Введение к работе
Диссертация посвящена изучению механизмов распадов В"- мезонов и Y(5S) -резонансов на экспериментальных данных, полученных в е+е~- аннигиляции при энергии в системе центра масс в области Y(5S) - резонанса. В работе представлен принципиально новый метод исследования В- мезонов и в несколько отличных от Y(4S) кинематических условиях В+- и В0- мезонов (при упоминании этих частиц в диссертации по умолчанию подразумеваются также соответствующие им античастицы В, В~ и В0). Этот метод основан на увеличении полной энергии е+е~ кол-лайдера, традиционно работающего в области энергии Y(4S) - резонанса, в область энергии Y(5S) - резонанса. Данный метод был детально разработан и практически осуществлён на коллайдере КЕКВ и детекторе Belle. С помощью этого метода был впервые получен ряд новых данных по распадам В- мезонов, а также детально изучены свойства Y(5S) - резонанса. Результаты изучения распадов В - мезонов с подхватом кварковой sJ - пары, где в процессе взаимодействия совместно участвуют Ъ- и s- кварки, также представлены в диссертации.
Экспериментальные данные, представленные в данном исследовании, получены на установке Belle, работающей на е+е~ коллайдере КЕКВ (г. Цукуба, Япония), при асимметричных пучках с полной энергией в области рождения Y(4S)- и Y(5S)-резонансов. Основные результаты диссертации [1-17] опубликованы в реферируемых журналах, указанных в утверждённом списке ВАК. Первые 11 работ опубликованы в журналах Physical Review Letter и Physical Review D, последние 6 опубликованы как труды международных конференций.
Актуальность темы
Экспериментальная информация oBs- мезонах, существовавшая до последнего времени, была достаточно ограничена и в основном получена на адронном коллайдере Тэватрон в экспериментах CDF и DO. Более ранние данные, полученные на экспериментальных установках комплекса LEP, имели относительно низкую статистическую значимость. Использование принципиально нового метода исследования ВІ? - мезонов на е+е~ коллайдере позволило существенно расширить наше представление об этих частицах. В проведённых на основе разработанного метода исследованиях удалось выполнить целый ряд новых измерений, невозможных на адронных коллайдерах, а также улучшить точность существующих измерений. Новый метод имеет отличные от предыдущих экспериментов источники систематических погрешностей, что позволяет провести критическую проверку существующих измерений В-мезонов.
На е+е~ коллайдерах, работающих в области энергии Y(4S) - резонанса, накоплен колоссальный объем информации о заряженных В+- и нейтральных В0- мезонах. Эти данные позволяют одновременно изучать различные процессы, включая сильные, слабые и электромагнитные. Распады В-мезонов являются уникальной лабораторией для понимания физики частиц. Важнейшим элементом этих исследований является проверка Стандартной Модели (СМ). В то же время В- мезоны значительно менее изучены, хотя их исследование позволяет получить не менее важные и плодотворные результаты, чем полученные при изучении В+- и В0- мезонов. Отсутствие прецизионных измерений широкого спектра распадов ВІ? - мезонов существенно ограничивает наше понимание механизмов взаимодействия кварков. Кроме того, ряд новых важных проверок Стандартной Модели может быть осуществлён только с помощью предложенного метода.
Метод изучения В - мезонов с использованием данных, полученных в е+е~-столкновениях, в самом общем виде обсуждался в ряде теоретических работ [18-20]. Первая практическая попытка экспериментального использования данного метода была предпринята коллаборацией CLEO, однако набранный образец данных
(0.42fb_1) был слишком мал для того, чтобы получить статистически надёжные результаты. Тем не менее, коллаборация CLEO сумела получить первое свидетельство рождения В - мезонов при энергии Y(5S) - резонанса [21,22], что явилось существенной мотивацией для проведения данной работы. Однако полученные экспериментальные данные были близки к уровню потенциальных статистических флуктуации. Кроме того, статистические погрешности были слишком большими для сравнения полученных результатов с теоретическими расчётами. Поэтому было необходимо провести экспериментальную проверку работоспособности данного метода и получить статистически значимые результаты.
Успешная реализация предложенного метода в эксперименте Belle позволила к настоящему времени получить ряд новых интересных результатов. Кроме того, результаты, полученные на основе нового метода изучения В-мезонов, важны для планирования будущих е+е~ экспериментов, где ожидаются значительно большие интенсивности пучков. Оптимизация параметров будущих супер В фабрик в Японии и Италии проводится при существенном использовании результатов, полученных в данном исследовании.
