Авторефераты по всем тема >>
Авторефераты по физик
Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им. А. И. Алиханова На правах рукописи
Друцкой Алексей Георгиевич
0 0 0 0 Распады Bs (5S) и Bs мезонов Bs Bs на В фабрике
Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва 2011 г
УДК 539. I/p>
Работа выполнена в ФГУП ГН - РФ УИнститут теоретической и экспериментальной физикиФ, г. Москва Официальные оппоненты : доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН М. И. Высоцкий (ФГУП ГН - РФ ИТЭФ, г. Москва) доктор физ.-мат. наук, Л. К. Гладилин ( НИИЯФ МГУ, г. Москва) доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН В. Ф. Образцов (ГН - РФ ИФВЭ, г. Протвино) Ведущая организация : ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск)/p>
Защита диссертации состоится 15 февраля 2011 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 в конференц-зале ФГУП ГН - РФ ИТЭФ по адресу:
г. Москва, ул. Б. Черемушкинская, д. 25
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ
Автореферат разослан 12 января 2011 г
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук В. В. Васильев
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена изучению механизмов распадов Bs - мезонов и (5S) - + резонансов на экспериментальных данных, полученных в - аннигиляции при энергии в системе центра масс в области (5S) - резонанса. В работе представлен принципиально новый метод исследования Bs - мезонов и в несколько отличных от (4S) кинематических условиях В+- и В0- мезонов (при упоминании этих частиц в диссертации по умолчанию подразумеваются также соответствующие им античас+ тицы Bs, В- и B0). Этот метод основан на увеличении полной энергии коллайдера, традиционно работающего в области энергии (4S) - резонанса, в область энергии (5S) - резонанса. Данный метод был детально разработан и практически осуществлён на коллайдере КЕКВ и детекторе Belle. С помощью этого метода был впервые получен ряд новых данных по распадам Bs - мезонов, а также детально изучены свойства (5S) - резонанса. Результаты изучения распадов В - мезонов с подхватом кварковой - пары, где в процессе взаимодействия совместно участвуют - и - кварки, также представлены в диссертации
Экспериментальные данные, представленные в данном исследовании, получе+ - ны на установке Belle, работающей на коллайдере КЕКВ (г. Цукуба, Япония), при асимметричных пучках с полной энергией в области рождения (4S) - и (5S) - резонансов. Основные результаты диссертации [1-17] опубликованы в реферируемых журналах, указанных в утверждённом списке ВАК. Первые 11 работ опубликованы в журналах Physical Review Letter и Physical Review D, последние опубликованы как труды международных конференций
Актуальность темы Экспериментальная информация о Bs - мезонах, существовавшая до последнего времени, была достаточно ограничена и в основном получена на адронном коллайдере Тэватрон в экспериментах CDF и D0. Более ранние данные, полученные на экспериментальных установках комплекса LEP, имели относительно низкую статистическую значимость. Использование принципиально нового метода исследо+ - вания Bs - мезонов на коллайдере позволило существенно расширить наше представление об этих частицах. В проведённых на основе разработанного метода исследованиях удалось выполнить целый ряд новых измерений, невозможных на адронных коллайдерах, а также улучшить точность существующих измерений
Новый метод имеет отличные от предыдущих экспериментов источники систематических погрешностей, что позволяет провести критическую проверку существующих измерений Bs - мезонов
+ - На коллайдерах, работающих в области энергии (4S) - резонанса, накоплен колоссальный объем информации о заряженных В+- и нейтральных В0- мезонах
Эти данные позволяют одновременно изучать различные процессы, включая сильные, слабые и электромагнитные. Распады В- мезонов являются уникальной лабораторией для понимания физики частиц. Важнейшим элементом этих исследований является проверка Стандартной Модели (СМ). В то же время Bs - мезоны значительно менее изучены, хотя их исследование позволяет получить не менее важные и плодотворные результаты, чем полученные при изучении В+- и В0- мезонов
Отсутствие прецизионных измерений широкого спектра распадов Bs - мезонов существенно ограничивает наше понимание механизмов взаимодействия кварков
Кроме того, ряд новых важных проверок Стандартной Модели может быть осуществлён только с помощью предложенного метода
+ Метод изучения Bs - мезонов с использованием данных, полученных в - столкновениях, в самом общем виде обсуждался в ряде теоретических работ [18-20]
Первая практическая попытка экспериментального использования данного метода была предпринята коллаборацией CLEO, однако набранный образец данных (0.42fb-1) был слишком мал для того, чтобы получить статистически надёжные результаты. Тем не менее, коллаборация CLEO сумела получить первое свидетельство рождения Bs - мезонов при энергии (5S) - резонанса [21,22], что явилось существенной мотивацией для проведения данной работы. Однако полученные экспериментальные данные были близки к уровню потенциальных статистических флуктуаций. Кроме того, статистические погрешности были слишком большими для сравнения полученных результатов с теоретическими расчётами. Поэтому было необходимо провести экспериментальную проверку работоспособности данного метода и получить статистически значимые результаты
Успешная реализация предложенного метода в эксперименте Belle позволила к настоящему времени получить ряд новых интересных результатов. Кроме того, результаты, полученные на основе нового метода изучения Bs - мезонов, важны для + - планирования будущих экспериментов, где ожидаются значительно большие интенсивности пучков. Оптимизация параметров будущих супер В фабрик в Японии и Италии проводится при существенном использовании результатов, полученных в данном исследовании
Данные, набранные в области (5S) - резонанса, также позволяют изучать свойства непосредственно (5S) - резонанса. Этот резонанс, иногда обозначаемый в литературе как (10860), представляет собой -кварк и -анти-кварк пару или боттомониум. Такие частицы, состоящие из двух тяжелых кварков, предполагают возможность достаточно точного теоретического предсказания их свойств в результате относительно малых вкладов поправок в рамках теории возмущений. В то же время до представленного исследования отсутствовали точные экспериментальные данные, которые можно было бы сравнить с теоретическими предсказаниями в этой области. Полученные в проведённом исследовании экспериментальные данные об образовании и распадах (5S) - резонанса позволили провести критическую проверку ряда теоретических моделей
Цель диссертации Целью диссертации являлась разработка нового метода исследования Bs - и В- + - мезонов в - столкновениях при энергии в области (5S) - резонанса и изучение механизмов образования и распадов Bs - мезонов и (5S) - резонансов
Научная новизна В данной работе впервые разработан и практически реализован новый метод изучения распадов Bs - мезонов в е+е-- столкновениях при энергии в области (5S) - резонанса. Для этого потребовалось развить новую методику анализа экспериментальных данных и провести измерения ряда параметров. С помощью данного метода стало возможно первое измерение ряда распадов Bs - мезонов, в частности, с нейтральными частицами, труднореализуемое в других экспериментальных условиях
Используя новый метод, впервые измерены вероятности распадов B ( Bs 0 0 0 0 D- +), B (Bs D +), B (Bs D- +), B (Bs ), B (Bs D- D+ ) и B (Bs s s s s s D- D+ ). Получены верхние пределы на вероятности распадов B (Bs ) и s s B (Bs K0 K0), превосходящие по точности все имеющиеся в мире на сегодняшний 0 день. Проведены новые измерения вероятностей распадов B (Bs D- B (Bs +), s 0 D- Ds K+ ), B (Bs K+ K-) и B (Bs D- + ), с точностью, сравнимой с имеющимися s s результатами
В работе со значительно более высокой точностью, по сравнению с полученными ранее результатами CLEO, измерены доли двух-частичных распадов (5S) - резонанса в В+- и В0- мезоны, а трёх-частичные распады были обнаружены и измерены впервые. В работе также представлены первые измерения вероятностей распадов В D(*) K- K0(*), B K и B0 DsJ (2317)+ K-
Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработка и практическая реализация на детекторе Belle нового метода изучения Bs - мезонов в е+е- - столкновениях при энергии в области (5S) - резонанса
2. Определение параметров распадов (5S) - резонансов, необходимых для измерения вероятностей распадов Bs - мезонов: сечения рождения - пары при энергии (5S) - резонанса (е+е- ), вероятности образования Bs - мезонов из - пары (*) (*) * * fs ( Bs Bs ) и доли событий с Bs B s - парой среди всех событий с Bs - мезонами * * f (Bs B s )
