Изучение распадов B0s-мезонов с чармонием и многочастичными адронными состояниями в эксперименте LHCb тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат наук Овсянникова Татьяна Алексеевна

• Овсянникова Татьяна Алексеевна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Овсянникова Татьяна Алексеевна

Введение

1 Детектор LHCb на Большом адронном коллайдере

1.1 Большой адронный коллайдер

1.2 Установка LHCb

1.3 Трековая система

1.3.1 Вершинный детектор

1.3.2 Дипольный магнит

1.3.3 Трековые станции

1.4 Реконструкция треков

1.5 Система идентификации частиц

1.5.1 Система детекторов колец черенковского излучения

1.5.2 Калориметрическая система

1.5.3 Система идентификации мюонов

1.6 Триггерная система

1.7 Система хранения данных

2 Распараллеливание в задачах анализа физических данных эксперимента LHCb

2.1 Программное обеспечение эксперимента LHCb

2.2 Стандартные среды обработки данных физического анализа

2.2.1 Среда обработки данных DaVinci

2.2.2 Среда обработки данных BENDER

2.3 Среда для анализа данных OSTAP

2.4 Использование распараллеливания в физическом анализе эксперимента LHCb

2.5 Результаты и выводы

3 Изучение распада B0 ^ 1/фтс+тс-К+К-

3.1 Отбор сигнальных событий

3.2 Определение числа сигнальных событий для B0 ^ хс1(3872)ф и

B0^ *ф(28)ф распадов

3.3 Определение числа сигнальных событий для

В° ^ Хс1(3872)К+К- распадов

3.4 Определение числа сигнальных событий для В0 ^ Л/ф К*°К*° распада

3.5 Оценка эффективностей восстановления распадов

3.5.1 Коррекция данных математического моделирования

3.5.2 Эффективность генератора и геометрического

аксептанса детектора

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 Отношения полных эффективностей

3.5.7 Полная эффективность для канала В° ^ хс1(3872)К+К-

3.6 Измерение массы В°-мезона

3.7 Исследование спектра масс Л/фф комбинации в распадах

В° ^ Л/фп+п-ф

3.8 Систематические неопределенности

3.8.1 Систематические неопределенности отношения парциальных ширин

3.8.2 Систематические неопределенности измерения массы В°-мезона

3.8.3 Систематические неопределенности массы и собственной ширины Х(4740)- структуры

3.9 Результаты и выводы

Заключение

Благодарности

Список рисунков

Список таблиц

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение распадов B0s-мезонов с чармонием и многочастичными адронными состояниями в эксперименте 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. Минимальность теории обеспечивает тот факт, что она описывает все известные взаимодействия между всеми известными на данный момент фундаментальными 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. Измеренные 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 параметрами накладываются ограничения, которые можно представить графически в комплексной плоскости в виде так называемого треугольника унитарности. Расхождения в результатах измерений этих параметров с теоретическими предсказаниями 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 требует 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 эффектов, как нейтринные осцилляций и т.д. Также существует необходимость

определить происхождение темной энергии и темной материи, которые составляют 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. Существуют 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 установкой для изучения фундаментальных законов природы за пределами Стандартной 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 очарованных частиц и наличие новых резонансов. Проявления новой физики могут быть обнаружены при измерении отклонения парциальных ширин распадов Ь-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 Ь ^ и Ь ^ [9].

Более того, после усовершенствования ускорителей и детекторов, исследование полулептонных распадов прелестных адронов позволит измерять параметры ОР-нарушения в распадах Ь-адронов с рекордной точностью [9].

