CC BY
5
УДК 539.126.4
ИЗУЧЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ D+ МЕЗОНОВ НА ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТА CMS
Я. А. Андреев1, К.М. Иванов1, Р. Н. Чистов1'2
Данная работа посвящена поиску источников рождения D+ мезонов в эксперименте CMS. Работа была проведена с использованием образца данных, набранного в CMS в 2018 году в протон-протонных столкновениях на Большом Адронном Коллайдере при энергии в системе центра инерции у/в = 13 ТэВ (соответствует интегральной светимости 60 фб-1). Были исследованы D+ мезоны, рождающиеся в первичной вершине pp взаимодействия, и D+ мезоны, рождающихся из полулептонных распадов B0 ^ üß. Было найдено, что оба источника в сумме дают более 3.5 миллионов D+ мезонов, восстановленных в канале D+ ^ K+K-)п+. Такой образец данных открывает возможность для поиска редких распадов D+ мезонов, в частности, для поиска тяжелого стерильного нейтрино в распаде D+ ^ п-.
Ключевые слова: CMS, физика элементарных частиц, b-физика, c-физика.
Введение. Как известно, Стандартная модель, которая является основной теоретической моделью для описания процессов в физике элементарных частиц, неполна. Существует ряд явлений, которые не описываются ею, например: нейтринные осцилляции, темная материя, барионная асимметрия во Вселенной.
Исследование редких и запрещенных распадов является одним из основных способов проверки Стандартной модели и поиска Новой физики. К таким распадам относятся процессы с нарушением лептонного числа, лептонного аромата, а также процессы, идущие через нейтральный ток, меняющий аромат. Отдельно стоит отметить процессы, происходящие с участием гипотетических тяжелых стерильных нейтрино - частиц, взаимодействующих только с обычными нейтрино путем осцилляций. Согласно пред-
1 МФТИ, Физтех, 141700 Россия, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский переулок, 9.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: andreev.yaa@phystech.edu.
сказаниям теоретических моделей [1, 2], существование стерильных нейтрино может объяснить многие процессы, которые сейчас не описаны Стандартной моделью, и поэтому их поиск является актуальной проблемой. Многие из вышеуказанных процессов можно изучать в распадах D и D± мезонов, и такие исследования проводились экспериментами LHCb [3], BaBar [4], CLEO [5] и другими.
Мы считаем, что исследование таких процессов возможно и в эксперименте CMS. Выяснению перспектив этого как раз и посвящена данная работа, а именно исследованию источников D+ мезонов в наборе данных, набранном в конце второго периода (Run-2) работы БАК. Из-за большого количества протон-протонных взаимодействий в каждом столкновении протонных пучков (в среднем несколько десятков на столкновение) на CMS, практически в каждом втором описанном событии присутствует cc пара, которая является существенным источником c-кварков, фрагментирующих в очарованные адроны. Благодаря высокой светимости и большому сечению рождения пар очарованных кварков, рождение в pp-столкновениях должно быть существенным источником D+ мезонов в эксперименте CMS.
Еще одним источником D+ мезонов, характерным для выбранного набора данных, являются полулептонные распады В0-мезонов. Благодаря новому триггеру, требующему наличия высокоэнергичного мюона в событии, данные содержат большое количество B0 мезонов, распадающихся полулептонно с участием D+ мезонов. Анализу двух вышеперечисленных источников и посвящено настоящее исследование.
Данные. В настоящей работе используется образец данных второго периода работы БАК (Run-2), полученный в 2018 году в результате протон-протонных столкновений при энергии в системе центра инерции л/s = 13 ТэВ в эксперименте CMS [6], что соответствует интегральной светимости 60 фб-1. Как уже было сказано выше, в работе используется набор данных, обогащенный полулептонными распадами тяжелых адро-нов (далее - BParking), триггерным событием для которого является высокоэнергичный мюон, трек от которого не совместим с гипотезой рождения в первичной вершине pp-взаимодействия. Для записи образца данных использовалась комбинация из 9 триггеров, представляющих собой различные ограничения на поперечный импульс (от 7 до 12 ГэВ/c) и значимость прицельного параметра мюона (от 3 до 6), динамически меняющихся с изменением светимости (детали представлены в [7]). Основным источником таких мюонов являются инклюзивные распады b-адронов типа b ^ Xгде X -не восстанавливаемый на триггерном уровне остаток таких распадов. Среди распадов b-кварка, протекающих со сменой поколения, лидирующую роль играют полулептон-
ные распады с переходом в с кварк: b ^ c^-/^. Таким образом, большое количество b-событий означает и большое количество с-событий, поэтому этот набор данных и был выбран для исследования.