0 0 3. Первые измерения распадов Bs D- +, Bs D- 0 D- +, Bs , +, Bs s s s 0 Bs D- D+ и Bs D- D+. Получение верхних пределов на вероятность распадов s s s s 0 Bs и Bs K0 K0 с лучшей в мире точностью. Новые измерения с высокой 0 точностью относительных вероятностей распадов Bs D- 0 D +, Bs s K+, Bs K+ K- s и Bs D D+
s s 4. Измерение с высокой точностью полных и двух-частичных вероятностей распадов (5S) - резонанса в В+- и В0- мезоны. Первое измерение трёх-частичных каналов распадов (5S) - резонанса с В+- и В0- мезонами в конечном состоянии
5. Первые измерения относительных вероятностей распадов В мезонов с подхватом s - пары, В D(*) K- K0(*), B K и B0 DsJ (2317)+ K-
s Апробация работы и публикации Основные материалы диссертации опубликованы в реферируемых журналах Physical Review Letters и Physical Review D [1-11], а также в материалах международных конференций [12-17]
Материалы, представленные в диссертации, докладывались автором на совещаниях сотрудничества Belle, а также многочисленных международных конференциях
Среди них - Рочестерская конференция ICHEP 2006 (г. Москва, Россия) [12];
конференции Европейского физического общества EPS/HEP 2007 (г. Манчестер, Англия) [13], EPS/HEP 2009 (г. Краков, Польша) [14]; крупные конференции Rencontres de Moriond 2006, 2009 (г. Ла Туиль, Италия) [15,16], FHFP 20(г. Москва, Россия), JPS/DPF 2006 (г. Гонолулу, США), HCPS 2008 (г. Галена, США) [17], QWG 2010 (г. Чикаго, США). Результаты также докладывались сотрудниками коллаборации Belle на множестве международных конференций
Предложенный метод изучения Bs - мезонов был подтверждён в ряде последних работ коллаборации Belle [3-8], где полученные сигналы имеют высокую статистическую значимость и хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями
Значения относительных вероятностей распадов Bs - мезонов, которые были получены в данной работе, демонстрируют хорошее согласие с результатами, полученными в эксперименте CDF [23,24]
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 9 глав и заключения. Её объём - 173 страницы, включая 53 рисунка и 25 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 1наименования статей
Краткое содержание диссертации Введение посвящено обсуждению нового метода изучения Bs - мезонов, его возможностей и перспектив, а также наиболее важных результатов, полученных с его помощью, по изучению Bs - мезонов и (5S) - резонансов. В нем также формулируется тема исследования и приводится план расположения материала
В Главе 1 обсуждаются теоретические модели и имеющиеся предсказания значений относительных вероятностей распадов Bs - мезонов. Теоретический обзор начинается с описания стандартных методов расчётов вероятностей распадов Bs - и В- мезонов. Приводится классификация различных типов распадов (риc.1). Рассматриваются основные существующие вопросы, которые могут быть решены при 0 изучении распадов Bs - мезонов. Обсуждается возможность сравнения распадов Bs - мезонов с соответствующими распадами В+- и В0- мезонов с целью проверки SU(3) - симметрии [25], в частности, при измерениях УдревесныхФ распадов Bs 0 D- 0 D- +, Bs D +, Bs s + и Bs D- +
s s s Ряд специфических распадов Bs - мезонов может быть использован для проверок 0 0 различных теоретических моделей. В частности, распады Bs и Bs описываются диаграммами, которые часто называют радиационный УпингвинФ и аннигиляционный УпингвинФ. Как известно, УпингвинныеФ распады чувствительны к потенциальным вкладам Новой Физики (процессам, не описываемым СМ). Поэтому важным элементом проверки Стандартной Модели является сравнение теоретических предсказаний, полученных в рамках СМ, с экспериментальными измерениями 0 различных УпингвинныхФ распадов, в частности, Bs [26] и Bs [27]
Обсуждаются возможности проверки Стандартной Модели в распадах Bs - мезонов. В частности, интегральная СР - асимметрия, измеренная в распадах B0 K+ -, неожиданно оказалась существенно отличной от асимметрии в распаде B+ K+ 0, что было интерпретировано в ряде теоретических статей как возможное указание на вклад процессов, не описываемых СМ. Хотя позднее ряд авторов предложили возможное объяснение этого эффекта как результат вклада адронных поправок, тем не менее, в данном вопросе сохраняется существенная неясность
Дополнительную информацию по данной проблеме можно получить из измерения относительной вероятности распада Bs K+ K- [28]
Важная информация может быть получена из измерений вероятностей распадов 0 0 B (Bs D- + ), B (Bs D- D+ ) и B (Bs D- D+ ) [29,30]. Предположительно Ds s s s s s эти распады имеют исключительно СР - чётные конечные состояния и доминируют среди всех Bs - распадов с фиксированным СР
Основываясь на этих предположениях и используя измеренные вероятности приведенных выше распадов, можно вычислить параметр sСP / s. Сравнивая данный параметр, вычисленный таким методом и полученный напрямую из измерения разницы времени жизни СР - чётных и СР - нечётных каналов распадов 0 0 Рис. 1: Диаграммы распадов Bs - мезонов: УдревесныеФ (а) Bs D- и (b) Bs + s 0 D- +, подавленные по цвету (c) Bs D 0 K0 и (d) Bs J/ , УпингвинФ (e) и Ds s 0 0 УдревесныйФ (f) распад Bs K+ K-,УпингвиныФ(g) Bs и (h) Bs Bs - мезонов, можно провести критическую проверку СМ, в рамках которой данные два параметра должны совпадать
Интересная информация может быть получена из сравнения относительных 0 0 вероятностей распадов Bs J/ , Bs J/ и Bs J/ Т. Поскольку в доминирующих диаграммах этих распадов образуется s - пара, из которой формируются s -, - и Т- мезоны, то измеряя вероятности этих распадов, можно получить относительную вероятность образования -, - и Т- мезонов из этой пары, что, в свою очередь, важно для понимания механизма - Т смешивания [31,32]
Обсуждаются теоретические ожидания для относительной вероятности инклю0 зивного полулептонного распада Bs - мезона B (Bs X+l - )
В Главе 2 рассматриваются существующие экспериментальные данные по измерениям распадов Bs - мезонов. Эти данные были получены в основном на адронном коллайдере Тэватрон в экспериментах CDF и D0. Более ранние данные, полученные на экспериментальных установках LEP, имели низкую статистическую значимость
Обсуждается также теоретическая интерпретация имеющихся данных
Рассматриваются последние результаты по измерению разницы масс собственных СР- состояний ms в распадах Bs - мезонов в экспериментах CDF и D0 [33,34]
Также обсуждаются результаты прямого измерение параметра s / s [35,36]. Полученные в этих работах результаты измерения значения s / s и фазы s, ответственной за СР- нарушение в Bs - распадах, хотя и несколько отклоняются от ожидаемых в рамках СМ, имеют слишком большие статистические погрешности для того, чтобы сделать однозначное заключение о наблюдении процессов, не описываемых в рамках СМ
Основное внимание было уделено результатам измерений, полученных в экспериментах CDF и D0, относительных вероятностей базовых каналов распадов, 0 0 0 0 0 таких как Bs D- Bs J/ , Bs K+ K-, Bs K- +, Bs D +, D+ и Bs s s s D- + Х [23,24, 37-40]. Большой интерес представляет измерение интеграль ls ной СР - асимметрии в распаде Bs K- +, недавно представленное коллаборацией CDF на конференциях
В Главе 3 обсуждаются теоретические модели, описывающие распады (5S) - резонанса в конечные состояния с Bs - и В- мезонами [41-43]. (5S) - резонанс представляет собой УтяжёлыйФ боттомониум и его конечные состояния должны предсказываться теоретически с достаточно высокой точностью. Предсказания включают в себя вероятность распадов отдельно в Bs - мезоны и В- мезоны, а также в различные специфические конечные состояния, такие как двух-частичные 0 0 * * 0 * 0 * Bs Bs, Bs B s + Bs Bs, Bs B s, B B, B B *+ B *B, B * B * каналы и трёх-частичные B B , B*B , B* B * каналы. Резонансные состояния распадаются со 100% вероятностью * по каналам Bs Bs и B * B . При изучении каналов распадов (5S) - резонанса необходимо учитывать возможность процессов радиационного возврата в область энергии (4S) - резонанса или несколько выше, с последующим образованием В- мезонов
Существующие теоретические модели в большинстве основаны на простой модели, учитывающей форму волновой функции для - пары в 5S- состоянии
Дополнительно учитывается фазовый объём и спиновая структура для каждого конечного канала. В целом, процентные вероятности порядка 10% и более ожидаются * * для Bs B s, B B * и B * B * каналов. С другой стороны, имеющиеся предсказания для долей распадов в трёх-частичные каналы неожиданно предполагают низкий уровень менее 1% для таких конечных состояний. Следует отметить, что предсказания для трёх-частичных каналов включают плохо измеренные параметры, значения которых могут быть существенно пересмотрены в будущем
Глава 4 содержит описание экспериментальной установки: асимметричных по энергии накопительных колец коллайдера КЕКВ [44] и детектора Belle [45]
