CC BY
7
УДК 539.126.6
ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ Н--БАРИОНОВ
НА ДАННЫХ CMS
К. М. Иванов
Данная работа посвящена вопросу экспериментального изучения и восстановления Е- -барионов с использованием данных, набранных экспериментом CMS Большого адронного коллайдера в 2016-2018 годах в протон-протонных столкновениях с энергией в системе центра инерции у/в = 13 ТэВ, что соответствует интегральной светимости 140 фб-1. Было восстановлен-но более 900 событий распада Е- ^ J/гфЕ~, где J /гф ^ Е- ^ Лп-, Л ^ рп-. Измеренная масса Е- ба-риона прекрасно согласуется с табличной, а полученные результаты демонстрируют возможность выполнять работы по спектроскопии прелестных адронов на экспериментальной установке CMS.
Ключевые слова: CMS, физика частиц, b-физика, спектроскопия.
Введение. Еь-барионы - семейство изодублетов с кварковым составом qsb (где легкий кварк первого поколения q является u для Е0 и d для Е-), имеющих сразу два аромата: прелесть B = -1, странность S = -1. Изучение этих частиц началось с обнаружения коллаборациями D0 [1] и CDF [2] распада Е- ^ J/^Е" в 2007 г. в протон-антипротонных столкновениях на Тэватроне. В 2011 г. CDF также обнаружила и нейтральный Е0 в распаде на Е+п- [3].
В соответствии с теоретическими предсказаниями [4, 5], у семейства Еь должно существовать и множество возбуждений, различные изодублеты которых характеризуются спином j легкого qs дикварка и спин-четностью бариона JP (так, для основного состояния j = 0 и JP = 1/2+). Несколько таких Еь резонансов было обнаружено экспериментами Большого адронного коллайдера (БАК) в сильных распадах: Е^0 коллаборацией CMS [6] (позднее подтвержден на LHCb [7]) и состояния ЕЬ-, Е^" на LHCb [8], где ЕЬ
МФТИ, 141700 Россия, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9; e-mail: kirill.ivanov@cern.ch.
имеет характеристики j = 1, JP = 1/2+, а S^ — j = 1, JP = 3/2+. Недавно в эксперименте LHCb был обнаружен еще один резонанс, Sb(6227)- [9], но его квантовые числа неизвестны и нуждаются в дальнейших исследованиях.
Таким образом, на примере семейства Sb видно, что эксперименты БАК благодаря большой энергии рр-столкновений и рекордным объемам записанных данных позволяют выполнять исследования в области спектроскопии тяжелых адронов, в частности, поиск новых состояний и распадов, точные измерения их масс и времен жизни. Это важно для проверки и уточнения теоретических моделей сильного межкваркового взаимодействия в квантовой хромодинамике. Так как большинство возбужденных состояний распадается по сильному каналу на основное состояние + легкие адроны, для поиска новых резонансов очень важным является вопрос надежного восстановления и изучения основных состояний тяжелых адронов. Именно этому и посвящена настоящая работа, описывающая методику, процедуру и результаты восстановления S- адронов в канале S- ^ J/0S- с последующими распадами J/ф ^ ^+¡л~, S- ^ Лп-, Л ^ рп-. Были использованны данные, набранные детектором CMS БАК [10] в 2016-2018 годах в результате протон-протонных столкновений при энергии в системе центра инерции л/в = 13 ТэВ, что соотвествует интегральной светимости 140 фб-1.
Отбор и восстановление событий. Для восстановления кандидатов S- используется процедура, близкая к используемым в предыдущих работах CMS по b-физике. Схематичное изображение топологии распада представлено на рис. 1.
Рис. 1: Топология распада S- ^ J/^S с последующими распадами J/ф ^ , S ^ Лп-, Л ^ рп-.
Реконструкция начинается с поиска и восстановления двух мюонов противоположного заряда с ограничениями на поперечный импульс рт(^±) > 3.0 ГэВ и псевдобыстроту < 2.4, прошедших soft-muon идентификацию CMS [11]. Их треки фитируются в общую вершину с наложением требования на х2 вероятность фита более 1%. Масса ди-мюонного кандидата должна принадлежать диапазону 2.9 ГэВ < < 3.45 ГэВ по инвариантной массе для предварительного отбора событий и затем - в пределах 100 МэВ от табличной массы J/-0 согласно [12].
