Измерение параметров CP-нарушений в распадах B0s мезонов в эксперименте ATLAS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мешков Олег Васильевич

• Мешков Олег Васильевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Мешков Олег Васильевич

Введение

1 Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера

1.1 Большой адронный коллайдер

1.2 Детектор ATLAS

1.2.1 Внутренний детектор

1.2.2 Мюонный спектрометр

1.2.3 Триггер детектора ATLAS

1.3 Выводы по главе

2 Исследования адронов, содержащих ô-кварк в эксперименте ATLAS

2.1 Программа B-физики эксперимента ATLAS

2.2 Мюонный триггер эксперимента ATLAS

2.3 Триггер B-физики

2.3.1 Топологический триггер L1 для B-физики

2.3.2 Алгоритмы триггера B-физики на уровне HLT

2.3.3 Модернизация мониторинга триггера B-физики

2.4 Выводы по главе

3 Измерение параметров СР-нарушений в распадах ^ Л'ФФ в эксперименте ATLAS

3.1 CP-нарушения в рамках СМ

3.1.1 CP-нарушения в кварках

3.2 Распад ^ J/фф

3.3 Реконструкция и отбор событий для анализа

3.4. Мечение начального аромата

3.4.1 Отбор событий В± ^ J/-фК±

3.4.2 Методы мечения аромата

3.4.3 Качество работы мечения аромата

3.4.4 Использование информации мечения в В0 фите

3.5 Определение параметров распада В® ^ J^-)ф(К+К-)

3.5.1 Сигнальная плотность вероятности

3.5.2 Плотность вероятности для описания фона

3.5.3 Эффективность триггера в зависимости от собственного времени жизни В® мезона

3.5.4 Измеряемые физические параметры

3.6 Систематические неопределенности

3.7 Результаты

3.7.1 Результаты фитирования

3.7.2 Фитирование сильных фаз

3.7.2 Статистическое объединение результатов при трех энергиях рр соударений 13, 8 и 7 ТэВ

3.8 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение параметров CP-нарушений в распадах B0s мезонов в эксперименте ATLAS»

Общая характеристика работы

Актуальность темы и степень ее разработанности

Стандартная модель (СМ) в настоящее время хорошо описывает все имеющиеся экспериментальные данные, полученные на коллайдерах при высоких энергиях. Она позволяет проводить расчеты конкретных реакций с участием фундаментальных частиц стандартной модели, которые хорошо согласуются с экспериментальными наблюдениями. Открытие бозона Хиггса в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в 2012 г. завершило набор фундаментальных элементарных частиц СМ.

Стандартная модель как теория не идеальна. Существует целый ряд физических явлений, которым СМ не дает объяснения. К ним относится барион -антибарионная асимметрия вселенной, наличие темной материи и темной энергии во вселенной, наличие массы нейтрино. Для объяснения большей части этих эффектов важную роль играет явление нарушения зарядово-пространственной (СТ) симметрии.

Проверка свойств СТ симметрии ведется для многих физических процессов. Например, в распадах b и c-адронов, топ-кварков, бозона Хиггса и других реакций. Существование электрического дипольного момента нейтрона свидетельствует о наличии нарушения CP-симметрии в процессах сильных взаимодействий. Исследование степени СТ-нарушений в различных процессах актуальны и позволяют установить границу применимости СМ.

Исследование распадов ¿-адронов является одним из актуальных направлений на БАК. Одним из процессов, где проявляется CP-нарушение в распадах ¿-адронов, является распад В° ^ J/фф, исследованию которого посвящена данная работа. СТ-четность в этом распаде нарушается из-за

п _°

интерференции между прямым распадом и распадом с В° — Bs -смешиванием.

Параметром CP-нарушения в распадах В° является слабая фаза ф5, которая

п —0

определяется, как разница между амплитудами распадов с В0 — Bs -смешиванием и прямых распадов b ^ ees. В СМ численные значения слабой фазы величины ф3 рассчитаны группой CKMFitter [1] и коллаборацией UTfit [2] и составляют <ps = —О.О3696+00000782рад и ф5 = —0.03700 ± 0.00104рад, соответственно. Влияние новой физики может увеличить величину фазы ф3.

п —0

Другими физическими величинами, участвующими в описании В0 — Bs -смешивания, являются ширина распада rs = (rL + rH)/2 и разница ширин Ars = rL -rH, где ГН и rL - ширины распадов тяжелого и легкого массовых состояний В°-мезона. Последние теоретические предсказания СМ для значения разницы ширин: Ars = 0.091 ± 0.013 пс-1 [3] и ДГ = 0.092 ± 0.014 пс-1 [4]. Проявления новой физики должно так же уменьшить величину Ars, но ожидается, что это изменение может быть не так сильно, как изменение величины фазы ф в этом случае.

ATLAS является детектором общего назначения, исследование распадов b-адронов (B-физика) входит в число основных задач эксперимента. Детектор ATLAS позволяет с высокой точностью измерять импульсы заряженных частиц, координаты вершин и инвариантные массы групп частиц. Исследования данной работы основаны на данных pp-соударений при энергии центра масс 13 ТэВ, соответствующих интегральной светимости 80.5 фб-1, зарегистрированных в 20152017 гг. работы БАК.

Цели и задачи работы

Целью работы является измерение параметров CP-нарушений в распаде В® ^ ЛФФ. Величина СP-нарушения в данном распаде характеризуется значением слабой фазы ф и разницей разницы ширин легкого и тяжелого массовых состояний В®-мезона ДГ5. Измерение СP-нарушений основано на вычисление всех параметров распада В® ^ ЛФФ, в число которых входят амплитуды СP-состояний и S-волновая амплитуда при 1=0 и их сильные фазы.

Анализ является продолжением предыдущих измерений в эксперименте ATLAS, проведенных при энергиях рр-соударений 7 и 8 ТэВ и интегральной светимости 19,2 фб-1. Выполненный анализ, помимо более высокой энергии рр-соударений и интегральной светимости, использует более точные модели описания распада В0 ^ J/ФФ и фоновых процессов.

