CC BY
4
УДК 539.1
ИЗУЧЕНИЕ МЕЗОНОВ Б*2(5840)° И Bsi(5830)° В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS
С. М. Поликарпов
С использованием данных, набранных экспериментальной установкой CMS на Большом адронном коллайдере в столкновениях протонов с энергией в системе центра масс 8 ТэВ, изучены возбуждённые P-волновые состояния B° мезона B*2(5840)°u Bsi(5830)°. Впервые обнаружен распад B*2 ^ B°K°, получено первое свидетельство существования распада Bs1 ^ B*°K°, измерены вероятности этих распадов по отношению к соответствующим распадам на B(*)+K-. Основные состояния B° и B+ восстановлены с использованием распадов B° ^ J/0K+n-u B+ ^ J/0K+. Измерены массы P-волновых B° мезонов, естественная ширина B*2(5840)° мезона, и впервые определена разность масс между заряженным и нейтральным B*мезонами M(B*°) — M(B*+).
Ключевые слова: спектроскопия, тяжёлые адроны, LHC.
Введение. Поиск и исследование тяжёлых адронов и их возбуждённых состояний, а также изучение их свойств (масс, ширин, квантовых чисел и каналов распадов) является важной задачей экспериментальной физики частиц. Новые результаты в этой области необходимы для проверки кварковой модели и применимости разных теоретических подходов к описанию частиц, содержащих тяжёлые кварки. Данная работа описывает исследование P-волновых состояний B° мезона, проведённое в эксперименте CMS автором этой статьи.
Отбор событий. Восстановление кандидатов начинается с поиска двух мюонов противоположного заряда, образующих J/0-кандидат, который затем комбинируется с одним или двумя треками, формируя, соответственно, B+ ^ J/-0K+ или B° ^ J/0K+n-кандидат. Для подавления фона требуется, чтобы восстановленное положение вершины распада B кандидата было удалено от первичной вершины, а измеренный импульс был
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: spolikar@cern.ch.
параллелен направлению из первичной вершины в реконструированную вершину распада В кандидата. На рис. 1 приведены распределения инвариантных масс В+ ^ Л/фК+ и В0 ^ Л/0К+п- кандидатов. В случае распада В0 ^ Л/0К+п-есть вероятность, что при реконструкции пион и каон будут перепутаны (К±Нп±), этот эффект изучается с использованием моделирования. В модель аппроксимации распределения инвариантной массы включается компонента с фиксированной формой, учитывающая возможность такого перепутывания, и измеренная доля К± о п± в сигнальном диапазоне В0 составляет около 19%.
дуге_19.6 йг' (8 ТеУ) СМ§_19.6 йг' (8 ТеУ)
А ь 1 ■ I -. | . | I | . | . I . 1 1 1 I- . | 1 | I | 1 | | I | | | . I . | О Г. . _!-,-,-,-.-1:7 V-. , I , , , . I , , . , и
5.2 5.3 5.4 5.5 5.1 5.2 5.3 5.4
"'.1/ч/К1' ОеУ
Рис. 1: Распределения инвариантной массы Л/фК+ (а) и Л/фК+п- (Ь) кандидатов [2]. Ширина интервала по массе Л/0К+ (Л/фК+п-) составляет 4 (3.5) МэВ.
Для образования В+К- кандидатов дополнительный каон отбирается из треков, образующих первичную вершину, а для формирования В0К°? кандидатов отбирается кандидат К° ^ п+п- с вершиной распада, значительно удалённой от области столкновений.
В работе использованы 9 наборов данных моделирования, в которых сгенерированы распады Р-волновых В0 мезонов на в(2)+к-, в(2)0к0, а также распады Р-волновых В0 мезонов на В(2)+п- для изучения вкладов этих распадов в исследуемое распределение массы В+К-.
Исследование инвариантных масс ЕК. На рис. 2 представлены полученные распределения инвариантных масс отобранных ВК кандидатов. Как получено в моделировании, в распределение массы В+К- дают вклад распады возбуждённых В0 мезонов В2 ^ В+п-, В2 ^ В*+п- и В1 ^ В*+п-. Формы этих вкладов определены из моделирования, а величины - из данных. Из моделирования также вычислены разрешения
Рис. 2: Распределения инвариантной массы В+К- (а) и В0К° (Ь) кандидатов [2]. Точки показывают данные, толстая кривая - полная функция аппроксимации, тонкие линии - вклады сигналов, а фон показан пунктирной линией. Длиннопунктирные кри-
вые иллюстрируют: в (а) вклады от распадов В 1*2 ^ В(*)+п , в (Ь) вклад К± о п компоненты. Ширина интервала по массам В+К- и В0К°? составляет 2 МэВ.
