Исследование возможности регистрации редких лептонных, полулептонных и радиационных распадов В-мезонов на детекторе ATLAS ускорителя LHC

Стандартная Модель (далее СМ) это минимальная модель, описывающая всю совокупность экспериментальных данных в области физики элементарных частиц. СМ включает в себя две независимые части: модель электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайиберга-Салама с одним дублетом хиггсовских бозонов и пертурбативную теорию сильных взаимодействий - квантовую хромодинамику (КХД). Предсказания СМ проверены с высокой точностью для квантовой электродинамики (точность порядка Ю-8), и с удоволетворительной точностью для КХД (точность порядка 10-15%). Однако СМ имеет ряд особенностей, которые не позволяют принять ее как окончательную модель частиц и взаимодействий: 1) СМ содержит больше двадцати свободных параметров: константы взаимодействий, массы частиц, вакуумное среднее поля Хиггса, элементы матрицы смешивания квар-ковых токов Кабиббо-Кобаяши-Маскава, параметры нейтринных осцилляций, и др. Численное определение этих параметров возможно только из экспериментальных данных. 2) До настоящего времени экспериментально не подтверждено существование бозона Хиггса - частицы, отвечающей за механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии и генерацию масс частиц в СМ. Данные, полученные пять лет назад на ускорителе LEP, позволяют считать, что бозон Хиггса в СМ имеет массу более 115 ГэВ. 3) В рамках СМ удалось объединить только два из четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитное и слабое. Сильное взаимодействие рассматривается в СМ как независимое, а гравитациониое вообще не принимается во внимание. 4) Выделенная роль левых токов в слабых взаимодействиях, которая имеет экспериментальное, ио не теоретическое обоснование. Существует большое количество теоретических моделей, расширяющих СМ, в которых решены те или иные из вышеперечисленных проблем. Однако, на сегодняшний день не найдено ни одного экспериментального факта, выходящего за рамки СМ и позволяющего сделать однозначный выбор в пользу того или иного расширения Стандартной Модели. В настоящее время наиболее активно обсуждаются следующие расширения СМ: суперсимметричные (SUSY), суперструппые и бранные модели, модели с несколькими дублетами хиггсовских бозонов и модели с дополнительными размерностями. Популярные в 1970-х - 1990-х годах различные модели Великого объединения (SU(5), SO(IO) и др.), лево-правые (LR) модели или модели техпицвета в настоящее время во многом потеряли свою актуальность: Во всех перечисленных моделях СМ рассматривается как низкоэнергетический предельный случай. В некоторых из моделей, например, неминимальных суперсимметричиых, удается добиться полного или частичного объединения четырех фундаментальных взаимодействий в единую теоретическую схему, однако такое объединение возможно при энергиях, которые на десятки порядков превосходят энергии, доступные как па существующих, так и планируемые для строящихся и проектируемых ускорителей. Дополнительные калибровочные бозоны, возникающие в "нестандартных" моделях чрезвычайно тяжелы. Их массы имеют порядок характерных энергий фазовых переходов, нарушающих симметрию модели. Массы же некоторых из дополнительных фундаментальных частиц могут быть много меньше. Например, для суперсимметричиых моделей, массы легчайших суперпартперов могут находиться в районе 1-10 ТэВ, что уже поддается экспериментальной проверке в ближайшем будущем. Однако, весь спектр частиц, характеризующих конкретную модель вне рамок СМ, заведомо не может быть получен. Поэтому, для выбора наиболее предпочтительной модели необходимо изучать эффекты и процессы, в которые "нестандартные" частицы дают вклад в качестве виртуальных. Такие процессы рассматриваются в настоящей работе, что определяет ее актуальность. В результате анализа экспериментальных данных, полученных на различных установках, в