Для выполнения данного анализа важна эффективная и стабильная работа внутреннего детектора и мюонного триггера установки ATLAS. В мюонном триггере присутствуют программные алгоритмы для задач B-физики (триггер B-физики). Контроль за качеством работы триггера B-физики осуществляет система мониторинга. Задачей данной работы было усовершенствование и операционная поддержка системы мониторинга для триггера В-физики.

Научная новизна

Параметры CP-нарушения в распаде В0 ^ J/ФФ измерены с использованием данных при энергии pp-соударений 13 ТэВ, соответствующе интегральной светимости 80,5 фб-1. Данная интегральная светимость более, чем в 4 раза превышает использованную в предыдущем анализе данной распада в эксперименте ATLAS. Возросшая энергия соударений обеспечила увеличение сечения рождения В®-мезонов, что так же обеспечило увеличение статистики.

Перед началом второго сеанса работы (Run-2) БАК в детектор ATLAS был добавлен дополнительного слой полупроводниковых пиксельных детекторов B-слой (Insertable B-layer, IBL). Два программных уровня триггера были объединены в один триггер высокого уровня (High Level Trigger, HLT). Это повысило эффективность измерения распадов B-мезонов.

В рамках данной работы была улучшена работа мониторинга триггера B-физики, который следит за качеством работы алгоритмов триггера B-физики. Было расширенно и улучшено заполнение гистограмм оффлайн-мониторинга и создан цикл, учитывающий повторяющие пары мюонов. Всего произведено

усовершенствование примерно 30% всех гистограмм оффлайн мониторинга триггера B-физики.

Выполнено статистическое объединение результатов, полученных при 13 ТэВ, с предыдущими результатами ATLAS. Новый результат измерения фазы CP-нарушений ф3 согласуется с прогнозом Стандартной Модели и улучшает точность предыдущих измерений ATLAS. Результат эксперимента ATLAS дает значимый вклад в мировое среднее значение фазы CP-нарушений qs. Это среднее с учетом результата ATLAS для çs составляет -0.050 ± 0.019 рад [5].

Теоретическая и практическая значимость

Новые измерения параметров CP-нарушения çs и ДГ в канале В0 ^ J/^ф при 13 ТэВ позволили улучшить мировой результат для значений этих величин, что важно для проверки предсказаний СМ и поиска возможных проявлений новой физики за её пределами.

Триггер B-физики используется при проведении исследований всех физических процессов B-физики в ATLAS. Эффективная работа триггера B-физики обеспечивает достоверность результатов измерений распадов ¿-адронов. Усовершенствование оффлайн-мониторинга триггера B-физики позволило повысить качество работы всего мюонного триггера эксперимента ATLAS.

Методология и методы исследования

Экспериментальные данные для анализа распада В0 ^ J/^Ф были набраны на детекторе ATLAS во время второго сеанса работы БАК в 2015-2017 гг. при pp соударений 13 ТэВ. В детекторе ATLAS события распада В0 ^ J/^Ф отбирались с помощью мюонного триггера B-физики. Для анализа используются события с мюонами, отбираемые триггерами с порогами pT мюонов 4 и 6 ГэВ, имеющие по крайней мере одну первичную вершину, образованную из четырех и более треков и одну пару противоположно заряженных кандидатов в мюоны, выделенных на основе информации мюонного спектрометра и внутреннего детектора.

Пара противоположно заряженных мюонов фитируются в общую вершину с качеством фитирования <10, где N¿0^ — число степеней свободы. В

зависимости от псевдобыстроты п мюонов все //^-кандидаты делятся на три подгруппы в соответствии с разным разрешением по массе. В первой группе оба мюона имеют значения псевдобыстроты |п| <1.05, где величины п= ±1.05 - края центральной(Ьагге1) части мюонного спектрометра. Во второй группе один мюон имеет значение псевдобыстроты в области - 1.05 <|п| <2.5, а другой - |п| <1.05. Третья группа состоит из пары мюонов с 1.05<|п| <2.5.

Для извлечения массы Му используется фитирование методом максимального правдоподобия с учетом массового разрешения для каждой из трех подгрупп. Область сигнала ]/ф ^ уГ определяется симметрично вокруг фитированной массы для сохранения 99,7% //^-кандидатов.

Кандидаты для ф ^ К+К- распада отбираются из всех пар противоположно заряженных треков, которые не идентифицированы как мюоны, с условиями на величину поперечного импульса и псевдобыстроту трека частицы рт >1 ГэВ и |п|<2.5. Кандидаты в события для В0 ^ //'ф{р+^~)ф(К+К~) распада выбираются путем фитирования в общую вершину всех комбинаций ]/ф ^ и ф ^ К+К-.

Четверка треков используется в дальнейшем анализе, если качество их фита %2/Ыа.о.£ < 3. Всего было отобрано 2 977 526 В°-кандидатов в диапазоне масс 5.150-5.650 ГэВ.

Для определения параметров распада В0 ^ /уГ)ф(К+К-), включая ф^ и ДГ5, используется фитирование характеристик событий методом небинированного максимального правдоподобия. В качестве основных параметров фитирования используются инвариантная масса В0-кандидата т, его собственное время жизни г, неопределенность этого времени жизни о , вероятность мечения кандидата как содержащего Ь -кварк и углы поперечности между продуктами распада П.

Объектом исследования настоящей работы являлись данные рр-соударений при энергии 13 ТэВ в системе центра масс, набранные в эксперименте ATLAS на БАК и распад В0 ^ J/^ф.

Предметом исследования являются параметры СР-нарушения в распаде В0 ^ J/фф.

Положения, выносимые на защиту

1. Контроль гистограмм по широкому набору переменных обеспечивает эффективность и достоверность физического анализа в эксперименте ATLAS.