Обсуждаются также используемые методики реконструкции заряженных треков и нейтральных фотонов и полного восстановления событий. Детектор Belle был смоделирован и оптимизирован для измерения СР- нарушения в распадах В- мезонов
Элементы детектора расположены цилиндрически-симметрично относительно точки взаимодействия пучков. Внутри детектора действует магнитное поле напряженностью 1.5 Т, создаваемое сверхпроводящим соленоидом. Основными компонентами детектора Belle являются кремниевый вершинный детектор (SVD), многопроволочная дрейфовая камера (CDC), аэрогелиевый детектор Черенковского излучения (ACC), временипролетная система (TOF), электромагнитный калориметр (ECL) на основе кристаллов CsI (Tl), сверхпроводящий магнит, а также система мюонных камер (KLM), расположенная в ярме магнита. Детектор покрывает телесный угол в интервале от 17о до 150о по полярному углу, что составляет примерно 92% от полного телесного угла 4 в системе центра масс е+е- пучков
Универсальный характер установки позволяет проводить широкий спектр измерений, в частности, различных распадов Bs -, В- и D- мезонов, - лептонов, а также двух-фотонных и других процессов
В Главе 5 представлена концепция предложенного метода изучения Bs - мезонов в е+е- аннигиляции при энергии в области (5S) - резонанса. Сечение рождения адронов в е+е-- аннигиляции при полной энергии в области (10.5-11.3) ГэВ было впервые измерено коллаборацией CLEO в 1985 году. Данное распределение, кроме ярко выраженного (4S) - резонанса, имело два пика существенно меньшей амплитуды в области энергий 10860 MэВ и 11020 MэВ, которые были классифицированы как (5S) - и (6S) - резонансы (рис.2). В то время как (4S) - резонанс многие годы широко использовался для изучения В- мезонов коллаборациями ARGUS и CLEO, экспериментальные данные в области энергии (5S) - резонанса долгое время практически не набирались
Первый образец данных в области энергии (5S) - резонанса, набранный CLEO в 1985 году, составил всего лишь 0.1 fb-1 (эти данные соответствовали некоторому интервалу энергий в области (5S) - резонанса) и был слишком мал для обнаружения образования Bs - мезонов. Больший образец данных в (5S) - резонансе был набран CLEO в 2003 году и составлял 0.42 fb-1. На основе этих данных было получено первое свидетельство рождения Bs - мезонов при энергии (5S) - резонанса [21,22]
Однако значимость полученных результатов была слишком низкой для того, чтобы получить статистически надёжные оценки параметров рождения Bs - мезонов в е+е- столкновениях. В частности, даже после публикации результатов CLEO коллабора- (4S) (5S) (6S) Рис. 2 : Нормированное сечение рождения адронов (видимая часть) как функция полной энергии е+е- - столкновения ция BaBar приняла решение не набирать данные в (5S) - резонансе, посчитав это бесперспективным для изучения Bs - мезонов
Коллаборация Belle провела первый набор данных в (5S) - резонансе в 20году. Был получен пробный (инженерный) образец данных, составлявший 1.86 fb-1, что в 4.5 раза превосходило образец, полученный CLEO. На базе этих данных были получены количественные оценки различных параметров, необходимых для построения целостной методики изучения Bs - мезонов в е+е-- аннигиляции [1,2]. В 20году Belle набрала дополнительно 21.7 fb-1, а позднее, в 2008 и 2009 годах, увели- чила полное количество данных в (5S) - резонансе до примерно 121 fb-1. На основе данных, полученных на статистике 1.86 fb-1, были сделаны предварительные оценки, и было получено, что для статистически значимых экспериментальных измерений распадов Bs - мезонов необходимо набрать по крайней мере 20 fb-1
Для наиболее эффективного изучения Bs - мезонов было необходимо выбрать полную энергию е+е- - столкновений, соответствующую наибольшему выходу Bs - мезонов. Область оптимальной энергии была приблизительно известна из результатов CLEO, однако точный выбор энергии важен при наборе большого объёма данных. Для выбора оптимального значения энергии в самом начале эксперимента были набраны 5 небольших образцов данных по ~ 25 рb-1 в районе полной энергии 10870 MэВ с шагом 20 MэВ (рис. 3)
Для каждого образца было определено отношение числа адронных событий при значении второго Фокс-Вольфрам момента меньше 0.2 к числу е+е- (Бхабха) конечных событий. На основе этих данных была выбрана энергия 10869 MэВ. Позднее более аккуратная калибровка показала, что выбранные параметры коллайдера соответствуют энергии 10867 MэВ
Рис. 3: Отношение числа событий с адронными конечными состояниями при R2 < 0.2 к числу конечных е+е- - (Бхабха) событий как функция полной е+е- энергии в системе центра масс Другой важной проблемой являлось точное определение полного числа родившихся Bs - мезонов в набранном образце данных. События с адронами в конечных состояниях, регистрируемые в е+е-- столкновениях при энергии (5S) - резонанса, могут быть классифицированы на категории, как показано на рис. 4. В данной классификации учитываются только адронные события, в то время как другие категории событий не рассматриваются (такие как рождение - лептонов, двух-фотонные, радиационные переходы, , Бхабха и другие). Как показано на рис. 4, процессы резонансного (5S) рождения и - континуум имеют одинаковые конечные Рис. 4 : Классификация адронных событий в е+е- - столкновениях при энергии (5S) - резонанса состояния и не могут быть разделены. Поэтому оба эти класса событий объединены в класс - событий. В свою очередь, - события могут быть разделены на два класса: конечные состояния с Bs - мезонами и конечные состояния с В+- и В0- 0 мезонами. События с Bs - мезонами могут быть разделены на три категории: Bs Bs, 0 * * * * Bs B s + Bs Bs и Bs B s. Следует отметить, что методически невозможно разделить 0 * * конечные состояния Bs B s и Bs Bs, и эти состояния всегда рассматриваются сов- местно
Принимая во внимание данную классификацию, для того, чтобы определить полное число Bs - мезонов в выбранном наборе данных, ряд параметров должен быть определён с высокой точностью. Важной частью этой задачи является измерение абсолютного и относительного значения интегральной светимости. Абсолютное значение интегральной светимости измерялось с использованием стандартной Belle процедуры и имело погрешность порядка 1.4 %
Более высокая точность была получена для отношения интегральных светимостей изучаемого набора данных, полученного в (5S) - резонансе, и некоторого набора данных, набранного в континууме ниже энергии (4S) - резонанса. Погрешность отношения светимостей не включает погрешностей, связанных с теоретическим моделированием процессов, и по этой причине составляет всего ~ 0.4 %
Используя полученное отношение значений светимостей, было получено значение сечения рождения - пары при энергии е+е-- столкновений, равной 10867 MэВ:
(е+е-, 10867 MeV) = (0.302 0.015) нб
Следующим важным параметром являлась доля событий с рождением Bs - мезонов среди всех событий с образованием - пары, обозначаемая fs. Следует отметить, что подобная характеристика на адронных коллайдерах также обозначается fs, хотя её численное значение существенно отличается. Для определения значения fs были получены импульсные распределения Ds- и D0- мезонов в (4S), (5S) и континууме ниже энергии (4S) - резонанса. Нормируя импульсные распределения Ds- и D0- мезонов на полную энергию е+е-- столкновения и делая модельно-зависимое предположение о значении B (Bs D+ X), было получено s значение fs = (18.0 1.3 3.2) %
Для дальнейшего изучения Bs - мезонов также нужно точно определить доли 0 0 * * * 0 * событий в Bs Bs, Bs B s + Bs Bs и Bs B s каналах относительно суммы событий в этих трёх каналах. Для получения значений этих долей необходимо провести полную реконструкцию Bs - мезонов в каналах распадов, дающих значительное число сигнальных событий и не слишком большое число фоновых событий. Как 0 0 * * * 0 * показывает Монте Карло моделирование, каналы Bs Bs, Bs B s + Bs Bs и Bs B s могут быть надёжно разделены с помощью параметров Mbc и E. Эти параметры вычисляются по формулам:
M = -, E = - ( 1 ) где - это энергия пучка, а и - это энергия и импульс реконструированного Bs - мезонa в системе центра масс. На рис. 5 показано двумерное распределение по переменным Mbc и E для распадов В- и Bs - мезонов, смоделированных с помощью метода Монте Карло. Как видно из рисунка, вклады трёх каналов с Bs - мезонами существенно разделены на двумерном распределении по переменным Mbc и E. На этом же рисунке показаны вклады каналов с рождением В+- и В0- мезонов, которые будут обсуждаться ниже
Соответствующие доли каналов распадов были получены при изучении распада Bs D + [4]. В анализе был использован образец данных 23.6 fb-1. Были полу- s * * * чены следующие результаты: f ( Bs B s ) = (90.1. 0.2) %, f (Bs B s) = (7.3. 0.1) %,.
