но является симметризованной. Для компонентов, описывающих
K*0 K*0 , K*0 K− π+ или K+ π− K*0 комбинации, параметризующие функции
учитывают порог фазового объема в этих распадах. Эти модели настроены
с помощью анализа данных математического моделирования и включают
симметричные произведения функций распределения по фазовому объему
и линейных полиномов. Компонент, описывающий сигнал K*0 (K*0 ) канала,
параметризован с помощью произведения двух релятивистских функций
Брейта–Вигнера с P–волной. Полученное число сигнальных событий равно:
B0s→J/ψ K*0 K*0 = 5447 ± 125 событий. Процедура подгонки протестирована на
большом количестве образцов, полученных с помощью упрощенного моде
лирования, для генерации которых использовалась номинальная модель с
параметрами, полученными из анализа реальных данных. Были обнаруже
ны небольшие отклонения (1%) для выходов различных компонентов и
результаты скорректированы на значения этих отклонений.
В пятом разделе третьей Главы представлен расчет эффек
тивностей восстановления исследуемых распадов. Полная эффективность
восстановления распада включает в себя эффективность генератора и гео
метрического аксептанса детектора, эффективность восстановления и отбора
событий, эффективность идентификации адронов с учетом поправок на эф
фективность реконструкции заряженных треков и эффективность отбора
событий триггерной системы эксперимента. Большинство эффективностей
были определены с помощью данных математического моделирования, ис
ключением является эффективности идентификации адронов и поправки к
эффективности реконструкции треков, которые оценивались с использованием
экспериментальных данных. Для того, чтобы учесть небольшое расхождение
между экспериментальными данными и данными математического моделирова
ния, образцы данных математического моделирования были скорректированы.
Расчеты эффективностей выполнялись отдельно для каждого периода набора
данных и канала распада. Отношения полных эффективностей составили:
B0s→ψ(2S)ϕ
= 0,932 ± 0,008,
B0s→J/ψ K*0 K*0
B0s→ψ(2S)ϕ(1)
= 0,6574 ± 0,0091,
B0s→χc1 (3872)ϕ
где B0s→ψ(2S)ϕ , B0s→J/ψ K*0 K*0 и B0s→χc1 (3872)ϕ – средние по годам значения полных
эффективностей распадов B0s → ψ(2S)ϕ, B0s → J/ψ K*0 K*0 и B0s → χc1 (3872)ϕ,
соответственно. В результатах представлена только статистическая погреш
ность.
В шестом разделе третьей Главы представлено измерение массы
B0s -мезона. Для улучшения точности ее измерения было наложено ограничение
на реконструируемую массу ψ(2S)-состояния. Для этого была применена
процедура кинематической подгонки дерева распада B0s -мезона с условием,
ограничивающим значение реконструируемой массы ψ(2S)-состояния в пре
делах известного значения, что позволило значительно уменьшить вклад
систематических неопределенностей в измеренное значение массы. Наличие
сигнальных распадов в узкой области вокруг известной массы ψ(2S)-мезона поз
воляет выделить распады B0s → ψ(2S)K+ K− канала. Значение массы B0s -мезона
определялось с помощью процедуры подгонки распределения инвариантной
массы ψ(2S)K+ K− комбинации кандидатов распада B0s → J/ψ K+ K− π+ π− ме
тодом небинированнового максимального правдоподобия. Измеренное значение
массы равно: B0s = 5366,98 ± 0,07 МэВ/c2 , где указанная неопределенность
– статистическая.
В седьмом разделе третьей Главы представлено исследование спек
тра масс J/ψ ϕ комбинации. Спектр масс J/ψ ϕ системы был исследован с
помощью отобранных распадов B0s → J/ψ π+ π− ϕ, выделенных подгонкой рас
пределения по инвариантным массам J/ψ π+ π− K+ K− комбинации и системы
K+ K− методом небинированного максимального правдоподобия. С помощью
техники статистического вычитания комбинаторного фона было получено
распределение по инвариантной массе J/ψ ϕ системы.