2. Исключение одинаковых пар мюонов позволяет сократить уровень флуктуаций в контрольных гистограммах триггера.

3. Каналы распадов В0 ^ J/^K+n-, В0 ^ J/^K*° и Л °b ^ J/фр+К-образуют резонансный вклад в фоновые события при выделение распада В0 ^ J/^<p. Для рр взаимодействий при энергии 13 ТэВ при порогах по перечному импульсу мюонов 4 и 6 ГэВ, адронов 1 ГэВ и псевдобыстроте треков |п| < 2.5 вклад каналов В0 ^ J/'фК+п- и В0 ^ J/^K*° составляет 4%, а вклад канала Л^ ^ ]/~фр+К- составляет 2%.

4. При проведение полной процедуры анализа распада В0 ^ J/-фу по определению параметров CP нарушений найдены вклады фоновых каналов B0^J/^K+n-, B0^J/^K*° и A °b^J/^p+K- в систематические погрешности значений параметров ф и ДГ5. Они составляют 3 10-3 рад для ф и 1.110-3 пс-1 для ДГ5, что значимо при определение суммарной систематической неопределенности измерений этих параметров.

Степень достоверности результатов

Достоверность полученных в работе результатов определяется стабильностью работы всех подсистем детектора ATLAS в период набора данных, проведением калибровочных измерений, использованием стандартного

программного обеспечения эксперимента ATLAS, современных пакетов математического моделирования методом Монте-Карло физических процессов.

Значения параметров CP-нарушения в распаде В° ^ J/фф, полученные в данной работе на установке ATLAS, находятся в согласии с аналогичными измерениями коллабораций D0, CDF, LHCb и CMS и дают значимый вклад в мировое среднее значение величин слабой фазы ф и ДГ5.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, 3 из которых изданы в периодических научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus [6-13]:

1. Aad G., ..., Meshkov O. et al. (ATLAS Collaboration), Measurement of the CP -violating phase фs in B0^ J/уф decays in ATLAS at 13 TeV // Eur. Phys. J. C 81 (2021) 342, arXiv:2001.07115, SCOPUS(IF=4.590)

2. Aad G., Meshkov O. et al. (ATLAS Collaboration), Performance of the ATLAS muon triggers in Run 2 // JINST 15 (2020) P09015, arXiv:2004.13447, SCOPUS(IF=1.415)

3. Aad G., ..., Meshkov O. et al. (ATLAS Collaboration), Operation of the ATLAS trigger system in Run 2 // JINST 15 (2020) P10004, arXiv:2007.12539, SCOPUS(IF=1.415)

и 3 - в журналах, рекомендованных ВАК:

4. Мешков О.В., Смирнова Л.Н., Газовые детекторы для идентификации частиц при высоких энергиях // Ученые записки физического факультета Московского Университета, 2017, № 3, с. 173204

5. Мешков О.В., Системы мониторинга триггера B-физики в эксперименте ATLAS Большого адронного коллайдера// Ученые записки физического факультета Московского Университета, 2019, № 2, с. 1920202

6. Синецкий В.В., Мешков О.В., Смирнова Л.Н. Исследования нарушения лептонного аромата, СР-инвариантности и R(K*) аномалии в экспериментах

на БАК // Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 3, 2019, с. 1930404 Иные публикации:

1. Мешков О.В., Идентификация частиц в трековом детекторе переходного излучения ATLAS c использованием аргоновых и ксеноновых газовых смесей // Труды XVI Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», 2015, с 55-58

2. Мешков О.В., Маевский А.С., Калибровка экспериментальной установки для исследования переходного излучения на пучках SPS (CERN) // Труды XVII Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», 2016, с 122-125.

Результаты неоднократно докладывались автором и обсуждались на научных конференциях «Ломоносовские чтения» МГУ имени М. В. Ломоносова, «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», на рабочих совещаниях групп триггера B-физики эксперимента ATLAS и B-физики, на совещаниях российских групп ATLAS, являющихся участниками эксперимента. Автором были также сделаны доклады на следующих международных совещаниях, конференциях и школах:

1. The XXIV International Workshop High Energy Physics and Quantum Field Theory (QFTHEP 2019, 22-29 сентября 2019, Сочи, Россия);

2. Moscow International School of Physics 2020 (3-9 марта 2020, Учебный центр "Вороново" НИУ ВШЭ, Россия);

3. Conference on Flavour Physics and CP violation (FPCP 2020, 8-12 июня 2020, Испания, онлайн)

4. The 5th International conference on particle physics and astrophysics (ICPPA 2020, Россия, онлайн), постерный доклад

5. The 10th International Workshop on CHARM Physics (CHARM 2021, 31 мая - 4

июня 2021, Мексика, онлайн)

Диссертант является соавтором 180 печатных работ коллаборации ATLAS в высокорейтинговых рецензируемых изданиях.

Личный вклад диссертанта

Начал работу в эксперименте ATLAS в 2014г будучи студентом и работал с детекторами в подсистеме TRT внутреннего детектора ATLAS.

С 2018г. диссертант активно участвует в работе группы B-физики в подгруппе BJpsi. Автор принимал участие в измерении параметров CP-нарушения распадов В0 ^ Л'фф. Автором выполнен расчет вклада резонансных фоновых событий данного распада ВЦ ^ J/-фК+п- ,В% ^ J/~фК*° и A °b ^ J/-фр+К- и определены систематические неопределенности, обусловленные вкладом фоновых процессов.

Диссертант принимал активное участие в работе группы B-триггера эксперимента ATLAS. Им улучшено заполнения гистограмм оффлайн мониторинга и создан цикл, который учитывает повторяющие пары мюонов. Он проводил поддержку программного обеспечения триггера B-физики в период набора данных 2017 - 2018 гг. Автор также участвовал в 2016 гг. в экспериментах сотрудничества TRT ATLAS на тестовых пучках ускорителя SPS. Им также была осуществлена калибровка данных эксперимента 2016 г. по регистрации переходного излучения в пропорциональных дрейфовых трубках при использовании разных типов радиаторов.