Множество новых состояний, содержащих более трех кварков и появляющихся на границе масс системы мезон-антимезон (и мезон-барион), было открыто в прошлом десятилетии. Эти состояния неплохо описываются молекулярными 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 модели, 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, содержащих 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 способом 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/ф-, ^(2S)-, Хс0,1,2- и Пс(18)-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 cC-кварков. Такие малоизученные состояния называются чармониеподобными. Первое подобное состояние Х(3872) было открыто в 2003 году коллаборацией Belle, (в настоящее время названное хс1(3872)-мезоном) [11]. Масса этого состояния находится очень близко к порогу образования Б0Б*0-системы [12], а само состояние имеет очень маленькую (0.96 МэВ [13,14]) собственную ширину. В силу близости этого состояния к порогу образования Б0Б*0-системы существуют несколько интерпретаций его природы: до сих пор до конца не понятно, является ли это состояние тетракварком [15], Б0Б*0-молекулой [16-18] или чармониевым состоянием [19].

Также в распадах прелестных адронов в конечные состояния с чар-мониями было найдено большое количество таких экзотических состояний: тетракварки (хс1(4140), хс1(4274), хс0(4500), хс0(4700)) и пентакварки (Pc(4450)+, Рс(4380)+, Рс(4312)+, Рс(4440)+, Рс(4457)+) [12]. Исследование подобных 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 В°-мезонов в многочастичное состояние с чармониями. К задачам данной работы относятся разработка методов обработки данных эксперимента ЬЫОЬ, набранных в протон-протонных столкновениях при энергиях в системе центра масс 7, 8 и 13 ТэВ и соответствующих интегральной светимости 1, 2 и 6 фб-1.

В диссертации представлена процедура поиска новых распадов В° ^ Л/ф К*°К*° и В° ^ Хс1(3872)К+К-, где пара К+К- не ассоциирована с распадом ф-мезона. Проведены измерения парциальных ширин распадов В° ^ хс1(3872)ф и В° ^ Л/ф К*°К*° относительно нормировочного распада В°^ ф(28)ф и вычислено отношение парциальной ширины распада В°^ хс1(3872)К+К- к ширине распада В°^ хс1(3872)ф. Выполнен поиск новых состояний в спектре масс Л/фф комбинации в распадах В° ^ Л/фп+п-ф. В ходе выполнения работы измерена масса В°-мезона с рекордной точностью. Для эффективного проведения анализа данных был разработан инструментарий для распараллеливания задач анализа в рамках программного обеспечения эксперимента ЬЫОЬ.

Научная новизна:

— впервые обнаружен распад В° ^ Л/ф К*°К*° и измерено отношение парциальной ширины распада В° ^ Л/ф К*°К*° к ширине нормировочного канала В°^ ф(28)ф;

— впервые обнаружен распад В° ^ хс1(3872)К+К- и измерено отношение парциальной ширины распада В° ^ хс1(3872)К+К- к ширине нормировочного канала В° ^ хс1 (3872)ф;

— с рекордной точностью измерено отношение парциальной ширины распада В°^ хс1(3872)ф к ширине нормировочного канала В°^ ф(28)ф;

— измерена масса В°-мезона с точностью лучше среднемировой;

— впервые обнаружено состояние X(4740) и измерены его масса и собственная 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 ЬЫСЬ. Тема работы соответствует физической программе эксперимента ЬЫСЬ, а именно: исследованию распадов прелестных адронов в конечные состояния, содержащие чармоний и чармониеподобные частицы. Для выполнения работы автором было усовершенствовано программное обеспечение, с помощью которого производился анализ данных за счет применения методики распараллеливания алгоритмов.

Основные положения, выносимые на защиту:

— разработан метод реконструкции и отбора распадов Б0 ^ хс1(3872)ф и Б0^ ф(28)ф в данных эксперимента ЬЫСЬ;

— измерено отношение парциальной ширины распада Б0 ^ хс1(3872)ф к парциальной ширине нормировочного канала Б0 ^ ф(28)ф;

— разработан метод реконструкции и отбора распадов Б0 ^ Л/ф К*0К*0 в данных эксперимента ЬЫСЬ;

— измерено отношение парциальной ширины распада Б0 ^ Л/ф К*0К*0 к парциальной ширине нормировочного канала Б0 ^ ф(28)ф;

