ОБНАРУЖЕНИЕ РАСПАДА Λ0→ J/ψΛφ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.1

ОБНАРУЖЕНИЕ РАСПАДА А£ ^ J/фЛф В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS

Н. К. Петров

Данная работа посвящена обнаружению распада Л^ ^ J/фЛф на данных, набранных экспериментом CMS Большого адронного коллайдера в 2018 году в результате протон-протонных (pp) столкновений при энергии в системе центра инерции л/s = 13 ТэВ, что соот,вест,вует, интегральной светимости 60 фб-1. Было измерено отношение вероятностей распадов В(Л^ ^ J/фЛф)/В(Л^ ^ ф(2Я)Л) = (8.26 ± 0.90(стат.) ± 0.68(сист.) ± 0.11(B)) х 10-2, где первая погрешность статистическая, вторая -систематическая, а третья отражает погрешности в известных вероятностях распада ф и ф(2Я) в восстановленные нами конечные состояния.

Ключевые слова: CMS, физика элементарных частиц, b-физика, спектроскопия.

1. Введение. Изучение различных распадов b-барионов, в том числе Л^, является важным направлением в современной физике высоких энергий. Подобные исследования могут помочь улучшить наше понимание сильных взаимодействий. Также распады Л^-барионов являются отличным источником экзотических состояний. Недавно колла-борация LHCb обнаружила 3 кандидата в пентакварки [1, 2] Pc(4312)+, Pc(4380)+ and Pc(4450)+ в инвариантной массе J/фр в распадах Л^ ^ J/фрК-. Поэтому дальнейшие исследования распадов Л^-барионов с чармонием в конечном состоянии представляют огромный интерес и могут помочь понять механизмы рождения экзотических много-кварковых состояний.

Настоящая статья рассказывает об обнаружении распада Л^ ^ J/фЛф [3], а также об измерении отношения вероятностей распадов В(Л^ ^ J/фЛф)/В (Л£ ^ ф(2Я)Л). Частицы J/ф, Л,ф и ф(2Я) были восстановлены в следующих конечных состояниях: рп-, К+К- и J/фп+п- соответственно. Канал Л^ ^ ф(2Я)Л был выбран как нормировочный по отношению к Л^ ^ J/фЛф благодаря совпадающей топологии распада.

МФТИ, 141700 Россия, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9; e-mail: nikita.petrov@cern.ch.

Кроме того распад ЛЪ ^ J/фЛф является барионным аналогом распада B+ ^ Л/0фК+, где в распределении по инвариантной массе J/фф сразу несколько экспериментов [4-7] обнаружили богатую резонансную структуру. Таким образом, изучаемый нами распад может предоставить возможность проверки и дальнейшего изучения найденных экзотических состояний после набора достаточного числа сигнальных событий. Также в распаде ЛЪ ^ J/фЛф можно исследовать инвариантую массу J/фЛ, где тоже возможно наличие экзотических многокварковых состояний.

2. Отбор и восстановление событии. Процессы реконструкции ЛЪ ^ J/фЛф и Л° ^ ф(2Я)Л кандидатов очень похожи между собой. Все начинается с восстановления треков пары мягких противоположно заряженных мюонов с px(^±) > 4 ГэВ и |п(^±)| < 2.4. Димюон комбинируется с Л-кандидатом, представляющим собой отлетевшую вершину и пару противоположно заряженных треков (pn-), выходящих из нее. После чего добавляется два трека с каонными массовыми гипотезами в случае основного канала и пионными - для нормировочного. Для восстановления итогового Л^-кандидата применяется кинематический фит треков всех вышеописаных частиц в общую вершину, с требованием совпадения массы димюона с известной массой J/ф мезона из Particle Data Group (PDG) [8].

Для подавления комбинаторного фона используются следующие ограничения: вершина реконструированного Л^-кандидата должна иметь значимый отлет от вершины первичного pp-взаимодействия, а угол между направлением вылета и импульсом ЛЬ быть близок к нулю. Для выделения ф(2Я) и ф кандидатов требуется, чтобы инвариантные массы J/фп+п- и К+К- были близки к известным значениям из PDG.

3. Получение результатов. Для вычисления отношения вероятностей распадов используется формула (1):

Б(Л°Ъ ^ J/фЛф) _ N(Л° ^ J/фЛф) е(Л° ^ ф(2Я)Л) В(ф(2Я) ^ J/фп+п-) В(Л° ^ ф(2Я)Л) = ЛЪ(ЛЪ ^ ф(2Я)Л) б(ЛЪ ^ J/фЛф) В(ф ^ К+К-) ' ()

где N (ЛЪ ^ J/фЛф) и N (ЛЬ ^ ф(2Я)Л) - измеренные количества сигнальных событий для основного и нормировочного каналов, е(ЛЪ ^ J/фЛф) и е(ЛЪ ^ ф(2Я)Л) обозначают полные эффективности соответствующих распадов, включая аксектенс детектора и эффективность реконструкции, а В(ф(2Я) ^ J/фп+п-) и В(ф ^ К+К-) - известные вероятности распадов, взятые из PDG.