Затем кандидаты Л формируются как удаленная вершина распада с двумя исходящими треками в форме буквы V с суммарным нулевым зарядом (V0-кандидаты), что соответствует распаду Л ^ рп-. Треку с наибольшим импульсом присваивается массовая гипотеза протона, соответственно второму - пиона. Инвариантная масса рп-должна лежать в массовом окне 10 МэВ от табличной массы Л согласно [12], что соответствует примерно трем детекторным разрешениям, а вероятность фита треков в общую вершину должна быть более 1%. Также отобранный V0-кандидат должен иметь рТ > 1 ГэВ.
После этого для восстановления кандидатов Е- отобранный ранее Л барион комбинируется с заряженным треком с пионной гипотезой, удовлетворяющим требованиям рТ(п-) > 0.3 ГэВ и |п(п-)| < 2.4. Вероятность вершинного фита Е- ^ Лп-должна быть выше 1%, а инвариантная масса кандидатов должна лежать в диапазоне |M(Лп-) — трсс(Е_)| < 10 МэВ, соответствующему примерно 3 разрешениям по массе Е-. Так как Л является долгоживущей частицей и ее распад удален от вершины Е-, накладывается ограничение на сов(а(Л, Е-)), который должен быть положительным. Здесь а (Л, Е-) = Z{Lxy (Л — Е-),рТ(Л)} - направляющий угол между импульсом Л и вектором ее отлета от вершины Е- в поперечной плоскости.
Наконец, кандидаты Е- получаются в результате фитирования отобранных J/-0 и Е- в общую вершину с требованием совпадения массы димюонного кандидата с известной массой J/-0 мезона [12]. При выборе первичной вершины (PV) из всех восстановленных в результате рр-столкновений выбирается та, которая наиболее соответствует рождению восстановленного кандидата Е-. Для каждой PV вычисляется направляющий на нее угол между импульсом кандидата Е- и вектором между PV и вершиной распада Е-, после чего выбирается та PV, для которой этот угол минимален (косинус максимален). При таком переборе PV проверяется, чтобы формирующие положение PV треки не совпадали ни с одним из тех пяти, которые были отобраны на предыдущих этапах. В случае нахождения совпадения такой трек удаляется из списка формирующих PV,
и положение PV вычисляется заново с помощью фита всех этих треков.
Затем на отобранные кандидаты S" накладываются следующие ограничения: Pt(s") > 10 ГэВ, Pvtx(S") > 1%. Также в силу значительного времени жизни S" необходимо потребовать cos a(S", S") > 0.999 и наложить на пион из распада S" ^ Лп" ограничение на значимость поперечного прицельного параметра dxy/&dxy > 1, где этот параметр dxy определяется как наименьшее расстояние между треком и PV. Так как распад b кварка должен быть значимо отдален от положения PV, вершина распада кандидата S" должна удовлетворять условиям на значимость отлета от области pp-столкновений Lxy(S", PV) > 3aLxyPV) и на направляющий угол cos a(S",PV) > 0.99. Восстановленная инвариантная масса должна лежать в диапазоне [5.6, 6.0] ГэВ.
Для получения детекторных разрешений по инвариантной массе были использованы наборы смоделированных данных CMS, сгенерированные методом Монте-Карло. Процедура реконструкции событий в симуляции полностью идентична используемой для реальных данных за исключением дополнительного требования соответствия восстановленных частиц с теми, что были на самом деле сгенерированы.
Изучение распадов S" ^ Лп" и S" ^ J/-0S". Полученные распределения по инвариантной массе для Лп- и J/-0S" представлены на рис. 2 (слева и справа, соответственно). С использованием Монте-Карло симуляции были получены следующие значения детекторного разрешения: 3.55 ± 0.15 МэВ для сигнала S- ^ Лп- и 17.8 ± 1.2 МэВ -для S" ^ J/^S".
Таблица 1
Параметры, полученные в результате аппроксимаций распределений по инвариантной массе Лп- и J/-0S". Массы и разрешения даны в МэВ.