Данные, набранные в области Y(5S) - резонанса, также позволяют изучать свойства непосредственно Y(5S)-резонанса. Этот резонанс, иногда обозначаемый в литературе как Y( 10860), представляет собой й-кварк и й-анти-кварк пару или боттомониум. Такие частицы, состоящие из двух тяжелых кварков, предполагают возможность достаточно точного теоретического предсказания их свойств в результате относительно малых вкладов поправок в рамках теории возмущений. В то же время до представленного исследования отсутствовали точные экспериментальные данные, которые можно было бы сравнить с теоретическими предсказаниями в этой области. Полученные в проведённом исследовании экспериментальные данные об образовании и распадах Y(5S)-резонанса позволили провести критическую проверку ряда теоретических моделей.
Цель диссертации
Целью диссертации являлась разработка нового метода исследования В- и В-мезонов в е+е~- столкновениях при энергии в области Y(5S) - резонанса и изучение механизмов образования и распадов В- мезонов и Y(5S) - резонансов.
Научная новизна
В данной работе впервые разработан и практически реализован новый метод изучения распадов Вд-мезонов в е+е~- столкновениях при энергии в области Y(5S) -резонанса. Для этого потребовалось развить новую методику анализа экспериментальных данных и провести измерения ряда параметров. С помощью данного метода стало возможно первое измерение ряда распадов В- мезонов, в частности, с нейтральными частицами, труднореализуемое в других экспериментальных условиях.
Используя новый метод, впервые измерены вероятности распадов Ъ (В —>
-d;-tO, S(bs^d;p+), 2(bs0^d:-p+),:3(bs0^y), S(b^d;-d:)hS(bs0^
—>D*~ D*+). Получены верхние пределы на вероятности распадов 2(Вд —>уу) и 2(В!?—>КК), превосходящие по точности все имеющиеся в мире на сегодняшний день. Проведены новые измерения вероятностей распадов Ъ (В — Dg 7i+), Ъ (В — —>Dg К+), 2>(В|? —>К+К~) и 2>(ВІ?—>Dg Ц"), с точностью, сравнимой с имеющимися
результатами.
В работе со значительно более высокой точностью, по сравнению с полученными ранее результатами CLEO, измерены доли двух-частичных распадов Y(5S) -резонанса в В+- и В0- мезоны, а трёх-частичные распады были обнаружены и измерены впервые. В работе также представлены первые измерения вероятностей распадов В -^D^K'K^, В^фКу и B~o^DsJ(2317)+K" .
Основные положения, выносимые на защиту
Разработка и практическая реализация на детекторе Belle нового метода изучения В-мезонов в е+е '- столкновениях при энергии в области Y(5S)- резонанса.
Определение параметров распадов У(58)-резонансов, необходимых для измерения вероятностей распадов В- мезонов: сечения рождения bb- пары при энергии Y(5S) - резонанса а (е+е~— bb), вероятности образования В- мезонов из bb - пары
fs(bb —>Bg В ) и доли событий с Bs Bs -парой среди всех событий с В^- мезонами
f(Bs*Bf).
3. Первые измерения распадов В — D*"ti+, В — Dg р+, В — D*"p+, В— ф у,
ВІ?—>D*~ D^ и Bg —> D*~ D*+. Получение верхних пределов на вероятность распадов
Bs ~~^YY и ВІ?—>КК с лучшей в мире точностью. Новые измерения с высокой
точностью относительных вероятностей распадов В!?—>Dg л+, В!?—>Dg К+ , В!?—>К+К~
и bs^d-d:.
Измерение с высокой точностью полных и двух-частичных вероятностей распадов Y(5S) - резонанса в В+- и В0- мезоны. Первое измерение трёх-частичных каналов распадов Y(5S) - резонанса с В+- и В0- мезонами в конечном состоянии.
Первые измерения относительных вероятностей распадов В мезонов с подхватом sJ- пары, B^D^K'K^, В^фКу и В ^DsJ(2317)+K~.
Апробация работы и публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в реферируемых журналах Physical Review Letters и Physical Review D [1-11], а также в материалах международных конференций [12-17].
Материалы, представленные в диссертации, докладывались автором на совещаниях сотрудничества Belle, а также многочисленных международных конференциях. Среди них - Рочестерская конференция ICHEP 2006 (г. Москва, Россия) [12]; конференции Европейского физического общества EPS/HEP 2007 (г. Манчестер,
Англия) [13], EPS/HEP 2009 (г. Краков, Польша) [14]; крупные конференции Rencontres de Moriond 2006, 2009 (г. Ла Туилъ, Италия) [15,16], FHFP 2006 (г. Москва, Россия), JPS/DPF 2006 (г. Гонолулу, США), HCPS 2008 (г. Галена, США) [17], QWG 2010 (г. Чикаго, США). Результаты также докладывались сотрудниками коллаборации Belle на множестве международных конференций.
Предложенный метод изучения В- мезонов был подтверждён в ряде последних работ коллаборации Belle [3-8], где полученные сигналы имеют высокую статистическую значимость и хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями. Значения относительных вероятностей распадов ВІ?- мезонов, которые были получены в данной работе, демонстрируют хорошее согласие с результатами, полученными в эксперименте CDF [23,24].
Структура и объем диссертации
