Измерение вероятностей распадов B → D(*)ηιν тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Ливенцев, Дмитрий Владимирович

• Ливенцев, Дмитрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ливенцев, Дмитрий Владимирович

Введение

1 История изучения полулептонных распадов 5-мезонов.

1.1 Открытие и изучение Ь-кварков.

1.2 Слабые распады Ь-кварков.

1.3 Существующие экспериментальные данные.

1.3.1 Измерение распада В0 —► D*~£+w.

1.3.2 Измерение распада В —► D£+v.

1.3.3 Измерение распадов В —► D**£+v.

2 Описание полулептонных распадов 5-мезонов.

2.1 Симметрия тяжёлых кварков.

2.2 Спектроскопия S- и Р-волновых состояний D-мезонов.

2.3 Лагранжиан HQET.

2.4 Полулептонные распады в HQET.

2.5 Правила сумм.

3 Экспериментальная установка

3.1 Ускоритель КЕКВ.

3.2 Детектор Belle.

3.2.1 Вершинный детектор.

3.2.2 Дрейфовая камера.

3.2.3 Аэрогелевый детектор черепковского излучения

3.2.4 Система измерения времени пролёта частиц.

3.2.5 Электромагнитный калориметр.

3.2.6 Мюонная система.

3.2.7 Идентификация заряженных треков

3.2.8 Триггерная система.

3.3 Моделирование детектора

4 Метод тагирования полным восстановлением.

4.1 Методы изучения полулептонных распадов.

4.2 Восстановление промежуточных частиц.

4.3 Восстановление пары ВВ.

5 Изучение распадов В

5.1 Нормировочные распады В D(*H+v.

5.2 Источники фона и его описание.

5.3 Измерение относительной вероятности распадов В D^Trt+v.

5.4 Изучение резонансной структуры.

5.5 Изучение характеристик распадов В —*■ D*'**i+iy, D*'** —► D-k.

5.6 Оценка систематических ошибок измерений.

5.7 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение вероятностей распадов B → D(*)ηιν»

Стандартная модель (СМ) описывает сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия трёх поколений кварков и лептонов. Основной задачей физики высоких энергий в последние десятилетия является определение параметров СМ, проверка её предсказаний и поиск физики за её пределами (Новая физика). До сих пор СМ с удивительной точностью описывает все наблюдаемые в микромире процессы.

Изучение 5-мезонов — важнейший инструмент физики высоких энергий. Благодаря большой массе 6-кварка (ть Aqcd и, следовательно, а3(ть) ~ Ю-1) и богатству процессов, в которых он участвует, Б-физика открывает широкие возможности по изучению параметров СМ и поиску процессов, не описываемых ей.

Начиная с 80-х годов, исследованию 5-мезонов был посвящён целый ряд экспериментов: ARGUS, CLEO, ALEPH, DELPHI, L3, OPAL и др. В 90-х годах для изучения £?-мезонов и поиска CP-нарушения в их распадах были запущены В-фабрики КЕКВ (КЕК, Япония) и PEP-II (SLAC, США), характеризующиеся беспрецедентно высокой светимостью, на которых работают детекторы Belle и ВаВаг.

Полулептонные распады занимают особое положение среди слабых распадов Б-мезонов. Это исключительно спектаторные процессы, обеспечивающие самое точное измерение матричных элементов |К,ь| и В отличие от адронных распадов теоретические неопределённости описания полулептонных переходов существенно меньше. Относительная инклюзивная вероятность полулептонных распадов £?-мезона измерена с хорошей точностью и составляет (10.2 ± 0.9)% для В+ и (10.5 ± 0.8)% для В0 [1]. Однако измеренные эксклюзивные полулептонные распады Б-мезона в основные состояния D-мезона (В —> D£+v и В —> D*£hu) составляют только 70-80% от полной вероятности. Поскольку относительная вероятность полулептонных распадов за счет b —> и перехода мала 10~4 [1]), "недостающие" распады следует искать среди распадов в возбуждённые состояния D-мезонов В —> D**tvv или в многочастичные состояния В —> D^mri^i/.

Для описания таких процессов используются модели, основанные на эффективной теории тяжелых кварков (Heavy Quark Effective Theory, HQET). Методы HQET показали прекрасные результаты при описании полулептонных распадов В-мезонов, как эксклюзивных в основные состояния D-мезона, так и, в особенности, инклюзивных процессов; теория позволяет получить значение \Усь\ с точностью, лучшей 2% [2, 3,4]. Однако возникают определённые проблемы в описании эксклюзивных распадов в возбужденные состояния D-мезонов. Например, правила сумм (в частности, правило сумм Уральцева [5]) указывают на сильное доминирование распадов в узкие возбуждённые состояния D-мезонов над распадами в широкие состояния, в то время как некоторые экспериментальные результаты дают обратную картину [6, 7]. До настоящего времени надёжно измеренным оставался только распад в узкое состояние Di(2420), распадающееся на D*тг. Изучению распадов с другими D** в конечном состоянии мешают трудности их восстановления и выделения на большом комбинаторном фоне, а сами экспериментальные данные по распадам в (2460) и широкие возбуждённые состояния D-мезонов оставались противоречивыми. Поэтому достоверного сравнения теории с результатом эксперимента провести не удавалось.