0 * * f (Bs Bs ) = (2.6. ) %. Как видно из полученных результатов, канал Bs B s является
доминирующим
Из приведённых выше оценок можно получить, что полное количество рождённых Bs - мезонов для образца с интегральной светимостью 1 fb-1 составляет приблизительно 10. Это позволяет сделать вывод о возможности изучения ряда распадов Bs - мезонов в е+е- - столкновениях при энергиях (5S) - резонанса при объёме набранного образца данных порядка 20 fb-1 или больше. На основе измеренных параметров были получены предварительные оценки числа событий, ожидаемых в базовых каналах распадов Bs - мезонов
В Главе 6 обсуждаются результаты измерения ряда каналов распадов Bs - мезонов. Результаты были получены с помощью нового метода изучения Bs - мезонов в е+е- - столкновениях при энергии (5S) - резонанса на основе образца 0 данных 23.6 fb-1. В числе первых были измерены распады Bs D- Bs +, s 0 0 D- +, Bs D- K+ [4,5], которые описываются так +, Bs D- + и Bs Ds s s s называемыми УдревеснымиФ диаграммами (рис. 1(а)). Эти УдревесныеФ диаграммы не подавлены по каким-либо характеристикам, и таким образом эти распады Bs - () () X () () X Рис. 5 : Двумерное распределение по переменным Mbc и E для распадов (5S) - 0 0 * * 0 * 0 * резонанса в каналы Bs Bs, Bs B s + Bs Bs и Bs B s (сигнальные области показаны как эллипсы), а также в различные каналы с В+- и В0- мезонами в конечном состоянии (трапециидальная область) мезонов должны иметь достаточно большую относительную вероятность порядка - (за исключением распада D K+ )
s Экспериментально получены значения вероятностей распадов - мезонов:
-B ( D- ( ) +) = ( 3.67 (стат) сист 0.49 (fs) ) x 10, s -( ) B ( D- +) = ( 2.4 (стат) 0.3 сист 0.4 (fs) x 10, s -B ( D- ( ) +) = ( 8.5 (стат) 1.1 сист 1.3 (fs) ) x 10, s -( ) B ( D- +) = ( 11.8 (стат) 1.7 сист 1.8 (fs) ) x 10
s Три последних распада измерены впервые. Распределения по Mbc и E для распада D + при отборах, соответствующих каналу (5S) , показаны s на рис. 6. В распаде D + были измерены значения масс - и - мезонов:
s M( ) = (5364.4 1.3 0.7) MэВ/c2 и M( ) = (5416.4 0.4 0.5) MэВ/c2
Рис. 6 : Mbc (а) и E (b) распределения для распада Bs D + при отборах, s * * соответствующих каналу (5S) Bs B s : интервалы E [-80,-17] MэВ для Mbc распределения и Mbc [5.41,5.43] MэВ/c2 для E распределения. Кривыми линиями показан результат подгонки данных, пунктирной - сигнала, точечной - фона, а сплошной - их сумма Полученные значения относительных вероятностей распадов хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями, сделанными в рамках HQET [46]
Существенный интерес представляет сравнение вероятностей этих Bs - распадов с подобными распадами В+- и В0- мезонов, получаемыми при замене s-кварка в Bs - мезоне на u-кварк или d-кварк. Такая операция замены не меняет существенно механизм распада в предположении SU(3) - симметрии. Предположительно эти распады УблизнецыФ Bs -, В+- и В0- мезонов должны иметь близкие по значениям вероятности распадов. Небольшое различие в массах В- и Bs - мезонов и D- и Dsмезонов, а также между их константами связи, может приводить к поправкам порядка 10 %, но не должно значительно нарушать равенство вероятностей распадов УблизнецовФ. При сравнении с данными из PDG [47] видно, что полученные относительные вероятности распадов находятся в разумном согласии с величинами, полученными для распадов УблизнецовФ
В работе [6] были измерены два процесса, описываемые УпингвиннымиФ диа0 граммами (рис. 1(g), (h)): распады Bs и Bs . Относительную вероятность распада Bs можно сравнить с подобным значением для распада УблизнецаФ В K* . Предсказываемое в рамках СМ значение относительной вероятности распада Bs [28] слишком мало для того, чтобы быть обнаруженным на имеющихся данных, набранных в (5S) - резонансе. Однако вклады, не описываемые СМ, могут в несколько раз увеличить относительную вероятность этого распада
Поэтому важно получить наилучшее значение верхнего предела для этого распада
Первое измерение распада Bs было выполнено коллаборацией Belle, по - лучена относительная вероятность B (Bs ) = (5.7.. ) x 10 [6]. Полу.
ченное значение согласуется в пределах ошибок с PDG значением для распада - УблизнецаФ : B (B 0 K*(892)0 ) = (4.01 0.20) x 10 [47]. Распределения по параметрам Mbc и E для распада Bs при отборах, соответствующих каналу * * (5S) Bs B s, показаны на рис. 7
В распаде Bs не наблюдалось превышения над фоном в области ожида - емого сигнала и был получен верхний предел B (Bs ) < 8.7 x 10. Этот предел является лучшим в мире на сегодняшний день. Следует отметить, что измерение распада Bs - мезона в два фотона с подобной точностью в экспериментах на адронных коллайдерах, скорее всего, невозможно. В рамках СМ (диаграмма представлена на рис. 1(h)) предсказывается относительная вероятность данного распада порядка - (0.4 - 1.0) х 10, однако в ряде моделей, являющихся расширениями СМ, это зна- - чение может достигать (3-4) х 10. Эти расширения СМ включают, в первую оче- редь, модели с заряженным бозоном Хиггса, с четвёртым поколением кварков и Рис. 7 : Mbc (слева) и E (справа) распределения для распада Bs при отборах, * * соответствующих каналу (5S) Bs B s. Пунктирной линией показан фон, серым цветом - сигнал, а сплошная чёрная - их сумма, полученная из подгонки данных некоторые варианты Супер Симметричных моделей с нарушением R- чётности и обменом нейтралино. К сожалению, полученный верхний предел пока ещё несколько превосходит значения, ожидаемые в этих экзотических моделях
Ещё одним распадом, измеренным с помощью нового метода, был распад Bs K+ K- [7]. Этот распад может быть соотнесён, предполагая U-спин симметрию, с распадом УблизнецомФ B0 K+ -. Кроме того, дополнительный интерес к этому распаду придаёт тот факт, что конечное состояние в распаде Bs K+ K- является собственным СР- состоянием. В то же время этот распад может идти как через доминантную УпингвиннуюФ диаграмму (рис. 1(е)), так и УдревеснуюФ диаграмму, подавленную по углу Каббибо и по bu переходу (рис. 1(f))
0 Полученное значение относительной вероятности Bs K+ K- распада, B (Bs - ( ) K+ K- ) = (3.8. (стат) 0.5 0.5 (fs) ) x 10, хорошо согласуется со
- значением B (Bs K+ K- ) = (3.3 0.6 0.7 ) x 10, полученным в эксперименте CDF [24]. Однако это несколько превосходит относительную вероятность распада - B (B0 K+ - ) = (1.94 0.06 ) x 10 [47]
0 0 В работе [8] изучались распады Bs D D+, Bs D- D+ и Bs D- D+. Эти s s s s s s распады представляют особый интерес, поскольку их конечные состояния являются (по крайней мере их большая часть) собственными СР- состояниями. Эти распады описываются УдревеснымиФ диаграммами (рис. 1(b)). Измерение относительных вероятностей этих распадов позволяет косвенным образом получить параметр sСР / s
Однако это можно сделать только в рамках следующих предположений:
0 0 1) распады Bs D D+, Bs D- D+ и Bs D- D+ являются СР- чётными s s s s s s собственными состояниями с долей, близкой к 100%
2) эти распады доминируют среди всех Bs - распадов с фиксированной СР- чётностью
Для того, чтобы проверить первое утверждение, необходимо провести угловой анализ распада Bs D- D+. Тем не менее, можно ожидать, что первое утвержs s дение выполняется с точностью примерно (7-10) %. Второе утверждение также требует дополнительных экспериментальных проверок. Существенную проблему могут представлять в этой связи конечные состояния с дополнительными пионами, такие как Bs D- + 0. При этом пион может быть продуктом распада резонанса Ds s типа D+ D+ 0. Принимая во внимание, что чётные и нечётные вклады будут s s J компенсировать друг друга, можно предположить, что чистая разница всех возможных СР фиксированных вкладов относительно вклада этих трёх распадов будет меньше, чем 10 %
Используя данные, набранные в (5S) - резонансе, были измерены отно0 сительные вероятности распадов Bs - мезонов: B (Bs D D+ ) = (1.0.. ) %, s s.