— разработан метод реконструкции и отбора распадов Б0 ^ хс1(3872)К+К-в данных эксперимента ЬЫСЬ;

— измерено отношение парциальной ширины распада Б0 ^ хс1 (3872)К+К-к парциальной ширине нормировочного канала Б0^ хс1(3872)ф;

— измерено значение массы В0-мезона;

— обнаружено новое состояние X(4740) и измерены его собственная ширина 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 стабильностью 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 экспериментах. Достоверность результатов и выводов, полученных в диссертации, также обусловлена многочисленными проверками с помощью компьютерного моделирования физических процессов и экспериментальной установки, дополнительными независимыми исследованиями внутри содружества LHCb.

Апробация работы и публикации

Материалы, изложенные в работе, опубликованы в статьях, которые удовлетворяют требованиям ВАК:

1. R. Aaij, ... , T. Ovsiannikova et al., Study of В0^ Л/фгс+гс-К+К- decays, JHEP 02 (2021) 024;

2. Т. A. Овсянникова и др., Распараллеливание в задачах анализа физических данных эксперимента LHCb, Программные продукты и системы 34 (2021) 189-194.

Данные материалы регулярно обсуждались на рабочих совещаниях международной коллаборации LHCb, лично представлялись на различных конференциях 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 физике (МКТЭФ'20), (г. Москва, Россия, 16 - 19 ноября 2020 г.).

Результаты работы неоднократно представлялись сотрудниками коллаборации LHCb на международных конференциях. Исследования отмечены следующими дипломами:

— победитель конкурса на лучшую экспериментальную работу ИТЭФ 2020 года.

Личный вклад диссертанта

Автор внес решающий вклад в получение всех представленных результатов. Диссертант принимал активное участие в разработке программной платформы для анализа данных эксперимента LHCb. В частности, ею был разработан пакет инструментов для распараллеливания задач анализа данных. Автором был проведен анализ физических данных эксперимента LHCb по поиску новых распадов В0-мезона в многочастичное состояние Л/фп+п-К+К-. Ею непосредственно выполнены все ключевые этапы работы: разработка методики реконструкции распадов, подготовка модельных наборов данных с использованием 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. Список литературы содержит 122 наименования. Текст диссертации организован следующим образом

— во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы 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 эксперимента ЬЫОЬ. 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 ЬЫОЬ, основные пакеты и способы их применения. Изложена структура программного обеспечения, используемого для анализа данных. Представлен разработанный набор инструментов и интерфейсов, позволяющих применять распараллеливание на многоядерных и многопроцессорных системах. Приведены результаты тестирования разработанного расширения для программного обеспечения ЬЫОЬ.

— в третьей главе представлены исследования по поиску новых распадов В°-мезона таких, как В°^ хс1 (3872)ф, В°^ хс1(3872)К+К-, В°^ Л/фК*°К*° и В°^ ф(28)ф. Описаны методы выделения этих распадов, показаны наблюдаемые сигналы. Приведены результаты вычисления отношений парциальных ширин изучаемых распадов. Кроме того, в главе приведены результаты измерения массы В°-мезона и обнаружения нового состояния Х(4740). В главе приведены проверки, доказывающие факт существования новых распадов. В конце главы приведены значения для отношений парциальных ширин, массы В°-мезона и характеристики нового состояния (масса и ширина). Масса В°-мезона определена с рекордной точностью.

— в заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

1 Детектор LHCb на Большом адронном коллайдере

В главе представлено общее описание детектора LHCb на Большом адронном коллайдере и приведено краткое описание самого коллайдера.

1.1 Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер [8] является крупнейшим ускорительным центром, предназначенным для изучения физики элементарных частиц. Он представляет собой циклический ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона и осуществления столкновения протонов, а также ионов свинца. Коллайдер БАК является частью комплекса ускорителей, расположенного в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) г. Женева, и спроектирован для исследования процессов, происходящих при соударении протонов и тяжелых ионов при рекордно больших энергиях. Ускоритель БАК построен в туннеле длиной 26,7 км, расположенном под землей на глубине 100-130 м на границе Швейцарии и Франции.

