Riassunto

Università degli Studi di Milano – Bicocca
Scuola di Dottorato in Scienze
Dottorato di Ricerca in Fisica e Astronomia – XXII ciclo
Tesi di:
Silvia Taroni
matricola: 708261
tutor: Dott. Daniele Pedrini
P ERFORMANCE
DEL RIVELATORE A PIXEL
IN AVANTI DI
CMS E
ANALISI DEL
CANALE DI DECADIMENTO
B → J/ψπ .
C
Riassunto
Il Large Hadron Collider (LHC)
protoni a
√ al CERN è progettato per accelerare due fasci di
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un’energia nel centro di massa s = 14 TeV e a una luminosità instantanea di 10 cm−2 s−1 .
Per il primo anno di attività è previsto che la macchina raggiunga la luminosità istantanea di
L = 1031 cm−2 s−1 e l’energia di 10 TeV.
Queste luminosità e l’energia mai raggiunta permetteranno l’esplorazione di nuovi fenomeni.
In particolare, verrà indagata la conferma del meccanismo di Higgs, responsabile della generazione della massa nel modello standard, e l’evidenza di fisica oltre il modello standard.
Inoltre, sin dalle prime fasi dell’esperimento, l’attenzione sarà rivolta alla fisica dei sapori pesanti.
Per attuare questo ambizioso programma, il rivelatore CMS è stato disegnato con un esteso
apparato per i muoni, un alto campo solenoidale, un calorimetro elettromagnetico completamente composto da cristalli scintillanti e un tracciatore interno di pixel e strip di silicio. Molti
degli “oggetti ricostruiti” dipendono da quest’ultimo rivelatore: le tracce non solo forniscono
la misura di momento per le particelle cariche ma vengono utilizzate come input nella ricostruzione dei vertici primari e secondari e negli algoritimi di b- e τ -tagging.
Fondamentale è la componente più interna di questo sistema di tracciamento, le cui performance sono uno degli argomenti di questa tesi. Questo rivelatore a pixel è composto da una
parte centrale “barrel” di 3 strati di silici posti radialmente a 4.4, 7.3 e 10.2 cm e da una parte
in avanti “forward” di 4 dischi di pixel, due a ogni estremità del barrel. I dischi sono posti a
34.5 e 46.5 cm dal punto di interazione in entrambe le direzioni, e i loro raggi interni ed esterni
sono 6.1 e 15.0 cm rispettivamente. A causa di queste piccole distanze, il rivelatore a pixel è
posto in un ambiente ad alto flusso e si stima che la dose integrata annua al bordo interno del
primo disco alla luminosità e all’energia di design di LHC sia circa 7 Mrad. A raggio maggiore, la dose integrata per anno descresce come r−1.8 . Per studiare l’effetto di un così alto
irraggiamento sulle performance del rivelatore, un modulo (plaquette) pre-produzione di 2×4
Read Out Chip (ROC) è stata esposta a una dose di picco di 45 Mrad alla Cyclotron Facility
dell’Università dell’Indiana utilizzando un fascio di protoni da 200 MeV. Una volta completato il processo di irraggiamento, la plaquette è stata testata su fascio al Fermilab nel luglio 2006
per studiare le performance a lungo temine. L’analisi dei dati raccolti è discussa nella prima
parte del lavoro. Si è osservato un deterioramento nella raccolta di carica: il segnale rilasciato
da una particella al minimo di ionizzazione (MIP) è ∼75% del valore atteso. L’efficienza di
rivelazione rimane comunque alta, ∼99% e nonostante i danni osservati il rivelatore rimane
completamente funzionante e certamente in grado di svoglere il compito all’interno del programma di fisica di CMS al flusso atteso dopo diversi anni di funzionamento alla luminosità
di LHC.