Было обнаружено значительное превышение количества событий над
фазовым объемом, в районе массы 4.74 ГэВ/c2 со статистической значимостью
5,3 . В рамках проверок данного анализа наличие обнаруженного пика
не объясняется гипотезами об отражениях известных каналов. Распреде
ление по инвариантной массе J/ψ ϕ комбинации после вычитания фона
вместе с результатами подгонки показаны на рис. 4. Измеренные масса и
ширина данного пика: X(4740) = 4741 ± 6, ΓX(4740) = 53 ± 15 МэВ в пределах
двух стандартных отклонений согласуются с параметрами обнаруженного
в эксперименте LHCb тетракварка χc0 (4700). Однако, на данный момент
параметры χc0 (4700) измерены с недостаточной точностью, чтобы можно
было отождествить эти два состояния. Также ширина и масса структуры
согласуются с теоретическим предсказанием для 2++ состояния cscs.
В восьмом разделе третьей Главы приведены вычисления систе
матических неопределенностей. В связи с тем, что все изучаемые распады
имеют похожую топологию, при вычислении отношения парциальных ширин
систематические неопределенности в основном сокращаются. К таким неопре
деленностям относятся параметры, связанные с идентификацией мюонов и
реконструкцией J/ψ -мезона. Не сократившиеся вклады в систематических
Выход/(15 МэВ/c2)
LHCb
+ −
100B0s →X(4740)π π
B0s →J/ψ π+ π− ϕ
80подгонка
0
4.54.64.74.8 [︀4.9
]︀
J/ψ ϕГэВ/c2
Рис. 4 — Распределение по инвариантной массе J/ψ ϕ комбинации после
вычитания фона для распадов B0s → J/ψ π+ π− ϕ (точки с ошибками)
погрешностях измерений связаны с рядом источников: выбором функции
аппроксимации данных, коррекцией образцов математического моделирова
ния, эффективностью триггерной системы, согласием экспериментальных
данных и данных математического моделирования. Полные систематические
погрешности измерений отношений парциальных ширин равны 1,8%, 7,3%
и 2,6% для отношений парциальных ширин:
ℬBs0→χc1 (3872)ϕ × ℬχc1 (3872)→J/ψ π+ π−
,
ℬB0s→ψ(2S)ϕ × ℬψ(2S)→J/ψ π+ π−
ℬB0s→χc1 (3872)(K+ K− )
,(2)
ℬB0s→χc1 (3872)ϕ
ℬB0s→J/ψ K*0 K*0 × ℬK*0→K+ π−
,
ℬB0s→ψ(2S)ϕ × ℬψ(2S)→J/ψ π+ π−
соответственно. Доминирующий вклад дает систематика выбора функции
аппроксимации экспериментальных данных.
Далее приведено определение систематических погрешностей для из
мерения массы B0s -мезона, для которого доминирующим вкладом является
вклад, обусловленный неточностью процедуры выбора шкалы импульса при
калибровке данных. Полная систематическая погрешность массы B0s -мезона
составила 133 кэВ/c2 .
В конце восьмого раздела третьей Главы представлены вычис
ления систематических погрешностей для измерения массы и собственной
ширины X(4740)-структуры, где доминирующим является источник, свя
занный с выбором модели подгонки. Полная систематическая погрешность
массы и собственной ширины X(4740)-структуры составили 5,5 МэВ/c2 и
11,1 МэВ, а значимость с учетом систематической ошибки оказалась равной
5,3 стандартным отклонениям.
В последнем разделе третьей Главы представлены окончательные
результаты анализа [2]. Впервые были обнаружены распады B0s → J/ψ K*0 K*0
и B0s → χc1 (3872)K+ K− , где пара K+ K− не ассоциирована с ϕ-мезоном.
Статистическая значимость сигнала B0s → χc1 (3872)ϕ составила 11,5 стан
дартных отклонений. Были измерены отношения парциальных ширин:
ℬB0s→χc1 (3872)ϕ × ℬχc1 (3872)→J/ψ π+ π−
= (2,42 ± 0,23 ± 0,07) × 10−2 ,
ℬB0s→ψ(2S)ϕ × ℬψ(2S)→J/ψ π+ π−
ℬB0s→χc1 (3872)(K+ K− )
= 1,57 ± 0,32 ± 0,12 ,
ℬB0s→χc1 (3872)ϕ
ℬB0s→J/ψ K*0 K*0 × ℬK*0→K+ π−
= 1,22 ± 0,03 ± 0,04 ,
ℬB0s→ψ(2S)ϕ × ℬψ(2S)→J/ψ π+ π−
где первая погрешность – статистическая, а вторая – систематическая. Изме
ренное значение отношения парциальных ширин распадов B0s → χc1 (3872)ϕ
и B0s → ψ(2S)ϕ находится в хорошем согласии с результатами прошлых из
мерений, но обладает существенно лучшей точностью. Используя канал
распада B0s → J/ψ π+ π− K+ K− , для которого инвариантная масса J/ψ π+ π−
комбинации находится в узком диапазоне, была измерена масса B0s -мезона.