На рисунке 1 показан схематический вид комплекса, предназначенный для ускорения заряженных частиц до расчетной энергии соударения, которая достигается с помощью последовательного ускорения пучков частиц. Протоны, полученные путем ионизации атомов водорода, разгоняются до энергии 50 МэВ с помощью линейного ускорителя LINAC2. Последующее ускорение происходит в протонном синхротронном бустере BOOSTER до энергии 1,4 ГэВ, в протонном синхротроне PS до энергии 25 ГэВ и в протонном суперсинхротроне SPS до энергии 450 ГэВ. После этого протоны попадают в коллайдер БАК, где они ускоряются до требуемой энергии в системе центра масс протонов.

Коллайдер БАК является кольцевым ускорителем встречных пучков протонов, которые пересекаются в четырех точках взаимодействия частиц, где расположены детекторы ATLAS [20], CMS [21], ALICE [22] и LHCb [23,24]. Частицы в протонных пучках сгруппированы в сгустки ( около 1,15 х 1011 протонов) для достижения оптимального ускорения. При такой конфигурации временной интервал между столкновениями составляют приблизительно

Рисунок 1 — Схематический вид ускорительного комплекса БАК

25 нс, что соответствует 2808 сгусткам в пучке. Кроме протон-протонных столкновений, на коллайдере БАК также изучаются ион-ионные и протон-ионные столкновения. Для ускорения ионов в ускорительном комплексе существует альтернативная цепь инжекторов.

Коллайдер БАК начал свою работу в 2010 году. Первый период набора данных Run 1 соответствует 2011-2012 годам, с энергиями соударения в системе центра масс протонов 7 ТэВ для 2011 и 8 ТэВ для 2012 годов. Затем были проведены работы по модернизации не только экспериментальных установок, но и систем самого ускорителя, которые позволили достичь энергии столкновения л/s = 13 ТэВ. Второй сеанс набора данных Run 2 происходил в период 2015-2018 гг. Проектируемая энергия столкновения в системе центра масс протонов, равная 14 ТэВ, будет достигнута после модернизации ускорителя в 2019-2021 гг. Светимость, достигнутая коллайдером БАК в течение периода Run 2, в два раза превышает проектную светимость и составляет С = 2 х 1034 см-2 с-1.

Детекторы, установленные в точках пересечения пучков, имеют различные физические задачи. На рисунке 1 показано схематическое расположение экспериментальных установок коллайдера БАК. Эксперименты ATLAS и CMS являются универсальными спектрометрами и предназначены для изучения широкого спектра задач физики элементарных частиц, таких как изучение физики бозона Хиггса, физики тяжелых кварков, поиск физики за пределами Стандартной модели, проверки предсказаний основных положений СМ и т.д. Детектор

ALICE спроектирован для изучения столкновений тяжелых ионов и исследований в области физики сильных взаимодействий материи при экстремально высоких температурах и давлении. Спектрометр LHCb исследует физику тяжелых кварков, редкие распады прелестных частиц, изучает эффекты барионной и лептонной асимметрии, также занимается поиском физики за пределами Стандартной модели элементарных частиц и проверкой предсказаний вне ее пределов. Более детальное описание детектора LHCb приведено в следующем разделе.

1.2 Установка LHCb

Установка LHCb является одноплечевым передним спектрометром, предназначенным для широкого круга задач. Физическая программа эксперимента LHCb охватывает проблемы физики высоких энергий, такие как: изучение редких распадов адронов, содержащих b- и с- кварки (b- и c-адронов), изучение механизма нарушения CP-четности, определение параметров матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (СКМ), изучение спектроскопии тяжелых адронов, исследование эффектов квантовой хромодинамики при высоких энергиях, проверка физики тяжелых ионов и изучение лептонной универсальности.