0 B (Bs D- D+ ) = (2.8. 0.7) %, B (Bs D- D+ ) = (3.1. 0.8) % [47]. Сумма s s s s.
этих трех каналов составляет (6.9. 1.9) %, что в рамках описанных выше
предположений даёт значение sСР/ s = ( 14.7.. 0.8) %, где указаны (по.
порядку) статистическая, систематическая и теоретическая погрешности. Теоретическая погрешность включает неопределённости, учитывающие только первое предположение, рассмотренное выше
В диссертации также кратко обсуждаются последние результаты изучения распадов Bs - мезонов, полученные с помощью предложенного метода и представленные на международных конференциях. Эти результаты [48,49] были опубликованы как материалы конференций и в электронном виде и должны быть опубликованы в реферируемых журналах в ближайшее время. Соответственно, эти работы не включены в основной список публикаций автора по теме диссертации
Интересные результаты были получены при измерении распадов, описываемых диаграммой, подавленной по цвету (рис. 1(d)). В этом классе распадов были изме0 рены относительные вероятности процессов Bs J/ и Bs J/ Т [48]. Были получены значения :
- ( ) B (Bs J/ ) = ( 3.32 0.87 (стат). 0.42 (fs) ) x 10 и
- ( ) B (Bs J/ Т) = ( 3.1 1.2 (стат). 0.38 (fs) ) x 10
Следует отметить, что эти конечные состояния представляют собой собственные СР- состояния. Ранее в эксперименте CDF [36] была также измерена относи-тельная вероятность распада B ( Bs J/ ) = (1.3 0.4 0.2 ) x 10. Совокупность этих трёх измерений, несмотря на значительные погрешности, позволяет получить качественную картину формирования -, Т- и - мезонов из s - пары
0 0 Из измерения относительных вероятностей Bs J/ , Bs J/ и Bs J/ Т распадов можно сделать заключение о примерном равенстве s - компоненты в - и Т- мезонах. Кроме того, сравнивая с каналом с - мезоном, можно предположить, что s - компонента в - и Т- мезонах составляет порядка (25-35) %
Кратко обсуждается результат измерения относительной вероятности полу0 лептонного инклюзивного распада Bs X+l - [49]. Полученное значение, B (Bs X+l - ) = (10.2 0.8 0.9 ) %, хорошо согласуется с подобной величиной для B0- мезонов, взятой из PDG [47], B (B0 X+l - ) = (10.33 0.28 ) %
В целом, отмечается неплохое согласие между полученными значениями относительных вероятностей Bs - распадов и относительными вероятностями соответствующих им распадов В+- и В0- мезонов
В Главе 7 обсуждаются результаты измерения долей распадов (5S) - резонанса в различные конечные состояния. Следует отметить, что условно говоря о процессе распада (5S) - резонанса, подразумевается образование конечных состояний в е+е- - столкновениях при энергии (5S) - резонанса. Как отмечалось выше (рис. 4), конечные состояния могут формироваться как через образование (5S) - резонанса, так и напрямую, из - пары в контиууме. При этом с квантовомеханической точки зрения эти процессы не могут быть разделены
На рис. 4 показана схема образования возможных конечных состояний в е+е- аннигиляции при энергии в области (5S) - резонанса. Рассматривая более детальную картину, видно, что энергии (5S) - резонанса достаточно для образования 0 0 0 * * 0 * 0 * двух-частичных состояний с Bs - мезонами Bs Bs, Bs B s + Bs Bs, Bs B s, двух-частичных состояний с В- мезонами B B, B B *+ B *B, B * B *, трёх-частичных состояний с В- мезонами B B , B B * + B*B , B* B * , а также четырёх-частичного состояния BB. Под В- мезоном здесь подразумеваются как заряженные, так и нейтральные В. Резонансные состояния распадаются со 100% вероятностью по каналам * Bs Bs и B * B . Кроме того, (5S) - резонанс может распадаться в комбинацию из какого-либо нижележащего состояния боттомониума и лёгких - и - мезонов, либо фотона. Вообще говоря, все конечные состояния с боттомониумом могут в сумме достигать нескольких процентов. Потенциально - пара может аннигилировать, производя конечные состояния без b-кварков, однако ожидается, что вероятность такого процесса столь мала, что при существующей точности ею можно пренебречь. Дополнительно к прямому распаду (5S) - резонанса можно ожидать также значительную долю событий с радиационным переходом в несколько меньшую энергию (например, в (4S) - резонанс) с последующим распадом в каналы с В - мезонами
Полная вероятность перехода во все каналы с Bs - мезонами была получена в работе [1], она составляет fs = (18.0 1.3 3.2) %. Разделение по отдельным каналам 0 с Bs - мезонами было получено с помощью распада Bs D- Соответствующие +
s * * * значения долей каналов [4] составляют f ( Bs B s ) = (90.1. 0.2) %, f ( Bs B s ) =
= (7.3. 0.1) %, f ( Bs Bs ) = (2.6. ) %
.