Все положения, выносимые на защиту, были получены при определяющем участии или непосредственно автором. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад соискателя.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Ее объем составляет 130 страниц, она включает 46 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 92 наименования.

В главе 1 дано общее описание эксперимента ATLAS и основных модификаций установки перед вторым периодом ее работы (2015-2018гг.). Подробно описаны внутренний детектор и мюонный спектрометр, которые играют ключевую роль в данной работе. Описаны тестовые эксперименты трекового детектора переходного излучения (TRT) ATLAS на протоном суперсинхротроне (SPS), которые проводились в 2016 г.

Глава 2 содержит обзор новых результатов исследования ¿-адронов в эксперименте ATLAS. В главе приводится детальное описание мюонного триггера B-физики ATLAS, системы мониторинга триггера B-физики и работы по ее улучшению.

В главе 3 приведен теоретический формализм описания явления CP-нарушения в кварковом секторе СМ, представлена процедура измерения параметров распадов В0 ^ J/Фф по данным pp соударений 2015-2017 г. при энергии 13 ТэВ, а также процедура и результат статистического объединения полученных значений этих параметров с их значениями, измеренными детектором ATLAS при энергии 7 и 8 ТэВ. Описана мотивация измерения параметров CP-нарушения в распаде В® ^ J/ФФ, изложена методика анализа, также процедура мечения (тагирования) начального аромата В0-мезона, учет вкладов резонансных фоновых процессов В® ^ J/-фК+п-, В® ^ J/фК*0 и А % ^ J/-фр+К- и оценка систематических неопределенностей.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

1 Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера 1.1 Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый мощный из когда-либо построенных ускорителей частиц [14]. Ускоритель находится в туннеле на глубине 100 метров под землей в ЦЕРНе (CERN), Европейской организации ядерных исследований, на французско-швейцарской границе недалеко от Женевы, Швейцария. Длинна ускорительного кольца составляет 26.659 км. БАК ускоряет и сталкивает встречные пучки протонов или ионов свинца (pp, PbPb-соударения).

Одобрение проекта БАК было дано Советом ЦЕРН в декабре 1994 года. Проектная энергия соударения протонов в системе центра масс составила 14 ТэВ. БАК был построен с использованием туннеля Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) и его системы инжекции. БАК снабжается протонами из цепочки инжектора, которая использует предыдущие ускорители ЦЕРН: линейный ускоритель Linac 2 — бустерное кольцо PSB (Proton Synchrotron Booster) — протонный синхротрон (PS) — протонный суперсинхротрон (SPS), как показано на рисунке 1.1. Эти ускорители были модернизированы, чтобы удовлетворить очень строгие потребности БАК: 2808 протонных сгустков высокой интенсивности с 1.2х10п протонов в каждом.

БАК состоит из восьми секций и восьми прямых участков (рис. 1.2). Каждый прямой участок имеет длину около 528 м и может служить экспериментальной или вспомогательной установкой. Две экспериментальные установки, предназначенные для высокой светимости, расположены на диаметрально противоположных прямых участках: эксперимент ATLAS расположен в точке 1, а CMS в точке 5. Еще две экспериментальные установки находятся в точках 2 (ALICE) и 8 (LHCb). Так же в этих точках находятся системы инжекции пучков. Остальные 4 прямых участка не имеют точек пересечения пучков, а в секциях 3 и

Рисунок 1.1 :Схема ускорительного комплекса БАК.

Рисунок 1.2: Схематическое изображение БАК [14].

7 содержатся системы коллимации. В точке 4 содержатся две системы ВЧ-резонаторов: по одной независимой системе для каждого пучка БАК. В секции 6 расположена система вывода пучков.

Первый сеанс набора данных БАК (Run-1) проходил в 2011-2013 гг. при энергиях pp 7 и 8 ТэВ. После Run-1 был период долгой остановки (Long Shutdown,

LS1) в течение которых проводились усовершенствования БАК и детекторов для следующего периода набора данных в условиях новой энергии и более высокой светимости. Второй сеанс работы БАК^и^2) проходил в 2015-2018 гг. при энергии pp в системе центра масс 13 ТэВ. После завершения второго сеанса последовала вторая крупная остановка (LS 2) с целью усовершенствования БАК и детекторов. Тестовые запуски БАК для третьего сеанса набора данных (Run-3) начался в конце сентября 2021 г. На рисунке 1.3 показан план работы БАК с 2011 по 2040 гг. После Run-3 планируется третья длительная остановка (LS 3) для модернизации БАК и детекторов в условиях работы нацеленных на высокую светимость HL-LHC (High Luminosity LHC). Заявленная цель для HL-LHC - это набор 3000 фб-1 данных за 10-12 лет. Вовремя Run-1 было набрано 25 фб-1, а в Run-2 - 140 фб-1.

Рисунок 1.3: План работы БАК в 2011 по 2040 гг.

1.2 Детектор ATLAS

Детекторы ATLAS и CMS являются экспериментами общего назначения, предназначенными для измерения свойств бозона Хиггса, измерения параметров Стандартной Модели (СМ) и поиска проявления физики за пределами СМ (новой физики).

ATLAS использует правую декартовую систему координат с началом в номинальной точке взаимодействия. Направление пучка частиц определяет ось z, а плоскость x-y поперечна направлению пучка. Положительная ось x направленна в центр кольца БАК, а ось y - вертикально вверх. Азимутальный угол ф отсчитывается от положительного направления оси х, а полярный полярный угол в отсчитывается от положительного направления z. Псевдобыстрота

Q

рассчитывается по формуле ц = — In tan -. Поперечный импульс pT, поперечная

энергия ET и недостающая поперечная энергия E™lss определяются в плоскости x-y, если не указано иное.