Детектор LHCb спроектирован таким образом, чтобы наиболее эффективно и точно реконструировать события от одиночных взаимодействий протонов. Для обеспечения подобного режима работы, пучки ускоренных протонов расфокусируются при подходе к точке взаимодействия. Таким образом обеспечивается мгновенная светимость в точке взаимодействия на уровне С = 4 х 1032 см-2 с-1 [25].

Пары bb- и сС- кварков в столкновениях протонов на ускорителе БАК (pp-столкновения) излучаются в основном в направлении партона с более высоким импульсом под небольшим углом по отношению к пучку. Детектор LHCb обеспечивает покрытие в диапазоне псевдобыстрот п в промежутке от 2 до 5, где псевдобыстрота п определяется через угол 6 - направление по отношению к оси пучка в системе центра масс. Это соответствует геометрическому аксептан-су от 15 до 300 (250) мрад в горизонтальном (вертикальном) направлении [23]. Такое угловое покрытие позволяет наиболее эффективно исследовать события c

рождением пар bb - и cC-кварков. В геометрический аксептанс установки LHCb попадает около 40% всех рожденных частиц, содержащих тяжелые кварки. В эксперименте используется правосторонняя система декартовых координат с началом отсчета, помещенным в точку взаимодействия протонных пучков. Ось z расположена по оси пучка в направлении мюонной системы, ось у направлена вертикально вверх, а ось х расположена в направлении к центру кольца коллай-дера БАК. Схематическое изображение установки LHCb показано на рисунке 2.

Изучаемые тяжелые частицы имеют достаточно большие времена жизни порядка 0,4-1,5 пс. Эта особенность используется при анализе физических данных эксперимента. Вершина распада массивных частиц, содержащих прелестные кварки, (вторичная вершина), удалена от точки pp-столкновения (первичной вершины). Эта сигнатура используется для проведения поиска так называемых удаленных вторичных вершин, образованных при распаде тяжелой частицы. Для регистрации и реконструкции различных лептонных, полулептон-ных 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 [26], трековых станций на основе полупроводниковой технологии TT и трековых плоскостей на основе пропорциональных газовых камер (T1-T3) [27]. 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 [28] и адронный калориметр HCAL), двух детекторов колец черенковского излучения (RICH1 и RICH2) [29] и мюонной системы. Подробное описание поддетекторов будет дано ниже [24].

1.3 Трековая система

Трековая система отвечает за реконструкцию треков заряженных частиц и обеспечивает информацию об их заряде и импульсе с высокой точностью.

5m 10m 15m 20m z

Рисунок 2 — Схематическое изображение установки LHCb

Трековая система состоит из вершинного детектора (VELO) [26], дипольного магнита [30], трековых станций ТТ, находящихся перед магнитом, трековых станций (T1-T3) [27], расположенных после магнита. Зарегистрированные координаты взаимодействия заряженных частиц внутри вершинного детектора и трековых станций позволяют реконструировать полную траекторию частицы. По искривлению траектории в магнитном поле дипольного магнита можно восстановить импульс частицы и ее заряд.

1.3.1 Вершинный детектор

Вершинный детектор (VELO) предназначен для определения положения вершин распадов b- и c-адронов (вторичных вершин) и координаты вершин pp-столкновений (первичных вершин в условиях эксперимента LHCb), а также определения прицельных параметров заряженных частиц по отношению к первичной вершине [26]. Характерное расстояние между вторичной и первичной вершиной обычно составляет от 0,01 до 1 см. Детектор VELO состоит из двадцати одной кремниевой пластины полукруглой формы, которые обеспечивают информацию о координатах прохождения частицы в цилиндрических

(а)

ф-сенсоры во глрад

* i и tJJJ LU4- - -bd ~~Г ! i___

z 1 ПМП1ЕПП i 15 глрад

область пересечения пучков о 8 5 3 см

в см

VELO при нестабильном пучке

VELO в рабочем состоянии

Рисунок 3 — Схематическое изображение детектора VELO в плоскости xz (а).