Помимо обсуждаемой выше важности изучения распадов В —» D^mri^'v и В —> для проверки и уточнения моделей сильного взаимодействия при переходах тяжелых кварков, эти распады являются фоновыми при определении матричных элементов |Ktb| и \Усь\, а также для измерения распадов В —> D^r vuT, представляющее один из перспективных методов поиска Новой физики в распадах 5-мезонов.

Темой настоящей работы является измерение вероятностей полулептонных распадов В D^ttF-v и исследование резонансной структуры адронной системы ЯМ /I для выделения вклада различных D**. Измерение выполнено с помощью полной реконструкции второго (тагирующего) В-мезона в событии. Согласно теоретическим предсказаниям, вклады отдельных возбуждённых состояний D-мезонов могут составить ~ 0.5% и внести существенный вклад в полную относительную инклюзивную вероятность полулептонных распадов В-мезона.

Настоящая работа основывается на данных, набранных за период с 2000 по 2007 гг. в эксперименте Belle, работающем на ускорителе КЕКВ в научно-исследовательском центре КЕК (г. Цукуба, Япония). КЕКВ — асимметричный е+е~ коллай-дер с энергией пучков в системе центра масс 10.58 ГэВ, соответствующей массе Т(4S) резонанса.

Основные материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [8]. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались в 2005-м году на 22-м Международном симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (LP2005) в Уппсале, Швеция; на Международной конференции по физике высоких энергий Европейского физического общества (HEPP-EPS 2005) в Лиссабоне, Португалия; на 4-м Международном семинаре по треугольнику унитарности СКМ в Нагойе, Япония (СКМ2006) в 2006-м году; в 2007-м году на 23-м Международном симпозиуме по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (LP2007) в Дигу, Корея; в 2008-м году на 9-м международном семинаре по тяжёлым кваркам и лептонам (HQL-2008) в Мельбурне, Австралия; на 43-й международной конференции Rencontres de Moriond 2008 в JIa Туиле, Италия, а также на совещаниях сотрудничества Belle.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Ливенцев, Дмитрий Владимирович

Результаты исследования систематических ошибок приведены в таблице 5.6. Мы получили ошибку в 14% для измерения вероятности В —> ошибку в

16% для измерения относительных вероятностей распадов в узкие D** и ошибку в 25% для распадов в широкие D**.

5.7 Обсуждение результатов

1. Предложенный метод тагирования исследуемого полулептонного распада В-мезона полным восстановлением второго jB-мезона в событии из распадов Т(45)-резонанса был проверен на надежно измеренных распадах В —> D*trv. Полученные значения относительных вероятностей этих распадов показали хорошее согласие со среднемировыми значениями, что подтвердило применимость метода в исследовании полулептонных распадов.

2. Впервые напрямую измерены относительные вероятности распадов В —>

Заключение

Представленные в настоящей диссертации исследования были основаны на данных эксперимента Belle, набранных в период с 2000 по 2007 год. В представленных исследованиях были получены следующие основные результаты:

1. Предложен метод тагирования исследуемого полулептонного распада В-мезона полным восстановлением второго 5-мезона в событии из распадов Т(46')-резонанса. Оптимизированы критерии отбора тагирующего 5-мезона для повышения точности измерения и уменьшения систематических ошибок измерения.

2. Разработанный метод восстановления полулептонных распадов В-мезонов проверен на надежно измеренных распадах В —> D*£+v. Полученные значения относительных вероятностей этих распадов находятся в хорошем согласии со среднемировыми значениями.

3. Впервые напрямую измерены относительные вероятности распадов В —> D^ir£+v для В+ и В°-мезонов

В{В+ -> D~iv+£+i>) = (0.40 ± 0.04 ± 0.06)%, В{В+ -> D*~>K+tv) = (0.64 ± 0.08 ± 0.09)%, В(В° -> D\~tv) = (0.42 ± 0.07 ± 0.06)%, В{В° -> D*°ir-e+v) = (0.56 ± 0.21 ± 0.08)%.

4. В работе, выполненной на большей статистике данных, впервые обнаружены и измерены с хорошей точностью относительные вероятности полулептонных распадов в состояние D2(2460)

В(В+ -> Dftv) х B(Df D~tt+) = (0.21 ± 0.03 ± 0.03)%, В{В° -> D*2~tu) х Bio;' D°тг~) = (0.21 ± 0.04 ± 0.03)%.

5. Исследованы кинематические характеристики этих распадов: зависимость дифференциальной вероятности от переданного импульса, а также поляризация Dj. Измеренные значения параметров HQET составляют гз/2(1) = 0.75, т£/2 = -1.8±0.3.