Значение массы составило:
B0s = 5366,98 ± 0,07 ± 0,13 МэВ/c2 ,
где первая неопределенность – статистическая, а вторая – систематическая.
Это наиболее точное измерение массы B0s -мезона с использованием одного
канала распада. С использованием результатов этого анализа и предыду
щих измерений содружества LHCb получен результат средневзвешенного
значения массы B0s -мезона, с учетом корреляции между систематическими
неопределенностями измерений:
LHCb
B0s = 5366,94 ± 0,08 ± 0,09 МэВ/c2 ,
где первая ошибка – статистическая, а вторая – систематическая.
Используя канал распада B0s → J/ψ π+ π− ϕ, с последующим распадом
ϕ-мезона на пару противоположно заряженных каонов в спектре инвари
антной массы J/ψ ϕ комбинации, была обнаружена структура, обозначенная
как X(4740), со статистической значимостью 5,3 стандартных отклонения.
Измеренная масса и собственная ширина структуры соответствуют значениям:
X(4740) = 4741 ± 6 ± 6 МэВ/c2 ,
ΓX(4740) =53 ± 15 ± 11 МэВ .
В Заключении кратко перечислены основные результаты работы,
которые состоят в следующем:
– разработан метод реконструкции и отбора распадов B0s → χc1 (3872)ϕ
и Bs0 → ψ(2S)ϕ в данных эксперимента LHCb;
– измерено отношение парциальной ширины распада B0s → χc1 (3872)ϕ к
парциальной ширине нормировочного канала B0s → ψ(2S)ϕ;
– разработан метод реконструкции и отбора распадов B0s → J/ψ K*0 K*0
в данных эксперимента LHCb;
– измерено отношение парциальной ширины распада B0s → J/ψ K*0 K*0 к
парциальной ширине нормировочного канала B0s → ψ(2S)ϕ;
– разработан метод реконструкции и отбора распадов B0s → χc1 (3872)K+ K−
в данных эксперимента LHCb;
– измерено отношение парциальной ширины распада B0s → χc1 (3872)K+ K−
к парциальной ширине нормировочного канала B0s → χc1 (3872)ϕ;
– измерено значение массы B0s -мезона с рекордной точностью;
– обнаружено новое состояние X(4740) в спектре масс J/ψ ϕ и измерены
его собственная ширина и масса;
– разработан пакет инструментов для распараллеливания задач анализа
в рамках программного обеспечения эксперимента LHCb.
Общая характеристика работы
Стандартная модель (СМ) на данный момент является минимальной релятивистской квантовой теорией, чьи предсказания хорошо согласуются с большинством экспериментальных данных, полученных как в физике низких энергий и прецизионных измерениях, так и в физике высоких энергий. Ми нимальность теории обеспечивает тот факт, что она описывает все известные взаимодействия между всеми известными на данный момент фундаментальны ми частицами [1]. Одним из самых ожидаемых подтверждений Стандартной модели является открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) международными содружествами ATLAS и CMS [2, 3]. Существование бозона Хиггса обеспечивает спонтанное нарушение электрослабой симметрии и, таким образом, объясняет наличие масс у бозонов – переносчиков слабого взаимодействия и остальных элементарных частиц. Открытие бозона Хиггса завершает Стандартную модель, оставляя самосогласованную теорию, которая в принципе могла бы быть верной вплоть до масштабов энергии Планка. Изме ренные сечения рождения бозона Хиггса в различных механизмах относительно вероятности основных каналов распада и квантовые числа этой частицы хорошо согласуются с предсказаниями СМ. В силу унитарности матрицы Кабиббо Кобаяши-Маскава, описывающей смешивание между кварками в Стандартной модели и механизм нарушения CP-симметрии, на соотношения между ее пара метрами накладываются ограничения, которые можно представить графически в комплексной плоскости в виде так называемого треугольника унитарности. Расхождения в результатах измерений этих параметров с теоретическими пред сказаниями может указывать на наличие физики за пределами СМ [4–6].