Схематический вид модуля детектора VELO в стандартном режиме работы (б) и при нестабильном пучке (в) (вид по направлению оси z)

координатах (г,ф,z). Сенсоры расположены максимально близко к пучку, внутри вакуумной камеры. Для того чтобы обеспечить безопасную работу детектора от большого потока вторичных частиц во время инжекции и сброса пучка, чувствительные элементы установлены на две подвижные опоры. Это позволяет раздвигать сенсоры на расстояние до 6 см во время нестабильных пучков и сдвигать на расстояние 8 мм во время набора данных. Радиус активной зоны каждого счетчика составляет 42 мм, а толщина ~ 300 мкм. Позиционное разрешение при такой конфигурации варьируется от 5 до 25 мкм в зависимости от угла трека и ширины кремниевого счетчика в области попадания частицы, так как прибор имеет меньшую толщину около оси пучка. Такая конструкция детектора позволяет достичь координатного разрешения для реконструкции первичной вершины на уровне 40 мкм в плоскости (х,у), которое в свою очередь дает разрешение по прицельному параметру для треков с большими поперечными импульсами на уровне 20 мкм [26].

1.3.2 Дипольный магнит

Импульс и заряд частицы в эксперименте ЬЫСЬ определяются по кривизне траектории в магнитном поле. Магнитное поле создается с помощью двух зеркально-симметричных катушек, выполненных в форме седла и состоящих из 15 слоев полых алюминиевых проводников с центральными каналами охлаждения

0.75 0.5 0.25

-0.25 -0.5 -0.75 -1

0 200 400 600 800 1000

z см

Рисунок 4 — Напряженность магнитного поля по оси у в зависимости от

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Овсянникова Татьяна Алексеевна, 2021 год

Список литературы

[1] Д. И. Казаков Усп. физ. наук 189 (2019) 387.

[2] ATLAS collaboration G. Aad et al. Phys. Lett. B716 (2012) 1.

[3] CMS collaboration S. Chatrchyan et al. Phys. Lett. B716 (2012) 30.

[4] A. Carter, A. I. Sanda Phys. Rev. Lett. 45 (1980) 952.

[5] A. Carter, A. I. Sanda Phys. Rev. D23 (1981) 1567.

[6] I. Dunietz, J. L. Rosner Phys. Rev. D34 (1986) 1404.

[7] Planck collaboration P. A. R. Ade et al. A&A 571 (2014) A1.

[8] L. Evans, P. Bryant JINST 3 (2008) S08001.

[9] LHCb collaboration CERN-LHCC-2018-027 LHCb-PUB-2018-009.

[10] S. L. Olsen, T. Skwarnicki, D. Zieminska Rev. Mod. Phys. 90 (2018) 015003.

[11] Belle collaboration S.-K. Choi et al. Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 262001.

[12] Particle Data Group P. A. Zyla et al. Prog. Theor. Exp. Phys. 6 (2020) 083C01.

[13] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. D. 102 (2020) 092005.

[14] LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 08 (2020) 123.

[15] L. Maiani, F. Piccinini, A. D. Polosa, V. Riquer Phys. Rev. D71 (2005) 014028.

[16] N. A. Tornqvist Phys. Lett. B590 (2004) 209.

[17] E. S. Swanson Phys. Lett. B588 (2004) 189.

[18] C.-Y. Wong Phys. Rev. C69 (2004) 055202.

[19] K. K. Seth Phys. Lett. B612 (2005) 1.

[20] ATLAS collaboration G. Aad et al. JINST 3 (2008) S08003.

[21] CMS collaboration S. Chatrchyan et al. JINST 3 (2008) S08004.

[22] ALICE collaboration K. Aamodt et al. JINST 3 (2008) S08002.

[23] LHCb collaboration A. A. Alves Jr. et al. JINST 3 (2008) S08005.

[24] LHCb collaboration R. Aaij et al. Int. J. Mod. Phys. A30 (2015) 1530022.