Изучение распадов (5S) - резонанса в каналы с В- мезонами было выполнено в работе [3]. Для реконструкции В- мезонов использовались пять каналов распадов:
B+ J/ K+, B0 J/ K*0, B0 D- + и B+ D 0 + (последний канал в двух модах распада D 0 K+ - и D 0 + + - - ). Все эти каналы распадов включают только заряженные частицы в конечном состоянии, что позволяет избежать больших систематических погрешностей, связанных с восстановлением фотонов. Кроме того, относительные вероятности распадов для всех пяти каналов измерены с высокой точностью на данных, полученных в (4S) - резонансе, что обеспечивает низкие систематические погрешности
Для этих пяти каналов были построены двумерные распределения по переменным Mbc и E, аналогичные показанному на рис. 5, где представлены события, смоделированные с помощью метода Монте Карло. Для получения полной вероятности образования В- мезонов использовалась комбинированная переменная E + Mbc - mB, где mB - это масса В- мезона. Используя подгонку по этой переменной, были получены вероятности образования заряженных и нейтральных В- мезонов в пересчёте на одно событие с образованием - пары : f (B+) = (72.1. 5.0) % и
f (B0) = (77.0. 6.1) %. Также было получено среднее значение для заряженных и
нейтральных В: (73.7 3.2 5.1) %
События, лежащие внутри сигнальной полосы, показанной на рис. 5, использовались для дальнейшего детального разделения каналов. Во-первых, вероятности двух-частичных каналов были определены с помощью проекции событий из сигнальной области на переменную Mbc. Эти распределения (проекции) были получены для пяти изучаемых каналов распадов В- мезонов. На рис. 8 показаны соответствующие Монте Карло моделированные распределения и суммарное распределение на данных после вычитания фона и коррекции на экспериментальную эффективность. Используя формы распределений, взятые из Монте Карло моделирования, в результате подгонки были получены значения долей двух-частичных каналов: f (B B ) = (5.5. 0.4) %, f (B B *+ B *B ) = (13.7 1.3 1.1) % и f (B * B * ) =
= (37.5. 3.0) %. Кроме того, была определена доля событий в области больших
значений Mbc > 5.348 GeV, f (Large Mbc) = (17.5. 1.3) %
Рис. 8 : (а) Полученные методом Монте Карло Mbc распределения для каналов распадов (слева направо) B B, B B * + B *B, B * B *, B B (заштрихованные гистограммы), а также B B , B B * + B * B и B* B * (простые гистограммы)
(b) Распределение по переменной Mbc на данных для суммы пяти каналов распадов В- мезонов после вычитания фонов. Результат подгонки данных в области двухчастичных распадов показан гистограммой Для получения значений долей трёх-частичных каналов дополнительно к реконструированным В- мезонам были реконструированы также заряженные - мезоны, рождаемые в распадах в B B , B B * + B*B и B* B * каналы. На рис. 9 показаны распределения по E+Mbc- mB переменной, построенной для недостающей системы
В недостающую систему входит невосстановленный В- мезон, а также, в случае присутствия B*- мезонов, незарегистрированные один или два фотона из распада Рис. 9 : (а) Полученное методом Монте Карло распределение по переменной E+Mbc- mB, полученной для недостающей системы к реконструированным В- и - мезонам. Каналы распадов (слева направо) BB , B B * + B*B , B* B * и BB представлены пиками в гистограммах. Физический фон для этих распадов показан как плоское распределение. Распределение по этой же переменной на данных (b) показано точками с статистическими погрешностями и представлено вместе с результатами подгонки (пунктирная кривая линия - фон, сплошная кривая линия - сумма фона и сигнала) B * B . В результате три трёх-частичных канала сдвинуты в этом распределении относительно друг друга на значение энергии фотона. Кроме того, небольшой пик, соответствующий каналу B B , наблюдается в самой правой части распределения
Как видно из этого распределения, эффективность регистрации четырёх-частичного канала значительно ниже, что обусловлено малыми значениями импульсов - мезонов в этом канале. Поэтому было решено не включать четырёх-частичный канал в подгонку данных, показанную на рис. 9 (b)
Как видно из рис. 9(b), только канал B B * + B*B наблюдается на данных с высокой значимостью. По-видимому, это обусловлено тем, что данный распад идёт в S- волне. При подгонке данных были получены значения долей трёх-частичных распадов: f (B B ) = (0.0 1.2 0.3) %, f (B B * + B*B ) = (7.3. 0.8) % и
f (B* B * ) = (1.0. 0.4) %
Представленные значения долей трёх-частичных каналов получены в предположении изотопической симметрии, в рамках которой вероятности распадов с заряженными - мезонами и с нейтральными - мезонами соотносятся как 2:1
Интересно отметить, что полученные значения указывают на то, что значительная доля событий порядка 9.2% не попадает ни в один из изучаемых каналов. Эти события могут быть объяснены как результат радиационного возврата в область (4S) - резонанса или несколько больших энергий с последующим образованием В- мезонов. Проведённые расчёты показывают, что такие процессы должны иметь вероятность порядка 10%. Это хорошо согласуется с долей ненаблюдаемых событий
В Главе 8 представлены результаты измерений нескольких распадов В- мезонов с подхватом ss - пары. В дополнение к основной теме диссертации по рождению и распадам (5S) - резонанса и Bs - мезонов динамика взаимодействий b- и s- кварков изучалась также в распадах В- мезонов, рождённых в (4S) - резонансе. Особенностью s- кварков является их УпромежуточнаяФ масса, которой нельзя полностью пренебречь в распадах В- мезонов, как это часто делается в случае лёгких d- и u- кварков. Кроме того, такие распады позволяют лучше понять механизм подавления рождения s- кварков по сравнению с лёгкими кварками, что наблюдается в целом ряде процессов. Одним из примеров может служить примерно четырёхкратное подавление рождения Bs - мезонов по сравнению с рождением В+- и В0- мезонов на Тэватроне. Похожее подавление наблюдается также и в распадах В- мезонов
Были изучены распады В D(*) K- K0(*), B K и B0 DsJ (2317)+ K-
Диаграммы, соответствующие этим распадам, показаны на рис. 10. Эти три процесса описываются существенно различными диаграммами, однако имеют общую особенность - они включают в себя подхват ss - пары. Измеренные значения относительных вероятностей распадов для этих процессов можно сравнить с соответству- Рис. 10 : Диаграммы распадов В- мезонов с подхватом ss - пары: a) УдревеснаяФ диаграмма для процесса B- D0 K - K, b) радиационный распад B- K- и диаграмма с W- обменом для процесса DsJ (2317)+ K - ющими вероятностями для процессов без подхвата пары, а также с подхватом пары лёгких кварков. Такое сравнение позволяет лучше понять механизм подхвата ss - пары
Первый процесс включает 8 распадов В D(*) K- K0(*), для которых впервые были получены относительные вероятности [9] (табл. 1)
Процессы, описываемые диаграммой, представленной на рис. 10а, могут идти как напрямую, так и через образование промежуточных (770) и a1(1260) резонансов
Потенциально вклады этих процессов можно разделить, изучая инвариантные массы систем K- K0 и K- K*0, однако полученные результаты не дают возможности сделать однозначное заключение. По-видимому, оба процесса, как прямой, так и с промежуточным резонансом, дают вклад в изучаемые распады. Важным результатом является сравнение полученных относительных вероятностей распадов со значениями для процессов без образования дополнительной ss - пары, такими как В D(*) -/ -. Из сравнения с такими значениями, взятыми из PDG, видно, что рождение дополнительной ss - пары приводит к подавлению относительной вероятности распада примерно в 10 раз