6. Относительные вероятности полулептонных распадов в состояние Z)i(2420) измерены с точностью, лучшей или сравнимой со среднемировой,

В(В+ D\tv) х В(Щ -> D*~ir+) = (0.42 ± 0.07 ± 0.07)%, В(В° D^tu) х B(Di D*°тг") = (0.54 ± 0.19 ± 0.09)%.

7. Получен верхний предел на вероятности полулептонных распадов в широкое состояние £^(2430)

В{В+ D'ftu) х Г)*-тг+) < 0.07% на 90% У.Д.,

В{В° х B{D'{- £)*°тг-) < 0.47% на 90% УД.

8. В спектре инвариантных масс пары Dir из распадов В —► Dir£+v обнаружено значимое превышение событий над фоном в области 2.0ГэВ/с2 < M(Dt) < 2.4ГэВ/с2, совместимое с гипотезой рождения широкого Р-волнового состояния Dq. В предположении вклада этого состояния измерены относительные вероятности

В(В+ D^tv) х B(D? D~ir+) = (0.18 ± 0.03 ± 0.04)%, В(В° Dl'tu) х B{D*0~ ,О07г-) = (0.17 ± 0.06 ± 0.04)%.

Благодарности

Я благодарен своему научному руководителю, Павлу Николаевичу Пахлову, за его плодотворные идеи, без которых эта работа не была бы начата и закончена.

Также я хотел бы поблагодарить всех, с кем я общался и кто оказывал мне помощь в её написании, особенно моих коллег за их терпение и ответы на мои бесконечные вопросы, в ИТЭФе: Руслана Чистова, Галю Пахлову, Тимофея Уг-лова, Тагира Аушева, Рому Мизюка, и ИЯФе: Александра Бондаря, Александра Кузьмина, Сеню Эйдельмана.

Отдельное огромное спасибо Александру Евгеньевичу Бондарю за его интерес к моей работе, советы, вопросы и рекомендации.

Конечно же, эта работа была бы невозможна без сотрудников научного центра КЕК и участников коллаборации Belle, создавших прекрасный научный прибор и все условия для комфортной работы на нём.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ливенцев, Дмитрий Владимирович, 2008 год

1. O. Buchmueller, H. Flaecher, Phys. Rev. D 73, 073008 (2006).

2. K. Abe et al (Belle Collaboration), hep-ex/0611047.

3. B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), arXiv: 0707.2670 [hep-ex].

4. N. Uraltsev, Phys. Lett. В 501, 86 (2001).

6. D. Buskulic et al. (ALEPH Collaboration), Z. Phys. С 73, 601 (1997);

7. A. Anastassov et al. (CLEO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 80, 4127 (1998);

8. G. Abbiendi et al. (OPAL Collaboration) Eur. Phys. J. С 30, 467 (2003).

9. V.M. Abazov et al. (DO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 95, 171803 (2005);

10. J. Abdallah et al. (DELPHI Collaboration), Eur. Phys. J. С 45, 35 (2006).

11. M. A. Shifman, M. B. Voloshin, Sov. J. Nucl. Phys. 47, 511 (1988), M. A. Shifman, M. B. Voloshin, Yad. Fiz. 47, 801 (1988).

12. N. Isgur and M.B. Wise, Phys. Lett. В 232, 113 (1989).

13. N. Isgur and M.B. Wise, Phys. Lett. В 237, 527 (1990).

14. M. Neubert, Phys. Rept. 245, 259 (1994).

15. A. V. Manohar and M. B. Wise, Camb. Monogr. Part. Phys. Nucl. Phys. Cosmol. 10, 1 (2000).

16. J. Rosner, Comm. Nucl. Part. Phys. 16, 109 (1986).

17. K. Abe et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. D 69, 112002 (2004); A. Kuzmin et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. D 76, 012006 (2007).

18. E. Eichten and B.R. Hill, Phys. Lett. В 243, 427 (1990); A.F. Falk, B. Grinstein and M.E. Luke, Nucl. Phys. В 357, 185 (1991).

19. LI. Bigi, M. Shifman, N.G. Uraltsev and A. Vainshtein, Phys. Rev. D 52 196 (1995).

20. N. Uraltsev, Phys. Lett. В 545, 337 (2002).

21. J.L. Goity and W. Roberts, Phys. Rev. D51, 3459 (1995). Мы используем исправленную модель из генератора EvtGen, см. 46..

22. J. Blatt and V. Weisskopf, "Theoretical Nuclear Physics", New York: John Wiley & sons (1952).

23. A. Le Yaouanc et al., Phys. Lett. В 520, 25 (2001).

24. S. Veseli, M.G. Olsson, Phys. Lett. В 367, 302 (1996).

25. D. Scora and N. Isgur, Phys. Rev. D 52, 2783 (1995); см. также N. Isgur et al., Phys. Rev. D 39, 799 (1989).

26. B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), Phys. Rev. Lett. 100, 151802 (2008).