Общий вид и основные подсистемы детектора ATLAS [15] показаны на рисунке 1.4. Детектор ATLAS номинально симметричен относительно точки взаимодействия протонов. Конфигурация магнитов включает тонкий сверхпроводящий соленоид, окружающий внутреннюю часть детектора, и три больших сверхпроводящих тороидальных магнита (один цилиндрический и два торцевых), расположенных симметрично вокруг калориметров. Такой выбор магнитной системы определили конструкцию остальных частей детектора.

Внутренний детектор погружен в магнитной поле соленоида величиной 2 Тл. Измерение импульсов, координат вершин и идентификация электронов проводятся во внутреннем детекторе за счет комбинации измерений полупроводниковых пиксельных и стриповых детекторов во внутренней части, а также газового трекового детектора во внешней части, который способен генерировать и измерять переходное излучение.

Калориметры детектора ATLAS состоят из электромагнитного и адронного. Электромагнитные калориметры с жидким аргоном (Lar) с высокой гранулярностью охватывают диапазон псевдобыстрот \п\ < 3.2. Адронный калориметр в диапазоне \п\ < 1.7 является сцинтилляционным калориметром, который разделен на большой цилиндр и два меньших, по одному с каждой стороны от центрального. В торцевых частях детектора (\п\ > 1.7) LAr-технология используется для адронных калориметров, соответствующих внешнему пределу \ п \ торцевых электромагнитных калориметров. Калориметры LAr обеспечивают измерение, как электромагнитной, так и адронной энергии и расширяют охват по псевдопобыстроте до \п\=4.9.

Калориметры окружены мюонным спектрометром. Тороидальная система с воздушными зазорами и двумя магнитами на торцах детектора создают сильную изгибающую силу, что позволяет уменьшить эффекты многократного рассеивания. Превосходное разрешение по импульсу мюонов достигается благодаря трем слоям высокоточных камер.

Рисунок 1.4: Детектор ATLAS в разрезе. Размеры детектора составляют 25 м в высоту и 44 м в длину. Общий вес детектора составляет около 7000 тонн[14].

1.2.1 Внутренний детектор

Приблизительно 1000 частиц вылетает из точки столкновения протонов каждые 25 нс в диапазоне псевдобыстрот \ц\ <2.5, что создает очень большую плотность треков в детекторе. Для достижения хорошего разрешения по измерению импульсов и координат вершин должны выполнятся высокоточные измерения с высокой степенью гранулярности. Эти функции обеспечиваются пиксельными и кремневыми микростриповыми трековыми детекторами (SCT), используемыми в сочетании с трековым детектором переходного излучения (Transition Radiation Tracker, TRT).

Схема внутреннего детектора показана на рис 1.5. Внутренний детектор погружен в магнитное поле величиной 2 Тл, создаваемое центральным соленоидом, и имеет длину 5,3 м, а диаметр 2,5 м. Прецизионные трековые детекторы (пиксели и SCT) покрывают область \ц\ <2.5. В центральной части они расположены на концентрических цилиндрах вокруг оси пучка, а в торцевых частях - на дисках, перпендикулярных оси пучка (рис 1.5).

Наивысшая степень гранулярности достигается с использованием кремниевых пиксельных детекторов. Пиксельные детекторы расположены в поперечной плоскости R - ф и оси z, причем обычно каждый трек заряженной частицы пересекает три пиксельных слоя. Все пиксели идентичны и имеют минимальный размер (R - = 50 х 400 мкм2. Пространственное разрешение пиксельного детектора составляет 10 мкм в поперечной области R - ф и 115 мкм вдоль оси z в центральной части и вдоль радиуса R на торцевых частях детектора. В Run-2 пиксельный детектор включал 92 млн каналов считывания.

В течение LS1 в пиксельный детектор был добавлен четвёртый слой пиксельного детектора — вставной B-слой (Insertable B-Layer, IBL) [16]. IBL состоит из 14 стержней, покрывающих область \ц\ <3.03 с 12 млн кремневых пиксельных детекторов размером 50 х 250 мкм2 каждый. Слой IBL улучшает разрешающую способность реконструкции треков более чем на 40%.

За пиксельным детектором расположен микростриповый полупроводниковый детектор (БСТ). БСТ состоит из 4 концентрических центральных слоев и двух торцевых с 9-тью дисками в каждом. Трек обычно пересекает 4 слоя БСТ. В БСТ координата определяется по двум слоям стрипов, расположенных под малым углом 40 мрад. Размер стрипов составляет 6.4 см в длину с шагом 80 мкм. Пространственное разрешение БСТ составляет 17 мкм и 580 мкм вдоль оси г в центральной части детектора, либо в радиальном направление -в торцевой. Общее количество каналов БСТ составляет 6.3 млн.

6.2 м

Рисунок 1.5: Общая схема внутреннего детектора ATLAS [15].

Самой внешней частью внутреннего детектора является трековый детектор переходного излучения (TRT). TRT расположен в диапазоне \п\ <2.0. Основным элементом детектора TRT является дрейфовая трубка (straw) диаметром 4 мм. В центре трубки находится анодная вольфрамовая проволока толщиной 31 мкм. Центральная часть TRT состоит из 73 слоев трубок, организованных в 3 цилиндрических кольца, а торцевая часть состоит из двух независимых частей, содержащих по 12 дисков. Разрешающая способность детектора 130 мкм. Трубки

заполнены активной газовой смесью на основе Хе/С02/02 и АГ/СО2/О2 в соотношение 70%:27%:3% в различных модулях. Заполнение детектора ТЯТ газовыми смесями показано на рисунке 1.6. Пространство между слоями трубок заполнено радиаторами из полипропилена толщиной 15 мкм. Общее количество трубок ТЯТ -350000. Трек пересекает около 36 трубок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мешков Олег Васильевич, 2022 год

Список литературы

[1]CKMfitter group, Charles, J. et al., Current status of the Standard Model CKM fit and constraints on AF = 2 New Physics // Phys. Lett. B. — 2012. — Vol. 716. — Pp. 1-29. — DOI: 10.1016/j.physletb.2012.08.020. — arXiv: 1207.7214.