Однако, несмотря на многочисленные экспериментальные подтверждения Стандартной модели, на данный момент совершенно ясно, что эта модель тре бует определенных усовершенствований, так как в ней содержится большое количество внешних параметров: не включена теория гравитации, не решена проблема калибровочной иерархии, а также не учтено существование таких эф фектов, как нейтринные осцилляций и т.д. Также существует необходимость
определить происхождение темной энергии и темной материи, которые состав ляют 95% процентов небарионной материи во Вселенной [7]. Происхождение наблюдаемого избытка вещества над антивеществом во Вселенной также не может быть объяснено с помощью нерасширенной Стандартной модели. Суще ствуют различные расширения СМ, учитывающие такие эффекты, однако, на данный момент экспериментальные данные не могут в полной мере отвергнуть или подтвердить их. Поэтому поиск отклонения от Стандартной модели («новой физики») является крайне важным и активно развивающимся направлением в физике элементарных частиц.
Большой адронный коллайдер является наиболее перспективной уста новкой для изучения фундаментальных законов природы за пределами Стан дартной модели [8]. Одним из передовых направлений поиска новой физики является исследование в области физики ароматов в секторе прелестных и очарованных частиц. Существует большое количество теорий в рамках пертур бативных методов квантовой хромодинамики (КХД) и других эффективных моделей, которые могут предсказать параметры распадов прелестных и оча рованных частиц и наличие новых резонансов. Проявления новой физики могут быть обнаружены при измерении отклонения парциальных ширин рас падов b-адронов от предсказаний Стандартной модели за счет учета вклада в петлевые диаграммы виртуальных тяжелых новых частиц (предсказанных в расширениях СМ). Такие вклады могут быть изучены в исследовании редких распадов прелестных адронов в переходах типа b → sl+l− и b → dl+l− [9]. Более того, после усовершенствования ускорителей и детекторов, исследование полулептонных распадов прелестных адронов позволит измерять параметры CP-нарушения в распадах b-адронов с рекордной точностью [9].
Множество новых состояний, содержащих более трех кварков и появ ляющихся на границе масс системы мезон-антимезон (и мезон-барион), было открыто в прошлом десятилетии. Эти состояния неплохо описываются молеку лярными моделями или моделями, которые предполагают рассеивание адронов. Однако большинство таких экзотических кандидатов не могут быть описаны подробным образом [10]. На данный момент не существует теоретической моде ли, полностью описывающей спектр возбужденных многокварковых состояний, поэтому новые экспериментальные данные, полученные в экспериментах на Большом адронном коллайдере, могут быть полезны для усовершенствования различных теоретических подходов КХД. Актуальность темы диссертации
Спектрометр LHCb является одной из четырех основных установок на ускорителе БАК, созданной для проведения исследований частиц, содержа щих b- и c-кварки. При энергиях ускорителя БАК возможны рождения всех состояний B-мезонов, прелестных барионов и их возбужденных состояний. Хорошая идентификация частиц в конечном состоянии позволяет с высокой точностью проводить исследования распадов прелестных частиц в состояния, содержащие чармонии. Изучение таких распадов является эффективным спо собом для исследования электрослабых переходов. В таких распадах возможно изучение свойств чармония и проведение прецизионных измерений параметров смешивания и CP-нарушения. В конце прошлого века было открыто большое количество обычных чармониевых систем, таких как (J/ψ-, ψ(2S)-, χc0,1,2- и ηc(1S)-мезоны), которые хорошо описываются кварковой моделью. Однако за последние двадцать лет было обнаружено множество частиц, которые нельзя описать с помощью обычной системы, состоящей из пары c ̄c-кварков. Такие малоизученные состояния называются чармониеподобными. Первое подобное состояние Х(3872) было открыто в 2003 году коллаборацией Belle, (в настоя щее время названное χc1(3872)-мезоном) [11]. Масса этого состояния находится очень близко к порогу образования D0D*0-системы [12], а само состояние име ет очень маленькую (0.96МэВ [13,14]) собственную ширину. В силу близости этого состояния к порогу образования D0D*0-системы существуют несколько интерпретаций его природы: до сих пор до конца не понятно, является ли это состояние тетракварком [15], D0D*0-молекулой [16–18] или чармониевым состо янием [19].