настоящее время найдены весьма жесткие ограничения на вероятности и сечения процессов, которые могут протекать за счет физики, не описываемой в рамках СМ Рис. 1: Примеры диаграмм типа "пингвин" (слева) и "квадратик" (справа) для распада —► fi+fi~. Подчеркнем, что из "пингвинной" петли в этом случае может излучаться только виртуальный Z0-6o3oh. Излучение виртуального фотона в данном случае запрещено. нестандартной" физики). При энергиях, доступных на современных ускорителях1, вероятности подобных процессов на несколько порядков меньше, чем вероятности слабых процессов в древесном приближении. Поэтому, для выделения "нестандартной" физики важно изучать такие процессы, которые в рамках СМ сильно подавлены по константе электрослабого взаимодействия и за счет петель. На фойе подавленной "стандартной" физики с большей точностью можно искать вклады, обусловленные физикой "нестандартной". Одним из лучших примеров подобных процессов могут служить процессы, связанные с редкими лептоииыми, лептоииыми радиационными и полулептониыми распадами В-мезонов. Редкие распады В-мезопов обусловлены переходами Ь-кварка в s- или d-кварк (так называемые нейтральные токи, нарушающие аромат - FCNC). В рамках Стандартной Модели подобные переходы запрещены на древесном уровне и возникают начиная только со второго порядка теории возмущений по электрослабым константам за счет однопетлевых диаграмм типа "пингвин" и "квадратик" (см. рис. 1). Поскольку редкие распады идут в более высоких порядках теории возмущений по электрослабому взаимодействию и, возможно, кабиббовски подавлены, парциальные ширины таких распадов чрезвычайно малы Максимальная энергия, достигнутая на работающих в настоящее время ускорителях, равна 1,8 ТэВ па протон-антипротонном коллайдере Tevatron, FNAL, США. U,С J Г(к2) У w~ HAS) и лежат в интервале от Ю-5 (редкий радиационный распад Вд —* К*°(892)7, открытый коллаборацией CLEO в 1993 году [1]) до 10~15 (кабиббовски подавленный лептойный распад —* е+е~, который невозможно наблюдать ни на одном существующем, строящемся или даже планируемом в настоящее время ускорителе элементарных частиц). Характерные значения парциальных ширин редких распадов В-мезоиов, которые потенциально доступны изучению на работающих в настоящее время ускорителях и ускорителях, которые начнут свою работу в ближайшее время, представлены в Таблице 1. Таблица 1: Характерные значения парциальных ширин редких распадов В-мезонов, которые потенциально могут быть зарегистрированы па ускорителе LHC. Для распадов, которые были ранее найдены на других установках, даны экспериментальные значения парциальных ширин из [2] и ссылки на оригинальные работы, соответствующие первому экспериментальному наблюдению. Канал Парциальная ширина Где и когда был зарегистрирован Экспериментальные работы В К*7 (4,2 ±0,6) х 10~5 CLEO (1993) [1], И 1,3 ±0,5) х 10"6 Belle (2005) [3] - К*ц+1Г (1,3 ±0,4) x 10"6 Belle, BaBar (2003) [4], [5], [2] B°s -> 0/X+/X- ~ 10"6 планируется на LHC Аь —► A ~ 10"6 планируется па LHC во,± ко.Ьц+ц- (5,6 ±2,5) x 10"7 Belle, BaBar (2002) [6], [7], [2] во,± pp-i^- ~ 10"7 важный фон для других редких распадов па LHC во,± ^ц+ц- ~ 10"8 важный фон для других редких распадов на LHC 10"8 планируется на LHC В°3 - Ai+Ai" ~ ю-9 планируется на LHC B°d -> ji+p- ~ io-10 возможно на LHC IO"10 возможно на LHC Редкие лептонные, лептониые радиационные и полулептонные распады В-мезопов представляют собой прецизионный тест для проверки предсказаний СМ в высших порядках теории возмущений и поиска малых эффектов физики вне рамок СМ, которые невозможно обнаружить на древесном уровне. Это определяет актуальность исследования редких распадов В-мезопов. Изучение редких распадов В-мезонов может также дать дополнительную информацию о пепертурбативных вкладах сильных взаимодействий. Например, в редких лептонпых радиационных и редких полулептоиных распадах возникают матричные элементы от эффективных