[2]UTfit Collaboration, M. Bona et al., The unitarity triangle fit in the standard model and hadronic parameters from lattice QCD: A reappraisal after the measurements of Ams and BR(B ^ tvt), JHEP 10 (2006) 081, Numbers updated to the 2018 results from https://www.utfit.org/UTfit/ResultsSummer2018SM, arXiv: hep-ph/0606167.

[3]A. Lenz and G. Tetlalmatzi-Xolocotzi, Model-independent bounds on new physics effects in non-leptonic tree-level decays of B-mesons, JHEP 07 (2020) 177, arXiv: 1912.07621.

n

[4]C. T. Davies et al., Lattice QCD matrix elements for the B0- Bs width difference beyond leading order, Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 082001, arXiv: 1910.00970.

[5]Heavy Flavor Averaging Group (HFLAV), PDG 2021, — URL:https://hflav-eos.web.cern.ch/hflav-eos/osc/PDG_2021/#BETAS.

[6]Aad G., ..., Meshkov O. et al. (ATLAS Collaboration), Measurement of the CP-violating phase фs in J/уф decays in ATLAS at 13 TeV // Eur. Phys. J. C 81 (2021) 342, arXiv:2001.07115, SC0RPUS(IF=4.590).

[7]Aad G., Meshkov O. et al. (ATLAS Collaboration), Performance of the ATLAS muon triggers in Run 2 // JINST 15 (2020) P09015, arXiv:2004.13447, SC0RPUS(IF=1.415).

[8]Aad G., ..., Meshkov O. et al. (ATLAS Collaboration), Operation of the ATLAS trigger system in Run 2 // JINST 15 (2020) P10004, arXiv:2007.12539, SC0RPUS(IF=1.415).

[9]Мешков О.В., Смирнова Л.Н., Газовые детекторы для идентификации частиц при высоких энергиях // Ученые записки физического факультета Московского Университета, 2017, № 3, с. 173204.

[10]Мешков О.В., Системы мониторинга триггера B-физики в эксперименте ATLAS Большого адронного коллайдера// Ученые записки физического факультета Московского Университета, 2019, № 2, с. 1920202.

[11]Синецкий В.В., Мешков О.В., Смирнова Л.Н. Исследования нарушения лептонного аромата, СР-инвариантности и R(K*) аномалии в экспериментах на БАК // Ученые записки физического факультета Московского Университета, № З, 2019, с. 19З0404.

[12]Мешков О.В., Идентификация частиц в трековом детекторе переходного излучения ATLAS c использованием аргоновых и ксеноновых газовых смесей // Труды XVI Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», 2015, с 55-5S.

[13]Мешков О.В., Маевский А.С., Калибровка экспериментальной установки для исследования переходного излучения на пучках SPS (CERN) // Труды XVII Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», 2016, с 122-125.

[14]Evans Lyndon, Bryant Philip. LHC Machine // JINST. — 200S. — Vol. 3. — P. S0S001. — D0I:10.10SS/174S-0221/3/0S/S0S001.

[15]Aad G. et al. The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider // JINST. — 200S. — Vol. 3. — P. S0S003. — D0I:10.10SS/174S-0221/3/0S/S0S003.

[16]ATLAS Collaboration, ATLAS Insertable B-Layer Technical Design Report // CERN-LHCC-2010-013, ATLAS-TDR-19

[17]ATLAS Collaboration, Performance of the ATLAS Trigger System in 2015// Eur. Phys. J. C 77 (2017) 317 DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-4S52-3

[1S]Aad G.et al.(ATLAS Collaboration), Expected Performance of the ATLAS Experiment Detector, Trigger and Physics. — arXiv: 0901.0512.

[19]ATLAS Collaboration, Measurement of quarkonium production in proton-lead and proton-proton collisions at 5.02 TeV with the ATLAS detector // Eur. Phys. J. C 78 (2018) 171

[20]ATLAS Collaboration, Measurement of b-quark fragmentation properties in jets using the decay ^ in pp collisions at Vs=13 TeV with the ATLAS detector. — arXiv:2108.11650

[21]ATLAS Collaboration, Measurement of the production cross-section of J/y and y(2S) mesons at high transverse momentum in pp collisions at sV=13 TeV with the ATLAS detector // ATLAS-C0NF-2019-047

[22]ATLAS Collaboration, Measurement of the relative 5(±/5± production cross section with the ATLAS detector aW s=8 TeV //Phys. Rev. D 104 (2021) 012010

[23]ATLAS Collaboration, Study of the 5+ ^ and 5+ ^ //№*+decays in pp collisions at Vs = 13TeV with the ATLAS detector //ATLAS-C0NF-2021-046

[24]ATLAS Collaboration, Angular analysis of ^ decays in pp collisions at Vs=8 TeV with the ATLAS detector// JHEP 10 (2018) 047

[25] ATLAS Collaboration, Study of J/yp resonances in the 4 ^ //^ptf decays in pp collisions at sV=7 and 8TeV with the ATLAS detector // ATLAS-C0NF-2019-048

[26]ATLAS Collaboration, Search for a Structure in the Invariant Mass Spectrum with the ATLAS Experiment // Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 202007

[27]ATLAS Collaboration, Study of the rare decays of B0s and B0 mesons into muon pairs using data collected during 2015 and 2016 with the ATLAS detector// JHEP 04 (2019) 098

[28]The ATLAS, CMS and LHCb Collaborations, Combination of the ATLAS, CMS and LHCb results on the ^ pi+pT decays // ATLAS-C0NF-2020-049

[29]The ATLAS Collaboration, Probing lepton flavour violation via neutrinoless t ^ 3^ decays with the ATLAS detector // EPJC. 2016. 76. P. 232; arxiv:1601.03567.