Questi risultati sono promettenti per il successo del programma di fisica dei sapori pesanti in
CMS: i mesoni e i barioni pensanti saranno identificati di fatto attraverso la ricostruzione del
loro vertici primari e secondari. Le misure di CMS contribuiranno a migliorare le conoscenze
di stati ad alta massa come la Bc , Bs , Λb e Ωb che non sono ancora stati studiati dettagliatamente. L’analisi del decadimento Bc → J/ψπ è il secondo argomento di questa tesi. Il mesone
Bc , stato fondamentale del sistema legato (b̄c), è doppiamente pesantemente saporito; è quindi unico nel fornire una nuova possibilibità per studiare la dinamica dei quark pesanti: con il
doppio sapore pesante andrà a completare le informazioni ottenute dal charmonio e dal bottomonio.
Il processo di decadimento del mesone Bc può essere suddiviso in tre classi:
· il decadimento del quark b con il c spettatore
· il decadimento del quark c con il b spettatore
· l’annichilazione
Nonostante le numerose predizioni teoriche, i risultati sperimentali sono solo limitati a due
canali:
Bc → J/ψπ
e
Bc → J/ψ l ν .
La prima osservazione del mesone Bc è riportata nel 1998 dall’esperimento CDF al Tevatron del Fermilab attraverso il decadimento nel canale B c → J/ψ l ν . Nei successivi diei
anni, con il crescere della luminosità del Tevatron, la maggiore statistica ha permesso anche l’analisi del canale Bc → J/ψπ , che è soppresso per il minor Braching Ratio (predizioni
teoriche:BR(Bc → J/ψπ )∼0.13%, BR(Bc → J/ψµνµ )∼1.9%). La massa e la vita media del
mesone sono state misurate. In ogni caso la misura di vita media è tuttora limitata al canale
semileptonico e è affetta da una grande incertezza statistica dell’ordine del 10%.
Una complicazione negli studi dei fattibiltà sulla Bc sorge per la bassa probabilità di produzione: ∼ 10−3 la produzione del bb̄. Un generatore dedicato è quindi necessario per produrre,
in tempi ragionevoli, sufficienti mesoni che decadono nello spettrometro di CMS e vengono
processati attraverso una simulazione completa del detector e la ricostruzione. Il generatore
disponibile è BCVEGPY.
Il primo punto del mio lavoro nello studio della Bc è stato l’integrazione del generatore nella
simulazione di CMS (CMSSW). BCVEGPY emula un generatore a elementi di martice (ME)
e per questo la generazione può essere fermata a livello partonico. Le informazioni della B+
c
e dei due quark aggiuntivi, b e c̄ vengono scritte in un file nel formato dell’accordo di Les
Houches, che può essere facilmente interfacciato con i diversi modelli di adronizzazione. In
questo lavoro di tesi, l’interfaccia è stata implementata e il file di output è stato adronizzato da
PYTHIA. Il nucleo del generatore non è stato modificato dalla versione originale degli autori.
Nell’analisi del canale Bc → J/ψπ , la J/ψ decade in due muoni. La ricostruzione dell’evento
parte dalla selezione dei due muoni che vengono dalla J/ψ ; una terza traccia carica ( π ) viene quindi associata a formare un vertice secondario a tre tracce. Una lumosità integrata di
200 pb−1 (primo anno, schedula di Chamonix 2009) corrisponde a ∼ 70 eventi. Sia lo yield
che la risoluzione (35 MeV) sono già competitivi con i risultati attuali dagli esperimenti CDF
e D0.
La misura di vita media del Tevatron nel canale semileptonico richiede una correzione Monte Carlo a causa del neutrino non rivelato. Il canale B c → J/ψπ può essere completamente
ricostruito ed è libero da questa correzione. Con 1 fb −1 di dati, CMS può ottenere una determinazione della vita media con una precisione statistica di ∼ 6%, da confrontare con il ∼ 10%
da CDF e D0. A 200 pb−1 , si stima una precisione di ∼ 15%.
In conclusione, fin dai primi stadi di presa dati si possono effettuare misure di massa e vita
media della Bc nel canale J/ψ → µ + µ − . Al crescere dalla statistica, più canali di decadimento
verranno esplorati, e verranno fatti test con le predizioni teoriche per chiarire la dinamica dei
quark pesanti.
Il rivelatore a pixel svolgerà un ruolo fondamentale nel programma di analisi sui sapori pesanti; le misure di resistenza alle alte dosi fatte al test-beam ne assicurano le necessarie
performance a lungo termine.