тензорных и псевдотеизорпых кварковых токов. Измерение отношения ширин редких распадов дает возможность получить отношение элементов матрицы Кабиббо-Кабаяши-Маскава (КМ-матрицы) |Vtd|/|Vte|, поскольку в петлях доминирует вклад t-кварка. Кроме того, отдельные редкие распады могут, в свою очередь, служить фоновыми процессами для других еще более редких распадов с экстремально малыми парциальными ширинами. Анализ подобных фоновых процессов для распадов —* выполнен в данной работе, соответствующие результаты приведены в Главе 3. Ускоритель LHC (Large Hadron Collider) строится в настоящее время в Европейском Центре Ядерных Исследований CERN (Centre Europeen de Recherche Nucteaire) в существующем подземном тоннеле длиной 27 км, в котором ранее располагался ускоритель LEP. Физика высоких энергий па LHC будет изучаться в столкновениях прогоп-протонных пучков, а также тяжелых ионов (РЬ). Энергия в системе центра масс для рр-столкновений составит 14 ТэВ, что приблизительно в семь раз превосходит энергию кол-лайдера Tevatron. Светимость LHC будет варьироваться от 1031 см~2сек~1 в первый год работы LHC через 1032 см~2сек~1 и 1033 см~2сек~1 в два следующих года (так называемая "начальная" или "низкая" светимость) до 1034 см~2сек~1 (так называемая "номинальная" или "высокая" светимость) во все последующие годы работы коллайдера. "Номинальная" светимость LHC на два порядка превосходит светимости ускорителей LEP и Tevatron и примерно равна светимости В-фабрик ВаВаг и Belle (см. Таблицу 2)2. Основными задачами стоящими перед LHC, являются открытие бозона Хиггса, и поиск 2При сопоставлении научного потенциала различных экспериментов в Таблице 2 следует учитывать, что финансирование проекта B-TeV приостановлено на неопределенный срок Министерством энергетики США в феврале 2005 года, супер Б-фабрики вступят в строй не раннее 2010 года, а ускоритель CESR, на котором работает семейство установок CLEO, с 2002 года функционирует в режиме С-фабрики. физики вне рамок Стандартной Модели. Как уже было сказано выше, изучение редких распадов В-мезонов может дать существенный вклад в решение второй из поставленных задач, особенно в первые три года работы LHC при "начальной" светимости. Таблица 2: Возможности изучения Ь-физики на LHC и других работающих или планирующихся ускорителях. Эксперимент ^/s, ГэВ аЬь, мб L, см 2сек 1 bb, пар в год ATLAS 1,4 x 104 ю-1 1033 - 1034 5 x 1012 - 5 x 1013 CMS 1,4 x 104 ю-1 1033 - 1034 5 x 1012 - 5 x 1013 LHCb 1,4 x 104 ю-1 2 x 1032 1012 B-TeV (FNAL) 2 x 103 lO"1 2 x 1032 2 x 10u HERA-B (DESY) 43 1,2 x 10"5 3,5 x 1033 4,0 x 108 CLEO (Cornell) 10,6 1,1 x 10"6 Ю30 104 Belle (KEK) 10,6 1,1 x 10~6 1034 108 SuperBelle (KEK) 10,6 1,1 x 10"6 4 x 1035 4 x 109 BaBar (SLAC) 10,6 1,1 x 10"6 3 x 1033 3 x 107 SuperBaBar (SLAC) 10,6 1,1 x 10"6 7 x 1035 7 x 109 Из Таблицы 1 видно, что в настоящее время основной прогресс в изучении редких распадов В-мезонов приходится на В-фабрики Belle, ВаВаг и CLEO. Однако данные Таблицы 2 явственно указывают на то, что протон-протонный коллайдер LHC имеет целый ряд преимуществ перед В-фабриками, как работающими в настоящее время, так и теми, которые планируется построить к 2010 году. Во-первых, на этом коллайдере возможно изучать редкие распады В°-мезоиа, Аь~ бариона и, при определенных условиях, £?+-мезона, что в принципе невозможно сделать на Б-фабриках вследствие закона сохранения энергии. Во-вторых, на LHC открывается возможность прецизионного изучения дифференциальных распределений в редких распадах —> K*fx+fx~ и —> таких как распределение по инвариантной дилептонной массе и зарядовая лептониая асимметрия [8]. Заметим, что коллаборация Belle в 2004 году представила первые данные по дифференциальным распределениям в распадах В® —► (К, К*)ц+ц~ [9]. В 2006 эти данные были скорректированы [10]. Расчеты показывают, что LHC за три года работы при низкой светимости (по предварительным модельным оценкам) сможет