[30]V. Kostyukhin, VKalVrt - package for vertex reconstruction in ATLAS., tech. rep. ATL-PHYS-2003-031, revised version number 1 submitted on 2003-09-24 11:10:53: CERN, 2003, url: https://cds.cern.ch/record/685551.

[31]ATLAS Collaboration, Measurement of the CP-violating phase and the Bs meson decay width difference with B° ^ J/'iïty decays in ATLAS, JHEP 08 (2016)147, arXiv: 1601.03297.

[32]Christenson J. H., Cronin J. W., Fitch V. L., Turlay R. Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson // Phys. Rev. Lett. — 1964. — Vol. 13. — P. 138-140. — DOI :10.1103/PhysRevLett. 13.138.

[33]Abe Kazuo et al. Observation of large CP violation in the neutral B meson system // Phys. Rev. Lett. — 2001. — Vol. 87. — P. 091802. — DOI: 10.1103/PhysRevLett. 87.091802. arXiv:hep-ex/0107061.

[34]Aubert Bernard et al. Observation of CP violation in the B0 meson system // Phys. Rev. Lett. — 2001. — Vol. 87. — P. 091801. — DOI: 10.1103/PhysRevLett. 87.091801. arXiv:hepex/0107013.

[35]LHCb Collaboration. Observation of CP Violation in Charm Decays // Phys. Rev. Lett. — 2019. — Vol.122. —P.211803. —DOI:10.1103/PhysRevLett.122.211803

[36]H. Burkhardt et al.(NA31). First evidence for direct CP violation // Phys. Lett.B206, 169 (1988).

[37]V. Fanti et al.(NA48). A new measurement of direct CP violation in two pion decays of the neutral kaon // Phys. Lett.B465, 335 (1999).

[38]A. Alavi-Haratiet al.(KTeV). Observation of Direct CP Violation in

Decays // Phys. Rev. Lett.83, 22 (1999).

[39]B. Aubert et al.(BaBar). Direct CP Violating Asymmetry in B°^K+rc- Decays // Phys. Rev. Lett.93, 131801 (2004).

[40]Y. Chao et al.(Belle). Evidence for Direct CP Violation in B°^K+rc- Decays //Phys. Rev. Lett.93, 191802 (2004).

[41]A. Poluektov et al.(Belle). Evidence for direct CP violation in the decay B±^D(*)K±, D^K0Src+rc- and measurement of the CKM phase ^3 //Phys. Rev.D81, 112002 (2010).

[42]P. del Amo Sanchez et al.(BaBar). Measurement of CP observables in B±^DcpK± decays and constraints on the CKM angle y // Phys. Rev.D82, 072004 (2010).

[43]R. Aaij et al.(LHCb). Observation of CP violation in B±^DK± decays // Phys. Lett.B712, 203 (2012).

[44]R. Aaij et al.(LHCb). First Observation of CP Violation in the Decays of B0s Mesons // Phys. Rev. Lett.110, 221601 (2013).

[45]R. Aaij et al.(LHCb). Observation of CP Violation in Charm Decays //Phys. Rev. Lett.122, 211803 (2019).

[46] M. Kobayashi and T. Maskawa. CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction. Prog. Theor. Phys.49, 652 (1973).

[47]Sakharov A. D. Violation of CP Invariance, C Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe // Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. — 1967. — Vol. 5. — P. 32-35.

[48]A. Riotto, Theories of Baryogenesis // "Proceedings, Summer School in High-energy physics and cosmology: Trieste,Italy, June 29-July 17, 1998," 326-436 (1998).

[49]M. Fukugita and T. Yanagida. Barygenesis without grand unification // Phys. Lett.B174, 45 (1986)

[50]S. Davidson, E. Nardi and Y. Nir. Leptogenesis // Phys. Rept.466, 105 (2008)

[51]F. J. Botella, G. C. Branco, M. Nebot // CP violation and limits on New Physics including recent 5S measurements, Nucl. Phys. B 768 (2007) 1, arXiv: 0608100

n —o

[52] LHCb Collaboration, Precision measurement of the 5S° — 5S oscillation frequency with the decay 5° ^ D- New J. Phys. 15 (2013) 053021, arXiv: 1304.4741.

[53]A. Lenz and U. Nierste, Theoretical update of 5s - 5s mixing, JHEP 06 (2007) 072, arXiv: 0612167.

[54]A. Lenz, M. L. Piscopo and A. V. Rusov, Contribution of the Darwin operator to non-leptonic decays of heavy quarks, JHEP 12 (2020) 199, arXiv: 2004.09527.

[55]P. Zyla et al., Review of Particle Physics, PTEP 2020 (2020) 083C01.

[56]D0 Collaboration, Measurement of the CP-violating phase tpJ^Q using the flavor-tagged decay B° ^ Jin 8 fb-1 of pp collisions, Phys. Rev. D 85 (2012) 032006, arXiv: 1109.3166

[57]CDF Collaboration, Measurement of the Bottom-Strange Meson Mixing Phase in the Full CDF Data Set, Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 171802, arXiv: 1208.2967.

[58]LHCb Collaboration, Precision Measurement of CP violation in J/^K+K--Decays, Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 041801, arXiv: 1411.3104.

[59]CMS Collaboration, Measurement of the CP-violating weak phase <ps and the decay width difference Ars using the B° ^ (1020) decay channel in p p collisions at Vs = 8 TeV, Phys. Lett. B 757 (2016) 97, arXiv: 1507.07527.

[60]LHCb Collaboration, Resonances and CP violation in B° and J/^K+K-decays in the mass region above the 0(1020), JHEP 08 (2017) 037, arXiv: 1704.08217.

[61]LHCb Collaboration, Updated measurement of time-dependent CP-violating observables in }/ipK+K- decays, Eur. Phys. J. C79 (2019) 706, arXiv: 1906.08356, Erratum: Eur. Phys. J. C80 (2020) 601.

