Giacomo De Pietro ; Francesco Forti

2016
Università di Pisa Pisa

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 $D^0$ e $\bar{D}^0$ 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 $D^0$ e $\bar{D}^0$ 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 $D^0$ prodotto in un evento $c\bar{c}$ consiste nell'utilizzare il decadimento $D^{*+} \to D^0 \pi^+$, in cui il \textit{flavour} del $D^0$ è univocamente determinato dalla carica del $\pi$ 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 $D^0$ e $\bar{D}^0$ prodotti in un evento $c\bar{c}$ 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 $\mathcal{L} = 8 \cdot 10^{35}\ \mbox{cm}^{-2}\: \mbox{s}^{-1}$. Poiché la sezione d'urto di produzione di coppie $c\bar{c}$ ad una $B$-factory è di poco superiore alla sezione d'urto di produzione di coppie $b\bar{b}$, Belle II costituirà un laboratorio ideale per studiare i fenomeni di mixing e di violazione di $CP$ nel sistema $D^0 - \bar{D}^0$. Infatti Belle II accumulerà in pochi anni circa 50 ab$^{-1}$ di dati, a cui corrispondono circa $6.5 \cdot 10^{10}$ mesoni $D^0$ e $\bar{D}^0$ prodotti in eventi $c\bar{c}$. 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 $D^0$ 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 $D^0$ di segnale mediante la carica del $K$. Tale $K$ carico è la segnatura di una transizione $c \to s$ o $\bar{c} \to \bar{s}$ 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 $c\bar{c}$ 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 $\epsilon_{tag} \simeq 27$ \%, mentre il livello di \textit{mistagging} è $\omega \simeq 13$ \%. 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 $D$.

Note: Presented on 23 09 2016
Note: MSc