Также в распадах прелестных адронов в конечные состояния с чар мониями было найдено большое количество таких экзотических состояний: тетракварки (χc1(4140), χc1(4274), χc0(4500), χc0(4700)) и пентакварки (Pc(4450)+, Pc(4380)+, Pc(4312)+, Pc(4440)+, Pc(4457)+) [12]. Исследование по добных многокварковых состояний представляет большой интерес с точки зрения проверки границ применения подходов и моделей КХД, используемых для их вычисления.
Цели и задачи исследования Работа посвящена поиску новых распадов B0s-мезонов в многочастичное состояние с чармониями. К задачам данной работы относятся разработка ме тодов обработки данных эксперимента LHCb, набранных в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответству ющих интегральной светимости 1, 2 и 6 фб−1.
В диссертации представлена процедура поиска новых распадов B0s → J/ψK*0K*0 и B0s → χc1(3872)K+K−, где пара K+K− не ассоциирована с распадом φ-мезона. Проведены измерения парциальных ширин распадов B0s → χc1(3872)φ и B0s → J/ψK*0K*0 относительно нормировочного распа да B0s → ψ(2S)φ и вычислено отношение парциальной ширины распада B0s → χc1(3872)K+K− к ширине распада B0s → χc1(3872)φ. Выполнен поиск новых состояний в спектре масс J/ψφ комбинации в распадах B0s → J/ψπ+π−φ. В ходе выполнения работы измерена масса B0s -мезона с рекордной точностью. Для эффективного проведения анализа данных был разработан инструмента рий для распараллеливания задач анализа в рамках программного обеспечения эксперимента LHCb.
Научная новизна:
– впервые обнаружен распад B0s → J/ψK*0K*0 и измерено отношение пар циальной ширины распада B0s → J/ψK*0K*0 к ширине нормировочного канала B0s → ψ(2S)φ;
– впервые обнаружен распад B0s → χc1(3872)K+K− и измерено отношение парциальной ширины распада B0s → χc1(3872)K+K− к ширине нормиро вочного канала B0s → χc1(3872)φ;
– с рекордной точностью измерено отношение парциальной ширины рас пада B0s → χc1(3872)φ к ширине нормировочного канала B0s → ψ(2S)φ;
– измерена масса B0s -мезона с точностью лучше среднемировой;
– впервые обнаружено состояние X(4740) и измерены его масса и соб ственная ширина.
Практическая полезность
Представленная работа выполнена в рамках участия ФГБУ «Институт теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» в международном содружестве LHCb. Тема работы соответствует физической программе эксперимента LHCb, а именно: иссле дованию распадов прелестных адронов в конечные состояния, содержащие чармоний и чармониеподобные частицы. Для выполнения работы автором было усовершенствовано программное обеспечение, с помощью которого про изводился анализ данных за счет применения методики распараллеливания алгоритмов.
Основные положения, выносимые на защиту:
– разработан метод реконструкции и отбора распадов B0s → χc1(3872)φ и
B0s → ψ(2S)φ в данных эксперимента LHCb;
– измерено отношение парциальной ширины распада B0s → χc1(3872)φ к
парциальной ширине нормировочного канала B0s → ψ(2S)φ;
– разработан метод реконструкции и отбора распадов B0s → J/ψK*0K*0 в
данных эксперимента LHCb;
– измерено отношение парциальной ширины распада B0s → J/ψK*0K*0 к
парциальной ширине нормировочного канала B0s → ψ(2S)φ;
– разработан метод реконструкции и отбора распадов B0s → χc1(3872)K+K−
в данных эксперимента LHCb;
– измерено отношение парциальной ширины распада B0s → χc1(3872)K+K− к парциальной ширине нормировочного канала B0s → χc1(3872)φ;
– измерено значение массы B0s -мезона;
– обнаружено новое состояние X(4740) и измерены его собственная ши рина и масса;
– разработан пакет инструментов для распараллеливания задач анализа в рамках программного обеспечения эксперимента LHCb.