[62]CMS Collaboration, Measurement of the CP-violating phase 0s in the //■00(1020) ^ ^ +^-K+K- channel in proton-proton collisions at V 5 = 13 TeV, Phys. Lett. B 816 (2021) 136188, arXiv: 2007.02434.

[63]LHCb Collaboration, First study of the CP-violating phase and decay-width difference in B°0^ ^(25)0 decays, Phys. Lett. B 762 (2016) 253, arXiv: 1608.04855.

[64]LHCb Collaboration, Measurement of the CP-violating phase in B° ^ D+ D-decays, Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 211801, arXiv: 1409.4619.

[65]LHCb Collaboration, Measurement of the CP-violating phase in J/^n+n-decays, Phys. Lett. B736 (2014) 186, arXiv: 1405.4140.

[66]LHCb Collaboration, Measurement of the CP-violating phase from ^ decays in 13 TeV p p collisions, Phys. Lett. B797 (2019) 134789, arXiv:

1903.05530.

[67]ATLAS Collaboration, Luminosity determination in p p collisions at V 5 = 13 TeV using the ATLAS detector at the LHC, ATLAS-C0NF-2019-021, 2019, url: https://cds.cern.ch/record/2677054.

[68]G. Avoni et al., The new LUCID-2 detector for luminosity measurement and monitoring in ATLAS, JINST 13 (2018) P07017

[69]T. Sjostrand et al., An Introduction to PYTHIA 8.2, Comput. Phys. Commun. 191 (2015) 159, arXiv: 1410.3012

[70]ATLAS Collaboration, ATLAS Pythia 8 tunes to 7 TeV data, ATL-PHYS-PUB-2014-021, 2014, url: https://cds.cern.ch/record/1966419.

[71]J. Pumplin et al., New generation of parton distributions with uncertainties from global QCD analysis, JHEP 07 (2002) 012, arXiv: hep-ph/0201195.

[72]ATLAS Collaboration, The ATLAS Simulation Infrastructure, Eur. Phys. J. C 70 (2010) 823, arXiv: 1005.4568

[73]S. Agostinelli et al., Geant4—a simulation toolkit, Nucl. Instrum. Meth. A 506 (2003) 250.

[74]ATLAS Collaboration, Muon reconstruction performance of the ATLAS detector in proton-proton collision data at V 5 = 13 TeV, Eur. Phys. J. C 76 (2016) 292, arXiv: 1603.05598

[75]M. Tanabashi et al., Review of Particle Physics, Phys. Rev. D 98 (2018) 030001.

[76]ATLAS Collaboration, Electron and photon performance measurements with the ATLAS detector using the 2015-2017 LHC proton-proton collision data, JINST 14 (2019) P12006, arXiv: 1908.00005.

[77]ATLAS Collaboration, Topological cell clustering in the ATLAS calorimeters and its performance in LHC Run 1, Eur. Phys. J. C 77 (2017) 490, arXiv: 1603.02934.

[78]M. Cacciari, G. P. Salam and G. Soyez, The anti-fct jet clustering algorithm, JHEP 04 (2008) 063, arXiv: 0802.1189.

[79]M. Cacciari, G. P. Salam and G. Soyez, FastJet user manual, Eur. Phys. J. C 72 (2012) 1896, arXiv: 1111.6097.

[80]ATLAS Collaboration, ATLAS Ь-jet identification performance and efficiency measurement with tt events in p p collisions at V 5 = 13 TeV, Eur. Phys. J. C 79 (2019) 970, arXiv: 1907.05120.

[81]A. S. Dighe, I. Dunietz and R. Fleischer, Extracting CKM phases and ßs - ßs mixing parameters from angular distributions of non-leptonic В decays, Eur. Phys. J. C 6 (1999) 647, arXiv: hep-ph/9804253.

[82]S. Stone and L. Zhang, S-waves and the Measurement of CP Violating Phases in ßs Decays, Phys. Rev. D79 (2009) 074024, arXiv: 0812.2832.

[83]ATLAS Collaboration, Time-dependent angular analysis of the decay //^ф and extraction of Ars and the CP-violating weak phase 0s by ATLAS, JHEP 12 (2012) 072, arXiv: 1208.0572.

[84]LHCb Collaboration, Updated average /s/ /d Ь-hadron production fraction ratio for 7 TeV pp collisions, LHCb-C0NF-2013-011, 2013, url: https://cds.cern.ch/record/1559262.

[85]BaBar Collaboration, Search for the Z(4430) - at BABAR, Phys. Rev. D 79 (2009) 112001, arXiv: 0811.0564.

[86]LHCb Collaboration, Study of the kinematic dependences of Ль production in pp collisions and a measurement of the ль^ Л+ branching fraction, JHEP 08 (2014) 143, arXiv: 1405.6842.

[87]LHCb Collaboration, Study of the production of Ль and 5° hadrons in pp collisions and first measurement of the Ль ^ //^p^" branching fraction, Chin. Phys. C 40 (2016) 011001, arXiv: 1509.00292.

[88]LHCb Collaboration, Measurement of the polarization amplitudes in ß0 ^ (892)0 decays, Phys. Rev. D 88 (2013) 052002, arXiv: 1307.2782.

[89]S. M. Flatté, Coupled - Channel Analysis of the rnj and KK Systems Near KK Threshold, Phys. Lett. B 63 (1976) 224.

[90]LHCb Collaboration, Measurement of resonant and CP components in Bq ^ Jtyn+n decays, Phys.Rev. D 89 (2014) 092006, arXiv: 1402.6248 [hep-ex].

[91] L. Lyons, D. Gibaut and P. Clifford, How to Combine Correlated Estimates of a Single Physical Quantity, Nucl. Instrum. Meth. A270 (1988) 110.

[92]A. Valassi, Combining correlated measurements of several different physical quantities, Nucl. Instrum. Meth. A500 (2003) 391.