При наборе данных применялось два новых метода для CMS: схема Parking - запись всех данных столкновений на ленту (tape) и дальнейший перевод их в основные файловые форматы данных в течение длительного периода времени (уже после окончания Run-2 сеанса работы БАК), а также динамическое изменение значений уровней триггеров по мере падения общей светимости пучков. Оба этих метода в сумме позволили отобрать порядка 1010 событий с b-кварком [7]. Такое большое количество b-событий означает и большое количество D+ мезонов, получающихся из полулептонных распадов В®, поэтому изучение источников D+ мезонов было начато с этого источника. В то же время, из-за новых методов было записано большее, по сравнению с предыдущими наборами данных, количество событий, происходящих в вершинах протон-протонных взаимодействий. Так как большая часть таких событий содержит распады с-адронов, то рождающиеся напрямую в рр-столкновениях D+ мезоны являются еще одним важным источником, и изучение такого вклада важно для понимания полной картины. В ходе исследования обоих источников, D+ мезон восстанавливался в одном и том же канале распада - D+ ^ ф K+K-) 1.
Отбор событий В® ^ В первую очередь был реконструирован и иссле-
дован канал распада В° ^ D+(^ ф(^ K+K-)п+)^-Реконструкция начинается с поиска и восстановления двух заряженных треков с противоположными зарядами и поперечным импульсом рт(K±) > 1.5 ГэВ/c и псевдобыстротой |п| < 2.4, которым была присвоена массовая гипотеза каона. Инвариантная масса двух каонов должна лежать в массовом окне 10 МэВ/c2 от табличной массы ф мезона [8]. Дополнительно ищется заряженный трек с пионной массовой гипотезой, удовлетворяющий ограничениям рт(п+) > 1 ГэВ/c и |п| < 2.4. К комбинации трех треков применяется кинематический фит в общую вершину, причем х2 вероятность фита должна превышать 1%. На инвариантную массу получившегося кандидата накладывается ограничение 1.8 ГэВ/c2 < M(п+K+K-) < 2.05 ГэВ/c2 для изучения событий в области известной массы D+ мезона.
Далее ищется мюонный трек, прошедший soft-muon [9] идентификацию CMS, с зарядом, противоположным ранее отобранному пиону. Также применяются требования на поперечный импульс и псевдобыстроту рт> 2.5 ГэВ/c, |п| > 2.4. Для
1 Здесь и далее в тексте работы подразумевается равное присутствие заряжено-сопряженных частиц.
Ф Kt+ К
\ / /
PV PV
Рис. 1: Топологии распадов B°s ^ с последующими распадами D+ ^ фп+,ф ^
K+K- (слева) и D+ ^ фп+ с последующим распадом ф ^ K+K- (справа).
получения частично-восстановленного В0 мезона, мюон комбинируется с ранее отобранным D^-кандидатом (так как нейтрино невозможно восстановить экспериментально на CMS). Вероятность кинематического вершинного фита В0 ^ должна быть выше 1%, а получившиеся В0-кандидаты должны удовлетворять требованиям M< 5.55 ГэВ/c2, pT(В0) > 6 ГэВ/c.
После восстановления первичной вершины накладываются ограничения, соответствующие топологии распада (рис. 1, слева). В силу значительных времен жизни и импульсов частиц, накладываются ограничения на направляющие углы cos(B0,D+) > 0.99, cos(BSS,PV) > 0.9, значимость поперечного прицельного параметра IPS(K±,п+) > 0.8, IPS> 0.5, где IPS = dxy/odxy, где dxy - наименьшее расстояние от PV до трека, и значимость отлета в поперечной плоскости от области pp-столкновений Lxy/оьху (B0,PV) > 4. Также были применены дополнительные ограничения на поперечный импульс и значимость прицельного параметра Рт) > 7 ГэВ, IPS> 3, повторяющие минимальные ограничения, наложенные на триггерном уровне на мюон в используемом образце данных BParking. Так как в CMS отсутствует идентификация частиц, в сигнале присутствуют события из распада
Б0 ^ К-п+п+)^-, для удаления которых в процессе реконструкции каону, име-
ющему одинаковый заряд с пионом, приписывается пионная массовая гипотеза, после чего в инвариантной массе К-п+п+ кандидатов удаляются события из массового окна Б+ мезона (1.839-1.899 ГэВ/с2).
Рис. 2: Распределения инвариантной массы п+К+К в распаде Б° ^ ф(^
К+К-)п+)^-й^ (слева) и ^ ф(^ К+К-)п+ (справа).
Полученное после всех ограничений распределение по инвариантной массе фп+ кандидатов представлено на рис. 2 (слева). В нем явно видны пики, соответствующие табличным массам Б+ и мезона [8]. В результате аппроксимации отобранных событий двойной функцией Гаусса с общим средним для каждого из сигналов Б+ и мезонов и полиномом четвертой степени для комбинаторного фона, получено более 1.7 миллиона сигнальных событий Б+. С учетом большого отношения сигнала к фону (оцененного в области ±3 детекторных разрешений по массе D+), полулептонный канал рождения мезона, как будет показано в следующем пункте, является основным кандидатом в качестве источника мезонов при последующем поиске редких распадов (в частности, на мюон и тяжелое стерильное нейтрино).