Распад B K также включает подхват s s - пары (рис. 10b), однако его механизм существенным образом отличается. Такие процессы с рождением фотона обычно называются радиационным УпингвиннымФ распадом. Изучение данного рас- Таблица 1 : Относительные вероятности распадов и верхние пределы для процессов В D(*) K - K0(*). Число событий, полученное при подгонке, эффективность реконструкции и значимость сигналов также представлены в таблице Распад Число соб. Эффектив. Относительная вероятность Значим
или верхний предел (10-4) E / Mbc K / K3, % 46.7 8.2 7.71 7.5 1.3 1.1 8.D0 K- K* 46.4 7. - 87.7 11.4 5.23 8.8 1.1 1.5 10.D+ K- K* 88.8 10. - 32.8 7.2 2.72 15.3 3.1 2.9 6.D*0 K- K* 37.3 6.9 0. 37.5 6.4 3.28 12.9 2.2 2.5 9.D*+ K- K* 38.6 6.3 1. 23.7 5.9 10.25 5.5 1.4 0.8 5.D0 K- K 28.1 5. - 10.3 5.0 6.62 1.6 0.8 0.3 2.D+ K- K 5.8 4.5 < 3.1 (90 % CL) - 9.1 3.9 3.36 5.2 2.7 1.2 2.D*0 K- K 10.5 3.5 1.26 < 10.6 (90 % CL) 5.4 2.5 4.46 2.0 1.5 0.4 2.D*+ K- K 5.6 2.7 1.49 < 4.7 (90 % CL) пада представляет особый интерес, поскольку нейтральный канал B0 K0 может быть использован для поиска СР - нарушения
В работе [10] впервые было получено значение относительной вероятности -распада B- K- . Полученное значение B (B- K- ) = (3.4 0.9 0.4) х опять же на порядок меньше, чем PDG значение для распада без подхвата ss - пары:
B (B- K*- ) = (4.03 0.26) х 10 -5. На рис. 11 показаны распределения по пере- менным Mbc и E для данного канала. Низкая значимость сигнала в нейтральном канале позволила лишь установить верхний предел на относительную вероятность -на 90% уровне: B (B0 K0 ) < 8.3 х 10. Полученное значение относительной вероятности распада в заряженном канале было позднее измерено коллаборацией -BaBar [50]: B (B- K- ) = (3.5 0.6 0.4) x 10. Это значение находится в хорошем согласии с представленным здесь результатом
Рис. 11: Распределения по переменным Mbc (а) и E (b) для распада B- K -
Пунктирные кривые показывают распределения, соответствующие вкладам фонов, сплошные кривые - сумме фона и сигнала. Эти кривые получены в результате подгонки Был экспериментально изучен также распад B0 DsJ (2317)+ K- [11]. Теоретическая интерпретация этого распада представляет собой сложную задачу. Наиболее вероятная диаграмма распада представлена на рис. 10c. Однако существует возможность перерассеяния типа B0 D(*)+ - DsJ (2317)+ K-. Вообще говоря, в рамках четырёх-кварковой интерпретации DsJ (2317)+ - мезона можно ожидать вклад от простейшей УдревеснойФ диаграммы с подхватом ss - пары. Однако диаграмма, показанная на рис. 10c, считается наиболее реалистичной для объяснения данного процесса
Измеренная относительная вероятность распада оказалась неожиданно большой:
-B (B0 DsJ (2317)+ K- ) x B (DsJ (2317)+ Ds+ 0) = (5.3. 0.7 1.4) х 10. Значе
ние относительной вероятности распада DsJ (2317)+ Ds+ 0 не измерено, однако предполагается, что это доминирующий канал распада с вероятностью, близкой к 100%. Для сравнения относительная вероятность распада B0 DsJ (2317)+ K- -несколько больше, чем B (B0 Ds+ K- ) = (3.0 0.4) х 10, взятая из PDG. Хотя полученное значение имеет большие статистические и систематические погрешности, тем не менее, очевидно, что данные распады с DsJ (2317)+ - и Ds+ - мезонами в конечном состоянии имеют близкие по величине значения относительных вероятностей распадов. В более позднем измерении на большей статистике [51] относительная вероятность данного канала несколько снизилась до значения B (B0 DsJ (2317)+ K- ) x B (DsJ (2317)+ Ds+ 0) = (4.4 0.8 0.6 1.1) х 10-5, однако это не изменило основное заключение о близости значений относительных вероятностей распадов в каналы с DsJ (2317)+ - и Ds+ - мезонами
Глава 9 посвящена обсуждению полученных результатов и перспектив на будущее. Основным результатом представленной работы является детальная разработка и реализация принципиально нового метода изучения Bs - мезонов в е+е- - столкновениях при энергии (5S) - резонанса, а также анализ полученных физических результатов. Ключевым моментом для реализации данного метода были детальные расчёты методики получения образцов данных, включающих в себя большое количество Bs - мезонов. Кроме того, была разработана программа физических исследований, которые должны были быть проведены с помощью данного метода. На основе представленной детальной программы руководство коллаборации Belle приняло решение провести первый пробный набор данных в (5S) - резонансе
Анализ полученных результатов продемонстрировал перспективность данного метода. Одним из основных результатов диссертации является разработка физической программы и анализ данных на основе первого образца данных. Успешное выполнение этой работы послужило основой для дальнейшего набора данных в (5S) - резонансе. Был набран значительно больший образец данных порядка 23.6 fb-1
Результаты исследования этого образца данных составляют основную часть диссертации. К настоящему моменту полная интегральная светимость образца данных в (5S) - резонансе, набранная Belle, составляет ~121 fb-1
Кратко обсуждаются возможности будущих измерений на больших объемах данных, набранных в (5S) - резонансе. Такие исследования могут быть проведены в будущем на В фабриках, планируемых в настоящий момент в КЕК (Япония) и Фраскатти (Италия). Обсуждаются возможности детального изучения как Bs - мезонов, так и состояний боттомониума, рождаемых выше энергии рождения двух В- мезонов. Возможности будущих исследований на данных, набранных в (5S) - резонансе, обсуждаются в работах [52-53]
В Заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации
1. Разработан принципиально новый метод изучения Bs - мезонов в е+е- - столкновениях при энергии (5S) - резонанса
2. Определены основные параметры, необходимые для изучения распадов Bs - мезонов:
оптимальная энергия (в системе СМ) е+е- - столкновений ЕCM = 10867 MэВ;
сечение рождения - пары (е+е- , 10867 MэВ) = (0.302 0.015) нб;
вероятность образования Bs - мезонов из - пары fs = (18.0 1.3 3.2) %;
* * * * доля событий с Bs B s - парой f (Bs B s ) = (90.1. 0.2) %
3. С помощью нового метода получены относительные вероятности распадов:
-B (Bs D- ( ) +) = (3.67. (стат). 0.49 (fs) ) x 10, s.
- B (Bs D- ( ) K+) = (2.4. (стат) 0.3 0.3 (fs) ) x 10, s
-( ) B (Bs D- +) = (2.4. (стат) 0.3 0.4 (fs) x 10, s
-B (Bs D- ( ) +) = (8.5. (стат) 1.1 1.3 (fs) ) x 10, s
-( ) B (Bs D- +) = (11.8. (стат) 1.7 1.8 (fs) ) x 10
s
Три последних величины измерены впервые. Полученные значения находятся в хорошем согласии с теоретическими оценками [45] и со значениями для распадов УблизнецовФ В+- и В0- мезонов [46]
0 0 * 4. В распаде Bs D + были измерены значения масс Bs - и Bs- мезонов:
s 0 * M ( Bs ) = (5364.4 1.3 0.7) MэВ/c2 и M (Bs) = (5416.4 0.4 0.5) MэВ/c2
5. Впервые измерена относительная вероятность распада - B (Bs ) = (5.7.. ) x 10,.
получен лучший в мире (на сегодняшний день) верхний предел - B (Bs ) < 8.7 x 10
Эти значения совпадают с предсказаниями, полученными в рамках Стандартной Модели
6. Измерена относительная вероятность распада ( ) B (Bs K+ K- ) = (3.8. (стат) 0.5 0.5 (fs) ) x 10 - 5
Полученное значение согласуется с результатом, полученным CDF, и несколько превосходит значение для распада УблизнецаФ B0 K+ -
7. Получены верхние пределы на относительные вероятности распадов:
7
7
7
B (Bs K0 K0 ) < 6.6 x 10 - 5 (90% CL), B (Bs K- + ) < 2.6 x 10 - 5 (90% CL), + B (Bs - ) < 1.2 x 10 - 5 (90% CL)
8. Измерены относительные вероятности распадов 8
8
8
B (Bs D- + ) = (1.0.. ) %, Ds s.
B (Bs D- D+ ) = (2.8. 0.7) %, s s
B (Bs D- D+ ) = (3.1. 0.8) %
s s
Две последних величины измерены впервые. На основе этих измерений получено суммарное значение для трёх каналов:
B ( Bs D() D() ) = (6.9. 1.9 ) %, s s
что позволяет вычислить соответствующее значение s CP / s = ( 14.7.. 0.8) %
.
9. Изучены распады (5S) - резонанса в каналы с B+- и B0 - мезонами. Измерены вероятности образования B+- и B0- мезонов:
f (B+) = (72.1. 5.0) % и f (B0) = (77.0. 6.1) %
.
