Studio di un nuovo metodo di flavour tagging dei mesoni D^0 e \bar{D}^0 con l'esperimento Belle II

Sumitted to PubDB: 2016-10-17

Category: Master Thesis, Visibility: Public

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Authors Giacomo De Pietro, Francesco Forti
Date 2016-01-01
Belle II Number BELLE2-MTHESIS-2016-007
Abstract Lo studio dei sistemi di mesoni neutri ha dato un grande contributo alla costruzione del Modello Standard e rappresenta un laboratorio importante per la verifica sperimentale di teorie di Nuova Fisica, in particolar modo grazie alla analisi dei fenomeni di mixing e di violazione di CP. Il sistema formato dai mesoni D0 e D¯0 offre la possibilità unica di studiare tali fenomeni in mesoni composti unicamente da quark e antiquark di tipo \textit{up}. A livello sperimentale, il mixing tra D0 e D¯0 è stato osservato per la prima volta alle B-factories \babar e Belle, e successivamente è stato ampiamente confermato anche da CDF e LHCb. Per quanto riguarda la violazione di CP, invece, le misure più precise sinora effettuate (ad opera di LHCb) non hanno osservato alcun effetto nel settore del charm. Per le misure di mixing e di violazione di CP è necessario conoscere il \textit{flavour} dei mesoni neutri al momento della produzione (\textit{flavour tagging}). La tecnica standard di \textit{flavour tagging} di un mesone D0 prodotto in un evento cc¯ consiste nell'utilizzare il decadimento D+D0π+, in cui il \textit{flavour} del D0 è univocamente determinato dalla carica del π nello stato finale. Un metodo di \textit{flavour tagging} che non utilizzi il D+ comporterebbe due vantaggi: aumentare la statistica dei D neutri disponibili per le analisi di fisica; fornire un campione di controllo con cui confrontare e combinare i risultati ottenuti con il metodo del D+. Lo scopo principale del mio lavoro di tesi è stato quindi di studiare e mettere a punto un metodo completamente nuovo di \textit{flavour tagging} dei mesoni D0 e D¯0 prodotti in un evento cc¯ a Belle II. L'esperimento Belle II è attualmente in fase di costruzione e costituirà la generazione futura di B-factory. Belle II opererà presso il collisionatore e+e SuperKEKB (situato presso il laboratorio KEK di Tsukuba, Giappone), avente una luminosità istantanea di progretto pari a L=81035 cm2s1. Poiché la sezione d'urto di produzione di coppie cc¯ ad una B-factory è di poco superiore alla sezione d'urto di produzione di coppie bb¯, Belle II costituirà un laboratorio ideale per studiare i fenomeni di mixing e di violazione di CP nel sistema D0D¯0. Infatti Belle II accumulerà in pochi anni circa 50 ab1 di dati, a cui corrispondono circa 6.51010 mesoni D0 e D¯0 prodotti in eventi cc¯. L'idea alla base del metodo di \textit{flavour tagging} dei mesoni D neutri che ho studiato consiste nell'analizzare la topologia del cosiddetto ``resto dell'evento'', ovvero tutte quelle particelle che non sono prodotte dal decadimento del D0 di cui si vuole determinare il \textit{flavour} e che portano memoria dell'altro quark c, di \textit{flavour} opposto, prodotto nell'interazione primaria. Selezionando gli eventi con un solo K carico nel resto dell'evento è possibile determinare il \textit{flavour} del D0 di segnale mediante la carica del K. Tale K carico è la segnatura di una transizione cs o c¯s¯ avvenuta nel resto dell'evento. L'intero studio è stato effettuato analizzando eventi Monte Carlo generati e simulati tramite apposite librerie implementate nel software di Belle II (\textit{Belle II Analysis Software Framework}). In primo luogo ho studiato le caratteristiche di un evento cc¯ a livello di generatore (senza ricostruzione), valutando le possibili prestazioni del metodo e individuando le sorgenti di segnale e di fondo. Successivamente, sono passato a studiare gli eventi ricostruiti, mettendo a punto un'analisi multivariata (basata sull'utilizzo di un \textit{Boosted Decision Tree}) per la selezione dei K carichi con un elevato livello di purezza. Ho infine applicato tale analisi per selezionare gli eventi con un singolo K carico nel resto dell'evento e valutare il potere di \textit{tagging} del metodo studiato, utilizzando opportuni tagli cinematici per ridurre gli eventi di fondo. L'efficienza di \textit{tagging} del metodo che ho analizzato è ϵtag27 \%, mentre il livello di \textit{mistagging} è ω13 \%. Ho inoltre stimato che, combinando le analisi effettuate con il metodo che ho studiato con quelle condotte con il metodo standard di \textit{flavour tagging} del D+, è possibile ridurre di circa il 15 \% l'incertezza statistica sulla misura di asimmetrie di CP. Nella tesi è presentata anche l'attività sperimentale che ho svolto presso i Laboratori di Alta Tecnologia della sezione di Pisa dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), durante la quale ho partecipato all'assemblaggio meccanico ed al test elettrico dei moduli \textit{forward} e \textit{backward} per i \textit{layer} 4, 5 e 6 del \textit{Silicon Vertex Detector} (SVD), che è parte integrante del rivelatore di vertice dell'esperimento Belle II. L'SVD è composto da 4 \textit{layer} basati su rivelatori a \textit{strip} di silicio a doppia faccia (DSSD) con una elettronica di lettura costituita dai chip APV25. Assieme ai due \textit{layer} più interni del rivelatore di vertice, basati su rivelatori a pixel di silicio, l'SVD ha la funzione di misurare con estrema precisione le tracce delle particelle cariche in prossimità della regione di interazione e di ricostruire con accuratezza i vertici primari e secondari dei decadimenti dei mesoni B e dei mesoni D.
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