Редкие распады В-мезонов на установке LHCb тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Беляев, Иван Михайлович

• Беляев, Иван Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Беляев, Иван Михайлович

Введение

1 Распады прелестных мезонов

1.1 Лагранжиан Стандартной Модели

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

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

1.4.1 Осцилляции нейтральных В-мезонов.

1.4.2 Механизмы СР-нарушения

1.4.3 CP-нарушение в амплитудах распадов.

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

1.4.5 Интерференция между распадами и осцилляциями

1.5 Слабые нелептонные распады В-мезонов.

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

1.7 Пингвинные b —> з(с1)-переходы

1.7.1 Радиационные пингвинные распады В-мезонов

1.7.2 Глюонные пингвинные распады В-мезонов.

2 Эксперимент LHCb

2.1 Ускоритель LHC.

2.2 Рождение b-кварков на LHC

2.3 Детектор LHCb

2.3.1 Система восстановления треков.

2.3.2 Детекторы колец черенковского излучения

2.3.3 Мюонный детектор.

2.3.4 Калориметрическая система.

2.3.5 Магнит, вакуумная камера

2.4 Триггер.

2.5 Моделирование и восстановление событий.

2.5.1 Моделирование методом Монте-Карло.

2.5.2 Восстановление треков заряженных частиц.

Ф 2.5.3 Восстановление вершин рр-взаимодействий.

2.5.4 Восстановление фотонов и 7г°-мезонов

2.5.5 Идентификация заряженных частиц.

2.5.6 Восстановление Kg -мезонов.

2.5.7 Программы физического анализа

3 Анализ пингвинных распадов в эксперименте LHCb

3.1 Принципы отбора событий.

3.2 Оптимизация критериев отбора

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

3.4 Отбор событий В° ->фф и Bj} '.

3.5 Эффективность и годовые выходы.

3.6 Оценки соотношения сигнала и фона.

3.7 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Редкие распады В-мезонов на установке LHCb»

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

• существование взаимодействий, несохраняющих комбинированную (CP) четность;

• существование взаимодействий, несохраняющих барионное число;

• отсутствие термодинамического равновесия в начальный период.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Диссертация состоит из введения, трех частей и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Беляев, Иван Михайлович

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

Заключение

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

В работе получены следующие результаты:

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Беляев, Иван Михайлович, 2005 год

1. Вагзик, I. Ве1уаеу, А. Со1ийут апс

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