Таблица 1
Параметры, полученные в результате аппроксимаций распределений по инвариантной массе п+К+К-. Погрешности являются только
статистическими
Сигнал N(Б+) [103] Сигнал/фон N(Б+) [103]
Б0 ^ й 1729 ± 3 3.500 ± 0.020 626 ± 2
тс1из1уе-Б+ 2280 ± 10 0.509 ± 0.003 788 ± 12
Отбор inclusive-D+ событий. Еще одним возможным источником D+ мезонов являются D+ мезоны, получившиеся в результате инклюзивного рождения из первичной вершины pp-столкновений. Их алгоритм реконструкции похож на описанный ранее, но останавливается на восстановлении D+ (рис. 1, справа). Также слегка отличаются некоторые кинематические и топологические ограничения: на поперечный импульс каонов pT(K±) > 3 ГэВ/c, прицельные параметры пионов и каонов IPS(K±,п+) > 0.5, поперечный импульс D+ кандидата pT(D+) > 6 ГэВ/c, значимость отлета Lxy(D+,PV) > 5 и косинус направляющего угла cos(D+,PV) > 0.99. На рис. 2 (справа) представлено распределение по инвариантной массе D^-кандидатов, полученных в результате такого отбора событий. Аппроксимация (модель которой аналогична использованной для полулептонного канала) дает нам более 2.2 миллионов сигнальных событий D+, но отношение сигнала к фону существенно меньше полулептонного источника (0.509 против 3.500), поэтому в качестве основного нормировочного распада предполагается использовать распад Bs ^ D+(^ ф(^ K+K-)п+)^-описанный в предыдущем пункте.
Несмотря на то, что целью данного отбора было выбрать D+ мезоны, рождающиеся напрямую в первичной вершине столкновений, не все из событий, прошедших отбор, таковыми являются. Среди них могли оказаться также D+ мезоны, рожденные из по-лулептонных распадов, распадов возбужденных состояний (D*+ и другие) и из других возможных источников, которые случайно прошли наш отбор. Среди D+ мезонов из по-лулептонных распадов B0, из-за более сложной топологии и явных признаков полулептонного распада, вероятность того, что D+ мезон из другого источника пройдет отбор, значительно ниже, и, значит, полулептонный канал более точен в этом отношении. Тем не менее стоит подчеркнуть, что поиск редкого распада D+ мезона и восстановление его нормировочного канала D+ ^ фп+ будет выполняться на одном и том же наборе данных, вне зависимости от его происхождения.
зЗаключение. В работе был сделан анализ данных BParking, набранных в эксперименте CMS в 2018 году. В результате был проведен поиск и восстановление D+ мезонов в полулептонных распадах B0 ^ и D+ мезонов, инклюзивно рождающих-
ся напрямую в pp-столкновениях. В обоих случаях восстановление происходило через канал D+ ^ ф(^ (K+K-)п+. В результате проведенного впервые в CMS исследования были успешно восстановлены 1.7 и 2.2 миллиона D+ кандидатов по каждому из источников соответственно. Наш результат позволит использовать эти источники для
поиска редких распадов D+ мезонов, в том числе для поиска и исследования их распадов с рождением тяжелого нейтрино.
Исследование было выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда № 22-22-00401.
ЛИТЕРАТУРА
[1] T. Asaka, M. Shaposhnikov, Phys. Lett. B 620, 17 (2005). DOI: 10.1016/ j.physletb.2005.06.020, arXiv: hep-ph/0505013.
[2] D. Gorbunov, PoS EPS-HEP2015 (2015) 092. DOI: 10.22323/1.234.0092.
[3] LHCb Collaboration, "Searches for 25 rare and forbidden decays of D+ and D+ mesons", arXiv: 2011.00217.
[4] BaBar Collaboration, Phys. Rev. D 84, 072006 (2011). DOI: 10.1103/ PhysRevD.84.072006, arXiv: 1107.4465.
[5] CLEO Collaboration, Phys. Rev. D 82, 092007 (2010). DOI: 10.1103/ PhysRevD.82.092007, arXiv: 1009.1606.
[6] CMS Collaboration, JINST 3, S08004 (2008). DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/S08004.
[7] CMS Collaboration, "Recording and reconstructing 10 billion unbiased b hadron decays in CMS", CMS Detector Performance Note CMS-DP-2019-043, 2019. cds.cern.ch/record/2704495.
[8] Particle Data Group, R. L. Workman, et al., PTEP 2022, 083C01 (2022). DOI: 10.1093/ptep/ptac097.
[9] CMS Collaboration, JINST 13(06), P06015 (2018). DOI: 10.1088/1748-0221/13/06/P06015, arXiv: 1804.04528.
Поступила в редакцию 12 ноября 2022 г.
После доработки 1 декабря 2022 г.
Принята к публикации 2 декабря 2022 г.
Публикуется по рекомендации Московской международной школы физики-2022 (ФИАН, Москва)