Погрешности являются только статистическими
Сигнал N mflt ^eff (MC) X2/ndof
S- ^ Лп" 2269 ± 68 1321.91 ± 0.09 3.55 112.9/96
S" ^ j/^s- 932 ± 42 5796.95 ± 0.73 17.8 103.6/96
Аппроксимация отобранных событий выполнена с помощью библиотеки RooFit программного пакета ROOT. Для обоих изучаемых распределений сигнальная функция смоделирована двойной функцией Гаусса с общим средним, форма которой определена из симуляции, в то время как фон описан полиномом 1-ой степени. Численные результаты аппроксимации представлены в табл. 1. Измеренная масса S- гиперона равна 1321.92 ± 0.11 МэВ, что находится в согласии с результатами Particle
Data Group (PDG) [12] 1321.71 ± 0.07 МэВ. Результаты аппроксимации для массы Е--бариона, 5796.95 ± 0.73 МэВ, также отлично согласуются с табличными: mpIDG = 5797.0 ± 0.9 МэВ [12]. *
Рис. 2: Распределения по инвариантной массе Лп- (слева) и J/-0S" (справа) кандидатов, полученных на полном наборе данных 2016-2018 годов pp-столкновений. Точки показывают данные, толстая красная кривая — резу.льт,ат,ы аппроксимаций, тонкие зеленые линии описывают вклады сигнальных компонент•,, а фон изображен фиолетовой штршхпунктирмой линией.
Заключение. Таким образом, было восстановлено 932 ± 42 события Е--бариона в его распаде S- ^ J/-0S", что почти в 10 раз превосходит предыдущий результат коллаборации CMS [6]. Это является первым изучением спектроскопии Sb-барионов коллаборацией CMS на данных RunII БАК. Измеренная в работе масса S--бариона 5796.95±0.73 МэВ прекрасно согласуется с усредненным значением PDG [12] 5797.0±0.9, а также с недавним измерением коллаборации LHCb 2019 года [13] 5797.70±0.39±0.15± 0.17 МэВ, где вторая и третья ошибка связаны с систематическими погрешностями и неточностью табличного значения массы Л0-бариона. Полученные нами результаты демонстрируют отличную способность эксперимента CMS восстанавливать b-адроны и открывают возможности для дальнейшего изучения спектроскопии тяжелых состояний, распадающихся с участием S--бариона.
ЛИТЕРАТУРА
[1] V. Abazov and others (D0 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 99, 052001 (2007). DOI:10.1103/PhysRevLett.99.052001.
[2] T. Aaltonen and others (CDF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 99, 052002 (2007). D0I:10.1103/PhysRevLett.99.052002.
[3] T. Aaltonen and others (CDF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 107, 102001 (2011). D0I:10.1103/PhysRevLett.107.102001.
[4] E. Klempt and J.-M. Richard, Rev. Mod. Phys. 82, 1095 (2010).
[5] M. Karliner, B. Keren-Zur, H. J. Lipkin, and J. L. Rosner, Annals Phys. 324, 2 (2009). D0I:10.1016/j.aop.2008.05.003.
[6] S. Chatrchyan and others (CMS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 108, 252002 (2012). D0I:10.1103/PhysRevLett.108.252002.
[7] R. Aaij and others (LHCb Collaboration), JHEP 05, 161 (2016). D0I:10.1007/JHEP05(2016)161.
[8] R. Aaij and others (LHCb Collaboration), Phys. Rev. Lett. 114, 062004 (2015). D0I:10.1103/PhysRevLett.114.062004.
[9] R. Aaij and others (LHCb Collaboration), Phys. Rev. Lett. 121(7), 072002 (2018). D0I:10.1103/PhysRevLett.121.072002.
[10] S. Chatrchyan and others (CMS Collaboration), JINST 3, 1 (2008) S08004. D0I:10.1088/1748-0221/3/08/S08004.
[11] S. Chatrchyan and others (CMS Collaboration), JINST 7, 1 (2012) P10002. D0I:10.1088/1748-0221/7/10/P10002.
[12] M. Tanabashi and others (Particle Data Group), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018). D0I:10.1103/PhysRevD.98.030001.
[13] R. Aaij and others (LHCb Collaboration), Phys. Rev. D 99(5), 052006 (2019). D0I:10.1103/PhysRevD.99.052006.
Поступила в редакцию 19 августа 2020 г.
После доработки 24 ноября 2020 г. Принята к публикации 25 ноября 2020 г.
Публикуется по рекомендации Московской международной школы физики—2020 (ФИАН, Москва).