получить эти распределения с гораздо более высокой точностью. Как было показано в [8, 11], этой точности может быть достаточно, чтобы разделить СМ и некоторые ее расширения или поставить жесткие экспериментальные пределы на проявление физики вне рамок СМ. В-третьих, только на LHC будет возможна регистрация редких мюоипых и, возможно, мюоииых радиационных распадов с экстремально малыми парциальными ширинами порядка Ю-9 и ниже. Все указанные выше преимущества LHC связаны с тем, что сечение рождения ЬЬ-пар па LHC по современным представлениям составляет примерно 500 микробарн, что па пять порядков превосходит сечение рождения ЪЪ-пар на В-фабриках при сравнимых светимостях. По сравнению с протон-антипротонным коллайдером Tevatron (FNAL, США) коллайдер LHC имеет преимущество на порядок величины в светимости при начальной светимости LHC и два порядка при номинальной светимости плюс па порядок в сечении рождения "прелестных" кварков. К сожалению, преимущества LHC перед В-фабриками частично нивелируются тем, что В-фабрики являются практически бесфоповыми машинами, в то время как на LHC комбинаторный фон представляет серьезную проблему, особенно при детектировании экстремально редких распадов [8]. Цель настоящей работы заключается в оценке возможности регистрации редких лептоиных и полулептопиых распадов В-мезоиов на установке ATLAS ускорителя LHC. Работа выполнена при помощи последней математической модели детектора ATLAS и новейшего программного обеспечения коллаборации. Был проведеп максимально полный учёт фоновых процессов, анализ проблемы потока "ложных" событий ("misidentification" и "fake rate"). Научная новизна и практическая ценность работы заключаются в том, что проведены полное компьютерное моделирование и физический анализ с использованием математической модели детектора ATLAS (окончательная геометрия) возможности регистрации редких мюоииых и полумюонпых распадов .£?2а-мезонов при наличии комбинаторных фоновых вкладов. Дополнительно в работе впервые комплексно рассмотрены пекомбипаторные фоновые процессы к распадам В%3 —> В частности, произведено теоретическое вычисление и компьютерное моделирование распадов —> 7. Это позволит оптимально планировать эксперименты в области Б-физики на установке ATLAS. Диссертация имеет следующую структуру. Во Введении представлен подробный обзор текущего состояния дел в экспериментальном изучении редких распадов В%3-мезонов и указаны преимущества LHC в данной области по сравнению со всеми другими действующими или планирующимися установками. В Главе 1 дается теоретическое введение в физику редких распадов Б°3-мезопов. Кратко рассматривается эффективный гамильтониан переходов Ъ —> (d, s) в СМ и даются выражения для парциальных ширин а также, там где это необходимо, дифференциальных распределений распадов В% 3 —► fi+fi~, 3 —> VjJL+jJL~. Подробно рассматривается теория распадов BQd —> В Главе 2 приводится описание детектора и програмного обеспечения, использующегося для моделирования. Детально рассматривается процедура математического моделирования распадов Bq ~> (0» Щ —> /j,+/j,~ и B°q —> для детектора ATLAS. В Главе 3 приводятся результаты проведенного моделирования распадов В^3 —> В® —> K*/j,+fi~ и В°а —> с учетом комбинаторного фона по данным последнего сеанса генерации данных коллаборации ATLAS (так называемого "Rome Production"). Приводятся оптимальные алгоритмы выделения сигнала над фоном. Рассмотрены основные некомбинаториые фоновые процессы к редким мюонным распадам Б-мезоиов. Для каждого этих процессов оценен потенциальный вклад в формирование фона, и выделены наиболее важные из фоновых процессов для редких мюонных распадов Б-мезопов в условиях эксперимента ATLAS. В Заключении приведены главные результаты работы и сделаны выводы . Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/issledovanie-vozmozhnosti-registratsii-redkikh-leptonnykh-poluleptonnykh-i-radiatsionnykh-ra#ixzz4I90dTSSh