[25] LHCb collaboration R. Aaij et al. LHCb-DP-2019-001.

[26] LHCb collaboration P. R. Barbosa Marinho eí a/. CERN-LHCC-2001-011.

[27] LHCb collaboration A. Franca Barbosa e¿ ai. CERN-LHCC-2002-029.

[28] I. Machikhiliyan J. Phys. Conf. Ser. 160 (2009) 012047.

[29] LHCb collaboration S. Amato e¿ ai. CERN-LHCC-2000-037.

[30] LHCb collaboration S. Amato e¿ a/. CERN-LHCC-2000-007.

[31] W. D. Hulsbergen Nucl. Instrum. Meth. A552 (2005) 566.

[32] LHCb collaboration S. Amato e¿ a/. CERN-LHCC-2000-036.

[33] LHCb collaboration P. R. Barbosa Marinho eí a/. CERN-LHCC-2001-010.

[34] J. D. Cockcroft, E. T. S. Walton Proc. Roy. Soc. A129 (1930) 477.

[35] S. Filippov et al. LHCb-2000-042.

[36] Yu. Guz J. Phys. Conf. Ser. 160 (2009) 012054.

[37] R. Aaij et al. JINST 8 (2013) P04022.

[38] LHCb collaboration LHCb-2004- 089, CERN-LHCb-2004-089.

[39] LHCb collaboration P. Koppenburg, L. Fernandez LHCb-2005-016.

[40] P. J. Papajorgji, P. M. Pardalos The Plug and Play Architecture. Springer, Boston, MA, Media New York 2014.

[41] T. Sjostrand, S. Mrenna, P. Skands Comput. Phys. Commun. 178 (2008) 852.

[42] GEANT4 collaboration S. Agostinelli et al. Nucl. Instrum. Meth. A506 (2003) 250.

[43] Geant4 collaboration J. Allison et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 (2006) 270.

[44] D. J. Lange Nucl. Instrum. Meth. A462 (2001) 152.

[45] P. Golonka, Z. Was Eur. Phys. J. C45 (2006) 97.

[46] LHCb collaboration R. Aaij et al. The BOOLE project web page.

[47] LHCb collaboration CERN-LHCC-2014-016.

[48] LHCb collaboration LCHb-2004-023.

[49] R. Brun and F. Rademakers Nucl. Inst. Meth. in Phys. Res A 81 (1997) 389.

[50] I. Belyaev The OSTAP project web page.

[51] LHCb collaboration Wouter Verkerke and David P. Kirkby LHCb-2004- 089, CERN-LHCb-2004-089.

[52] The pathos project web page.

[53] The nose project web page.

[54] The LCG Releases web page.

[55] The travis ci project web page.

[56] The azure pipeline web page.

[57] D. Merkel Linux Journal 2.

[58] D. Pipalo et al. Future Gener. Comput. Syst. 78.

[59] L. Mascetti et al. J. Phys. : Conf. Ser 664.

[60] J. Moscicki, M. Lamanna J. Phys. : Conf. Ser 513.

[61] L. J. A. J. Peters J. Phys. : Conf. Ser 331.

[62] Т. А. Овсянникова и др. Программные системы и продукты 34 (2021) 1 189.

[63] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 072001.

[64] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 082002.

[65] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 122 (2019) 222001.

[66] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 117 (20i6) 082003.

[6l] Belle collaboration S.-K. Choi et al. Phys. Rev. Lett. 1GG (2008) i4200i.

[68] Belle collaboration R. Mizuk et al. Phys. Rev. D8G (2009) 03ii04(R).

[69] Belle collaboration K. Chilikin et al. Phys. Rev. D88 (2013) 074026.

[70] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 112 (20i4) 222002. [li] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. D92 (20i5) П2009.

[72] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 118 (20il) 022003.

[73] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. D95 (20il) 0i2002.

[74] LHCb collaboration R. Aaij et al. Eur. Phys. J. C78 (20i8) i0i9.