Достоверность результатов и выводов
Достоверность полученных в работе результатов определяется стабильно стью функционирования всех подсистем спектрометра LHCb в период набора данных, проведением необходимых калибровочных измерений, использованием в анализе стандартного программного обеспечения LHCb, в том числе средств реконструкции событий и моделирования детектора и современных пакетов математического моделирования методом Монте-Карло физических процессов. Результаты находятся в согласии с аналогичными измерениями в других экс периментах. Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертации, также обусловлена многочисленными проверками с помощью компьютерного моделирования физических процессов и экспериментальной установки, допол нительными независимыми исследованиями внутри содружества LHCb.
Апробация работы и публикации
Материалы, изложенные в работе, опубликованы в статьях, которые удо влетворяют требованиям ВАК:
1. R. Aaij, … , T. Ovsiannikova ., Study of B0s → J/ψπ+π−K+K− decays, JHEP 02 (2021) 024;
2. Т. A. Овсянникова и др., Распараллеливание в задачах анализа физиче ских данных эксперимента LHCb, Программные продукты и системы 34 (2021) 189–194.
Данные материалы регулярно обсуждались на рабочих совещаниях междуна родной коллаборации LHCb, лично представлялись на различных конферен циях и семинарах:
1. The XXVII Cracow EPIPHANY Conference on future of particle physics (EPIPHANY’21), (г. Краков, Польша, 07 – 10 января 2021 г.);
2. The 23rd International Conference in Quantum Chromodynamics, Montpellier, (г. Монпелье, Франция, 27 – 30 октября 2020 г.);
3. Молодежная конференция по теоретической и экспериментальной фи зике (МКТЭФ’20), (г. Москва, Россия, 16 – 19 ноября 2020 г.).
Результаты работы неоднократно представлялись сотрудниками коллаборации LHCb на международных конференциях. Исследования отмечены следующи ми дипломами:
– победитель конкурса на лучшую экспериментальную работу ИТЭФ 2020 года.
Личный вклад диссертанта
Автор внес решающий вклад в получение всех представленных резуль татов. Диссертант принимал активное участие в разработке программной платформы для анализа данных эксперимента LHCb. В частности, ею был раз работан пакет инструментов для распараллеливания задач анализа данных. Автором был проведен анализ физических данных эксперимента LHCb по по искуновыхраспадовB0s-мезонавмногочастичноесостояниеJ/ψπ+π−K+K−.Ею непосредственно выполнены все ключевые этапы работы: разработка методики реконструкции распадов, подготовка модельных наборов данных с использо ванием метода Монте-Карло, поиск оптимальных критериев отбора событий, подгонка распределений, полученных в ходе проведения анализа, измерение парциальных ширин и оценка систематических неопределенностей.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 106 страниц, включая 30 рисунков и 14 таблиц. Спи сок литературы содержит 122 наименования. Текст диссертации организован следующим образом
– во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сфор мулированы задачи и цели исследований, показана новизна работы, ее практическая значимость и приведено краткое описание содержания диссертации;
– в первой главе изложено краткое описание ускорителя БАК и экс перимента LHCb. Перечислены ключевые элементы детектора, их устройство и характеристики. Приведены алгоритмы реконструкции и идентификации частиц, а также система триггерного отбора данных. Изложены условия обработки и хранения данных.
– во второй главе описывается структура программного обеспечения эксперимента LHCb, основные пакеты и способы их применения. Изло жена структура программного обеспечения, используемого для анализа данных. Представлен разработанный набор инструментов и интерфей сов, позволяющих применять распараллеливание на многоядерных и многопроцессорных системах. Приведены результаты тестирования разработанного расширения для программного обеспечения LHCb.
– в третьей главе представлены исследования по поиску новых рас падов B0s-мезона таких, как B0s→χc1(3872)φ, B0s→χc1(3872)K+K−, B0s → J/ψK*0K*0 и B0s → ψ(2S)φ. Описаны методы выделения этих распадов, показаны наблюдаемые сигналы. Приведены результаты вычисления отношений парциальных ширин изучаемых распадов. Кро ме того, в главе приведены результаты измерения массы B0s-мезона и обнаружения нового состояния X(4740). В главе приведены про верки, доказывающие факт существования новых распадов. В конце главы приведены значения для отношений парциальных ширин, массы B0s -мезона и характеристики нового состояния (масса и ширина). Масса B0s -мезона определена с рекордной точностью.
– 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!