Также получено среднее значение для заряженных и нейтральных В- мезонов (73.7 3.2 5.1) %. Это значение соответствует ожидаемому, с учётом ранее полученного для Bs - мезонов значения fs = (18.01.33.2) %
10. Измерены доли распадов (5S) - резонанса в двух-частичных каналах:
f (B B ) = (5.5. 0.4) %, f (B B *+ B *B ) = (13.7 1.3 1.1) % и
f (B * B * ) = (37.5. 3.0) %
11. В предположении изотопической симметрии получены доли трёх-частичных распадов: f (B B ) = (0.0 1.2 0.3) %, f (B B * + B*B ) = (7.3. 0.8) % и
f (B* B * ) = (1.0. 0.4) %
Остаток событий порядка 9.2% не соответствует ни одному из изучаемых каналов. Эти события могут быть объяснены как результат радиационного возврата в область (4S) - резонанса или несколько большие энергии с последующим образованием В- мезонов
12. Измерены относительные вероятности распадов В- D(*) K- K0(*), B K и B0 DsJ (2317)+ K-, предположительно описываемых диаграммами с подхватом ss - пары. Относительные вероятности для двух первых распадов примерно в 10 раз меньше, чем для соответствующих распадов без образования ss - пары
В результате измерения распада B0 DsJ (2317)+ K- получена относительная вероятность, близкая по величине к относительной вероятности распада B0 Ds+ K-
Публикации автора по теме диссертации [1] A. Drutskoy, et al. (Belle Collaboration), Ф Measurement of inclusive Ds, D0 and J/ * * rates and determination of the Bs B s production fraction in bb events at the Y(5S) resonanceФ, Phys. Rev. Lett. 98 052001 (2007)
[2] A. Drutskoy, et al. (Belle Collaboration), УMeasurements of exclusive Bs decays at the Y(5S) resonanceФ, Phys. Rev. D76 012002 (2007)
[3] A. Drutskoy, et al. (Belle Collaboration), УMeasurement of Y(5S) decays to B0 and B+ mesonsФ, Phys. Rev. D81 112003 (2010)
[4] R. Louvot,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УMeasurement of the decay 0 Bs D- + K in e+e- annihilation at 10.87 GeVФ, + and evidence for Bs Ds s Phys. Rev. Lett. 102 021801 (2009)
[5] R. Louvot,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УObservation of Bs 0 D- +, Bs D(*)-+ decays and measurement of Bs D- + polarizationФ, Phys
s S S Rev. Lett. 104 231801 (2010)
[6] J. Wicht,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), У Observation of Bs and search for Bs decays at BelleФ, Phys. Rev. Lett. 100 021801 (2009)
[7] C.-C. Peng,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УSearch for Bs hh decays at the Y(5S) resonanceФ, Phys. Rev. D 82 072007 (2010)
[8] S. Esen,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УObservation of Bs D(*)- D(*)+ using е+е- collisions and a determination of the Bs B s width difference S S sФ, Phys. Rev. Lett. 105 201802 (2010)
[9] A. Drutskoy, et al. (Belle Collaboration), УObservation of В- D(*) K- K0(*) decaysФ, Phys. Lett. 542B 171 (2002)
[10] A. Drutskoy, et al. (Belle Collaboration),УObservation of radiative B K decaysФ, Phys. Rev. Lett. 92 051801 (2004)
[11] A. Drutskoy, et al. (Belle Collaboration), УObservation of B0 DsJ (2317)+ K- decayФ, Phys. Rev. Lett. 94 061802 (2005)
[12] A. Drutskoy, УHot topics from BelleФ, Proceedings of the 33rd International Conference on High Energy Physics (ICHEP06). Published at World Scientific Books, Moscow, Russia, 2006
[13] A. Drutskoy, УBs decays at BelleФ, Proceedings of the EPS/HEP 2007 conference, Manchester, England, J. Phys. Conf. Ser.110 052013 (2008)
[14] A. Drutskoy, УStudy of Y(5S) decays to B0 and B+ mesonsФ, Proceedings of the EPS 2009 conference in Krakow, Poland. Published in PoS EPS-HEP 2009 0(2009)
[15] A. Drutskoy, УResults from the Y(5S) engineering run (Belle)Ф, published as Proceedings of the Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories, 2006
[16] A. Drutskoy, УY(5S) and Bs decays at BelleФ, published as Proceedings of the Moriond QCD and High Energy Interactions, 2009
[17] A. Drutskoy, УResults and prospects for Y(5S) running at B-factoriesФ, published as Proceedings of the Hadron Collider Physics Symposium (HCP), 2008
Список литературы [18] L. Lellouch, L. Randal, E. Sather, УThe rate for е+е- B B and its implica tions for the study of CP violation, Bs identification, and the study of B meson chiral perturbation theoryФ, Nucl. Phys. B405 55 (1993)
[19] A.F. Falk, A.A. Petrov, УMeasuring cleanly with CP tagged Bs and Bd decaysФ, Phys. Rev. Lett. 85 252 (2000)
[20] D. Atwood, A. Soni, УUsing imprecise tags of CP eigenstates in Bs and the determination of the CKM phase Ф, Phys. Lett. 533B 37 (2002)
[21] M. Artuso et al. (CLEO Collaboration), УFirst evidence and measurement of * * B( ) B ( ) production at the Y(5S)Ф, Phys. Rev. Lett. 95 261801 (2005)
s s [22] G. Bonvicini et al. (CLEO Collaboration), УObservation of Bs production at the Y(5S) resonanceФ, Phys. Rev. Lett. 96 022002 (2006)
[23] A. Abulencia et al. (CDF Collaboration), УMeasurement of the ratios of branching 0 fractions B(Bs D- + +-) and B(Bs D ++-) / ( B 0 D- +) / ( B 0 s s D +)Ф, Phys. Rev. Lett. 98 061802 (2007)
[24] A. Abulencia et al. (CDF Collaboration), УObservation of Bs K+ K- and measurements of branching fractions of charmless two-body decays of B 0 and Bs mesons in collisions at = 1.96 TeV Ф, Phys. Rev. Lett. 97 211802 (2006)
[25] M. Gronau, O. F. Hernandez, D. London, J.L. Rosner, УBroken SU(3) symmetry in two-body B decaysФ, Phys. Rev. D52 6356 (1995)
[26] P. Ball, G. W. Jones, R. Zwicky, УB V beyond QCD factorizationФ, Phys. Rev
D75 054004 (2007)
[27] S. W. Bosch, G. Buchalla, УThe double radiative decays B in the heavy quark limitФ, JHEP 0208 054 (2002)
[28] S. Descotes-Genon, J. Matias, J. Virto, УExploring Bd,s K K decays through flavour symmetries and QCD-factorisationФ, Phys. Rev. Lett. 97 061801, (2006)
[29] Y. Grossman, УThe Bs width difference beyond the standard modelФ, Phys. Lett
B380 99 (1996)
[30] I. Dunietz, R. Fleischer, U. Nierste, УIn pursuit of new physics with Bs decaysФ, Phys. Rev. D63 114015 (2001)
[31] C. E. Thomas, УComposition of the pseudoscalar and Т mesonsФ, JHEP 07026 (2007)
[32] F. M. Al-Shamali, A.N. Kamal, УNonfactorization and final state interactions in (B, Bs ) P and V decaysФ, Eur. Phys. J. C4 669 (1998)
[33] V. Abazov et al. (D0 Collaboration), УLifetime difference and CP-violating phase in the Bs systemФ, Phys. Rev. Lett. 98 121801 (2007)
[34] A. Abulencia et al. (CDF Collaboration), УObservation of B0- Bs oscillationsФ, s Phys. Rev. Lett. 97 242003 (2006)
[35] V. Abazov et al. (D0 Collaboration), УMeasurement of the angular and life-time 0 parameters of the decays Bd J/ K*0 and Bs J/ Ф, Phys. Rev. Lett. 1032001 (2009)
[36] T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), УMeasurement of lifetime and decay-width difference in Bs J/ decaysФ, Phys. Rev. Lett. 100 121803 (2008)
[37] F. Abe et al. (CDF Collaboration), УRatios of bottom meson branching fractions involving J/ mesons and determination of b quark fragmentation fractionsФ, Phys
Rev. D54 6596 (1996)
[38] T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), УObservation of new charmless decays of bottom hadronsФ, Phys. Rev. Lett. 103 031801 (2009)
[39] V. Abazov et al. (D0 Collaboration), УStudy of the decay Bs D(*) D(*) Ф, Phys
S S Rev. Lett. 99 241801 (2007)
[40] V. Abazov et al. (D0 Collaboration), УEvidence for the decay Bs D(*) D(*) and a S S measurement of sCP/ s Ф, Phys. Rev. Lett. 102 091801 (2009)
[41] D. S. Hwang and H. Son, УDecay rate ratios of Y(5S) B B reactionsФ, Eur. Phys
J. C67 111 (2010)
[42] Yu. A. Simonov, A.I. Veselov, УBottomonium Y(5S) decays into BB and BB Ф, JETP Lett. 88 79 (2008)
[43] Yu. A. Simonov, A.I. Veselov, УStrong decays and dipion transitions of Y(5S)Ф, Phys. Lett. B671 55 (2009)
[44] S. Kirokawa, E.Kikutani, УOverview of the KEKB acceleratorsФ, Nucl. Instr. and Meth. A499 1 (2003);
и другие статьи, включённые в этот выпуск
[45] A. Abashian et al. (Belle Collaboration), УKEK, Tsukuba Progress Report 2000:
The Belle detectorФ, Nucl. Instr. and Meth. A479 117 (2002)
[46] A. Deandea, N. Di Bartolomeo, R. Gatto, G. Nardulli, УTwo body non-leptonic decays of B and Bs mesonsФ, Phys. Lett. B318 549 (1993)
[47] C. Amsler et al. (Particle Data Group), Phys. Lett. B667 1 (2008)
[48] I. Adachi,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УObservation of the decay 0 Bs J / and evidence for Bs J / Т Ф, EPS 2009 conference paper BELLECONF-0902, arXiv:0912.1434 [hep-ex]
[49] A. Abe,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УMeasurement of the inclusive Bs X+l - semileptonic decay branching fractionФ, EPS 2007 conference paper BELLE-CONF-0735, arXiv:0710.2548 [hep-ex]
[50] B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), УMeasurement of B decays to K Ф, Phys
Rev. D75 051102 (2007)
[51] A. Abe,..., A. Drutskoy et al. (Belle Collaboration), УImproved measurements of B0DsJ (2317)+ K- decaysФ, EPS 2005 conference paper BELLE-CONF-0511, hep-ex/0507064
[52] A.G. Akeroyd,..., A. Drutskoy et al. (the SuperKEKB Physics Working Group), УPhysics at super B factoryФ, hep-ex/0406071
[53] T. Aushev,..., A. Drutskoy et al. (Belle II Physics Working Group), УPhysics at super B factoryФ, arXiv:1002.5012 [hep-ex]