[75] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 122 (20i9) i52002.

[76] L. Maiani, A. Polosa, V. Riquer Phys. Lett. B778 (20i8) 247.

[77] P. Artoisenet, E. Braaten, D. Kang Phys. Rev. D82 (20i0) 014013.

[78] E. Braaten, L.-P. He, K. Ingles Phys. Rev. D1GG 7 (20i9) 074028.

[79] L. Maiani, A. D. Polosa, V. Riquer Phys. Rev. D1G2 (2020) 034017.

[80] CMS collaboration A. M. Sirunyan et al. Phys. Rev. Lett. 125 i5 (2020) i5200i.

[81] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Lett. B7G8 (20i2) 24i.

[82] LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 2 (202i) 024.

[83] LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 11 (2013) 094.

[84] LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP G5 (20i6) 132.

[85] LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP G9 (2019) 028.

[86] M. Needham Tech. Rep. LHCb-2008-002. CERN-LHCb-2008-002. LPHE-2008-002 CERN Geneva Jan, 2008.

[87] G. Lanfranchi et al. Tech. Rep. LHCb-PUB-2009-013. CERN-LHCb-PUB-2009-013 CERN Geneva Aug, 2009.

88] C. Jones Talk at the PID meeting.

89] T. Skwarnicki A study of the radiative cascade transitions between the upsilon-prime and upsilon resonances. PhD thesis Institute of Nuclear Physics, Krakow 1986 DESY-F31-86-02.

90] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Lett. B707 (2012) 52.

91] C. Hanhart, Yu. S. Kalashnikova, A. E. Kudryavtsev, A. V. Nefediev Phys. Rev. D76 (2007) 034007.

92] E. Braaten, J. Stapleton Phys. Rev. D81 (2010) 014019.

93] Yu. S. Kalashnikova, A. V. Nefediev Phys. Rev. D80 (2009) 074004.

94] C. Hanhart, Yu. S. Kalashnikova, A. V. Nefediev Eur. Phys. J. A47 (2011) 101.

95] E. Byckling, K. Kajantie Particle kinematics. John Wiley & Sons Inc., New York 1973.

96] S. S. Wilks Ann. Math. Stat. 9 (1938) 60.

97] M. Pivk, F. R. Le Diberder Nucl. Instrum. Meth. A555 (2005) 356.

98] LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. D87 (2013) 072004.

99] LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 08 (2017) 037.

100 101 102

103

104

105

J. van Tilburg LHCb tracking twiki page 2012.

J. van Tilburg LHCb tracking twiki page 2015.

J. van Tilburg LHCb tracking twiki page 2016.

LHCb collaboration R. Aaij et al. Eur. Phys. J. C71 (2011) 1645.

LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 06 (2013) 064.

LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 10 (2015) 172.

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120 121 122

KEDR collaboration V. Anashin et al. Phys. Lett. B749 (2015) 50.

LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 202001.

LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 02 (2020) 049.

LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 07 (2020) 123.

D. Ebert, R. N. Faustov, V. O. Galkin Eur. Phys. J. C58 (2008) 399 arXiv:0808.3912.

J. M. Blatt, V. F. Weisskopf Theoretical nuclear physics. Springer New York 1952.

S. M. Flatte Phys. Lett. B63 (1976) 224.

BES collaboration M. Ablikim et al. Phys. Lett. B607 (2005) 243. LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Lett. B698 (2011) 115. LHCb collaboration R. Aaij et al. Eur. Phys. J. C72 (2012) 2118. LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 06 (2013) 065. LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 03 (2016) 040. LHCb collaboration R. Aaij et al. JHEP 08 (2018) 191. LHCb collaboration R. Aaij et al. Phys. Rev. Lett. 122 (2019) 191804. L. Lyons, D. Gibaut, P. Clifford Nucl. Instrum. Meth. A270 (1988) 110. CDF collaboration D. Acosta et al. Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 202001. Belle collaboration R. Louvot et al. Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 021801.