г±
по инвариантной массе В+К-. Функция, описывающая распределения инвариантной массы В+К-, состоит из гладкой кривой для описания фона, трёх вкладов от распадов возбуждённых В0 мезонов и трёх сигнальных вкладов (релятивистских функций Брейта-Вигнера, свёрнутых с функциями разрешения), соответствующих распадам В*2 ^ В+К-, В*2 ^ В*+К- и В81 ^ В*+К-. Измерены количества событий в трёх сигналах, Г(В*2) и разности масс; полученные значения представлены в табл. 1. Распределение инвариантной массы отобранных В0К°? кандидатов, показанное на рис. 2(Ь), аппроксимируется суммой гладкой функции для описания фона, трёх сигнальных компонент, описывающих вклады распадов В*2 ^ В°К°, В*2 ^ В*0К^ и В81 ^ В*0К°!, и трёх вкладов от К±Оп± (их формы получены в моделировании, а количества событий фиксированы по отношению к сигналам). Статистические значимости сигналов В*2 ^ В0К0 и В81 ^ В*0К0 составляют, соответственно, 6.3а и 3.6а, что свидетельствует о первом обнаружении распада В*2 ^ В0К0 и первом свидетельстве распада В81 ^ В*0К0. Результаты аппроксимации представлены в табл. 1.
С использованием полученных разностей масс, измеряются также разности
М(В0) - М(В+) = ДМ± - ДМВ*2 + М(К-) - М(К0)
и
М(В20) - М(В 2+) = АМ± - ДМ^ + М(К-) - М(К0),
где
ДМ±*2 = М(В8*2) - М(В+) - М(К-), АМ± = М(Вв1) - М(В 2+) - М(К-), ДМ^ = М(В822) - М(В0) - М(К0), АМ^ = М(Вв1) - М(В 20) - М(К0).
Таблица 1
Результаты аппроксимации распределений твк: количества сигнальных событий (Ы), естественные ширины (Г) и разности масс
В+К- В0К^
N(В22 ^ ВК) N(В^ ^ В 2К) N(В^ ^ В 2К) 5424 ± 269 455 ± 119 1329 ± 83 128 ± 22 12 ± 11 34.5 ± 8.3
Г(В22),МэВ Г(Bs1), МэВ 1.52 ± 0.34 0.10 ± 0.15 2.1 ± 1.3 0.4 ± 0.4
М(В^) - М(В) - М(К),МэВ М(В^) - М(В 2) - М(К),МэВ 66.926 ± 0.093 10.495 ± 0.089 62.42 ± 0.48 5.65 ± 0.23
Эффективности, систематические погрешности. В работе измеряются отношения вероятностей Я0±, , , Я± и Я°:
± В(В822 ^ В0К0)
Л2
0
В(В822 ^ В+К-)'
В(В822 ^ В 2+К-) В(В822 ^ В+К-)
Я0
я02
в(вВ1 ^ В 20К0)
В(В81 ^ В 2+К-),
В(В822 ^ В 2 0К0) в(В822 ^ В0К0),
±
Я
я0
а(рр ^ В81Х) х В(В81 ^ В 2+К-) а(рр ^ BS22X) х В(В822 ^ В+К-) : ^ BSlX) х В(В81 ^ В 20К0) ^ В22X) х В(В22 ^ В0К0).
Они вычисляются как отношения соответствующих чисел событий в данных, скорректированные на отношение эффективностей (е), а для Я0± и также и на вероятности промежуточных распадов. Например, отношение Я0± вычисляется по формуле
Е>0± Я2
В(В22 ^ В0К) _ N(В22 ^ в0К0) е(В22 ^ В+К-)
В(В22 ^ В+К-) N(В22 ^ В+К-) е(В22 ^ В0К0)
В(В+ ^ Л/0К+)
х ■
В(В0 ^ Л/0К*0)В(К*0 ^ К+п-)В(К0 ^ п+п-)' Систематические погрешности измеренных отношений вероятностей распадов, естественной ширины В*2 мезона и разностей масс связаны: с выбором моделей аппроксимации распределений; погрешностями эффективности реконструкции треков, погрешностями в разрешениях по инвариантной массе и доле К±о п±; возможным вкладом не резонансного распада В0 ^ Л/0К+п- (не через К*(892)0); возможными ошибками в юстировке детектора; числом событий в моделировании; и сдвигом между сгенерированной и реконструированной массами, обнаруженным в моделировании. Полученные систематические погрешности составляют до 20% для отношений вероятностей распадов, до 0.1 МэВ для разностей масс и 0.3 МэВ для Г(В*2).