Рис. 1: Распределения по инвариантной массе Л/фЛК+К- (слева) и К+К- после вычитания фона (справа). Точки показывают данные, вертикальные линии являются статистическими погрешностями, а линии описывают результаты аппроксимации, описанной в тексте.

Используя процедуру отбора, описанную в секции 2, было получено распределение событий по инвариантной массе Л/фЛК+К-, представленное на рис. 1 (слева). Для описания этого распределения используется небинированная апроксимация, включающая сигнальную и фоновую компоненты. Сигнальная компонента описана двойной функцией Гаусса с общим центральным значением. Форма сигнала зафиксирована из симуляции Монте-Карло (МС), в то время как центральное значение и нормировка остаются свободными параметрами аппроксимации. Фон параметризован полиномом Бернштей-на 3 степени со всеми свободными параметрами.

В результате аппроксимации было получено 380 ± 32 сигнальных события. Локальная статистическая значимость сигнала превышает 9 стандартных отклонений с учетом вариаций фоновых и сигнальных моделей. Важно, однако, отметить, что приведенное число событий является количеством распадов Л^ ^ Л/фЛК+К-. Для того чтобы извлечь количество сигнальных событий Л^ ^ Л/фЛф, была использована техника вПйЬ [9], которая позволяет разделить сигнальную и фоновую компоненты статистически. Так для сигнальной компоненты было получено распределение М(К+К-) с вычтенными фоновыми событиями (рис. 1, справа). Для его описания использована свертка функций релятивисткого Брейт-Вигнера и детекторного разрешения для ф-компоненты, и полиномом первой степени для нерезонансного вклада. Разрешение описано двойной функцией Гаусса с общим средним, форма которой определена из МС

симуляции, а натуральная ширина Г была зафиксирована равной табличному значению для ф-резонанса из PDG. Из аппроксимации было получено истинное количество сигнальных событий Л^ ^ J/фЛф равное 286 ± 29.

CMS 60 fb-1 (13 TeV)

5.4 5.6 5.8

M(V|/(2S)A, GeV

Рис. 2: Распределение по инвариантной массе ф(2Б)Л-кандидат,ов. Точки показывают, данные, .линии описывают результ,ат,ы аппроксимации, описанной в тексте.

Рис. 2 показывает распределение событий инвариантной массы -0(2S)A. Сигнальная компонента А^ ^ ^(2S)A моделируется двойной функцией Гаусса со свободным общим значением и нормировкой, в то время как его форма определена из симуляции. Фон описан полиномом Бернштейна 3 степени. В результате аппроксимации было получено 884 ± 37 сигнальных события для нормировочного канала.

В процессе изучения MC симуляций было посчитано отношение эффектвностей для основного и нормировочного каналов. Было получено значение e(AJb ^ ^(2S)A)/e(AJb ^ J/фАф) = 0.363 ± 0.011.

Одной из важных компомпонент вычисления отношения вероятностей распадов является оценка систематической погрешности. Она была получена в результате вариаций различных сигнальных и фоновых моделей. Вклад вносит также конечность размеров моделированного набора данных и некоторые различия между данными и симуляцией.

4. Результаты и выводы. Используя данные pp-столкновений, набранных в 2018 году в эксперименте CMS при энергии в системе центра инерции л/s = 13 ТэВ, что

соответствует интегральной светимости 60 фб 1, был обнаружен распад Л^ ^ J/фЛф и измерено отношение вероятностей распадов В(Л^ ^ J/фЛф)/B(Лb ^ ф(2Я)Л). Отношение В(Л° ^ J/фЛф)/В(Л£ ^ ф(2Я)Л) равняется (8.26 ± 0.90(стат.) ± 0.68(сист.) ± 0.11(B)) х 10-2, где первая погрешность статистическая, вторая - систематическая, а третья отражает погрешности известных вероятностей распадов ф и ф(2Я) в восстановленные нами конечные состояния. Обнаружение распада Л^ ^ J/фЛф открывает возможность дальнейших поисков экзотических состояний в массовых спектрах J/фЛ и J/фф.

ЛИТЕРАТУРА

[1] R. Aaij et al., Phys. Rev. Lett. 115, 072001 (2015).

[2] R. Aaij et al., Phys. Rev. Lett. 122, 222001 (2019).

[3] A. M. Sirunyan et al., Phys. Lett. B 802, 135203 (2020).

[4] T. Aaltonen et al., Mod. Phys. Lett. A 32, 1750139 (2017).

[5] S. Chatrchyan et al., Phys. Lett. B 734, 261 (2014).

[6] V. M. Abazov et al., Phys. Rev. Lett. 115, 232001 (2015).

[7] R. Aaij et al., Phys. Rev. Lett. 118, 022003 (2017).

[8] Particle Data Group, M. Tanabashi, et al., Phys. Rev. D 98, 030001 (2018).

[9] M. Pivk and F. R. Le Diberder, Nucl. Instrum. Meth. A 555, 356 (2005).

Поступила в редакцию 19 августа 2020 г.

После доработки 27 ноября 2020 г.

Принята к публикации 28 ноября 2020 г.

Публикуется по рекомендации Московской международной школы физики-2020 (ФИАН, Москва).