Результаты. Впервые обнаружен распад В*2 ^ В0К0 и получено первое свидетельство распада В81 ^ В*0К0. Измерены отношения вероятностей распадов [2]
Д0± = В/^82 ^= 0.432 ± 0.077 (стат.) ± 0.075 (сист.) ± 0.021(РБС),
В(В*2 ^ В+К-) Ю(В _В*0К0)
Д0± = Вт ^т. +тЛл = 0.49 ± 0.12 (стат.) ± 0.07 (сист.) ± 0.02(РБС), В(В81 ^ В*+К )
Д±* = В(В*2 ^ В+К-) = 0.081 ± 0.021 (стат.) ± 0.015 (сист.), (В В 0К0)
*0* = В((В82 ^ В0^ = 0.093 ± 0.086 (стат.) ± 0.014 (сист.),
где третьи погрешности связаны с погрешностями табличных вероятностей распадов [1]. Также измерены произведения сечений рождения на вероятности распадов [2]
. а(рр ^ В81...) х В(В81 ^ В *+К-) , ,
Я± = --81-{--/ = 0.233 ± 0.019 (стат.) ± 0.018 (сист.),
а(рр ^ В*2...) х В(В**2 ^ В+К-) 1 ; 1 ь
0 а(рр ^ В81...) х В(В81 ^ В *0К0) , ,
= Х^В*,..)-^^ К) = 0/266 ±0'079 (стат-» ± 0063 (сист->-
Измеренные разности масс составляют [2]
ДМ± = М(В**2) - М(В+) - М(К-) = (66 . 87 ± 0 . 09 (стат.) ± 0 . 07 (сист.)) МэВ,
ДМ0ь = М(В**2) - М(В0) - М(К0) = (62.37 ± 0.48 (стат.) ± 0.07 (сист.)) МэВ, ДМ± = М(В81) - М(В*+) - М(К-) = (10.45 ± 0.09 (стат.) ± 0.06 (сист.)) МэВ, ДМ£в1 = М(В81) - М(В* 0) - М(К0) = (5.61 ± 0.23 (стат.) ± 0.06 (сист.)) МэВ.
Используя эти измерения, определены разности масс между заряженными и нейтральными B-мезонами [2]:
M(B0) - M(B+) = 0.566 ± 0.487 (стат.) ± 0.098 (сист.) ± 0.020(PDG) МэВ,
M(B*0) - M(B*+) = 0.906 ± 0.242 (стат.) ± 0.085 (сист.) ± 0.020(PDG) МэВ.
Разность масс M(B*0) — M(B*+) измерена впервые, и в данной работе представлен новый метод измерения этих разностей масс. Наконец, измерена естественная ширина B**2 мезона: r(B**2) = 1.52 ± 0.34 (стат.) ± 0.30 (сист.) МэВ [2].
Полученные разности масс и AM± , отношения и и естественная
ширина r(B*2) находятся в согласии с предыдущими экспериментальными результатами коллабораций LHCb [3] и CDF [4].
Результаты работы демонстрируют возможность проводить исследования спектроскопии прелестных адронов на установке CMS, изначально не оптимизированной для исследований в этой области. Впервые исследованные распады P-волновых B° мезонов на B° K° обогащают экспериментальные знания об этих частицах. Измеренные значения естественной ширины, масс и разностей масс (включая новые измерения) позволят уточнить табличные значения свойств частиц и настроить новые теоретические модели.
ЛИТЕРАТУРА
[1] C. Patrignani and Particle Data Group 2016, Chin. Phys. C 40, 10 (2016): 100001, doi:
10.1088/1674-1137/40/10/100001.
[2] A. Sirunyan et al. (CMS Collaboration), Eur. Phys. J. C 78, 11 (2018): 939, doi:
10.1140/epjc/s10052-018-6390-z.
[3] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Phys. Rev. Lett. 110, 15 (2013): 151803, doi:
10.1103/PhysRevLett.110.151803.
[4] R. Aaij et al. (CDF Collaboration), Phys. Rev. D 90, 1 (2014): 012013.
Поступила в редакцию 8 ноября 2019 г. После доработки 16 апреля 2020 г. Принята к публикации 17 апреля 2020 г.
Публикуется по рекомендации Московской международной школы физики-2019 (ФИАН, Москва).
