Study of the B⁰s → (J/ψ)φ → µ⁺µ⁻K⁺K⁻ decay with the CMS detector at LHC

Abstract

Der Zerfall Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − wird als goldener Übergang bezeichnet. In ihm können Teilchen-Antiteilchen Oszillationen im Bs0 − Bs0 System untersucht, die Lebensdauern der leichten und schweren Masseneigenzustände des Bs0 Mesons gemessen und der Wolfenstein-Parameter η , welcher für die CP-Verletzung im Standardmodell zuständig ist, extrahiert werden. Insbesondere letzterer ist wichtig, da er die Spitze des Unitaritätsdreiecks eingrenzt; eine Abweichung von anderen Messungen wäre ein Hinweis auf neue Physik.
In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten für die Rekonstruktion und Selektion von Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − Ereignissen mit dem CMS-Detektor erörtert, wobei ein Schwerpunkt auf die Rekonstruktions- und Fit-Techniken der on- und offline Rekonstruktion dieser Events gelegt wird. Der Einfluss verschiedener Algorithmen auf die Genauigkeit der Ergebnisse wird untersucht.
Insbesondere wurde ein Wechselwirkungspunkt-Rekonstruktionsalgorithmus, welcher auf dem Kalman-Filter basiert, entwickelt und in den Rahmen der globalen Software des CMS-Experiments eingebettet. Aufgrund seiner hohen Leistung ist dieser Algorithmus sowohl für die online wie auch die offline Rekonstruktion des Wechselwirkungspunktes geeignet. Des Weiteren wurde eine Bibliothek entwickelt und in den Rahmen der globalen Software des CMS-Experiments eingebettet, welche die Rekonstruktion von Zerfallsreihen und die dadurch eingeschränkte Anpassung von Spuren und Wechselwirkungspunkten ermöglicht. Durch diese kinematischen Einschränkungen wurde die experimentelle Massenauflösung des Bs0 -Mesons von 34 MeV auf 14 MeV verbessert.
Für den High Level Trigger wurde eine Strategie entwickelt und implementiert, die es erlaubt, Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − Ereignisse online zu selektieren. Die Signal- bzw. Untergrundereignisrate des High Level Triggers wird schätzungsweise (3.4 ± 1.3) ⋅ 10 −2 Hz bzw. (5.0 ± 0.7) ⋅ 10 −2 Hz betragen. Für eine integrierte Luminosität von 30 fb −1 (dies entspricht den ersten Jahren Laufzeit des LHC) ergibt sich eine Ausbeute des Triggers von (5.1 ± 1.9) ⋅ 10 5 Ereignissen.
Es wurde eine offline Selektion der Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − Ereignisse entwickelt und implemeniert. Die Auflösung der Zerfallslänge des Bs0 - Mesons wurde zu etwa 30 μm abgeschätzt, was eine direkte Messung der Bs0 − Bs0 Oszillationen ermöglichen würde, falls die tatsächliche Oszillationsfrequenz nahe der momentanen unteren Grenze von 14.4 ps −1 liegt. Es wurden die kombinierten Selektionseffizienzen für Signal- und Untergrundereignisse (High Level Trigger und offline Selektion) bestimmt, wobei sich eine Signalausbeute von 242'000 ± 87'400 Ereignissen bei einer integrierten Luminosität von 30 fb −1 für die Kombination von High Level Trigger und offline Selektion ergab.
Letztendlich wurde noch untersucht, ob es möglich ist, die Lebensdauer der leichten und schweren Masseneigenzustände des Bs0 -Mesons aus der Verteilung der Lebensdauer zu bestimmen, wobei sich herausstellte, dass dies mit dieser Methode nicht möglich ist. Jedoch könnten die Lebensdauern durch eine Untersuchung der Winkelverteilung der Teilchen im Endzustand bestimmt werden.

The decay Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − is a golden transition which allows to study particle-antiparticle oscillation in the Bs0 − Bs0 system, to measure the lifetimes of heavy and light mass eigenstates of the Bs0 meson and to extract the Wolfenstein parameter η which is responsible for CP violation in the Standard Model. The latter measurement is indeed important, since it allows to constrain the apex of the unitarity triangle. Any discrepancy with other measurements may signal the presence of new physics.
In the current thesis the prospects for the reconstruction and selection of Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − events with the CMS detector are discussed. The emphasis is given to the reconstruction and fitting techniques suitable for online and offline reconstruction of these events. The influence of various reconstruction algorithms on the accuracy of the measurement is studied.
In particular, a vertex fitting algorithm based on the Kalman filter was developed and implemented in the framework of the CMS reconstruction software. With its high performance, this algorithm was found to be suitable for both online and offline reconstruction of vertices. Furthermore, a kinematic fitting and decay chain reconstruction library was also developed and implemented in the framework of CMS reconstruction software. This library allows the reconstruction of decay chains and the constrained refit of tracks and vertices. Due to the application of kinematic constraints, the experimental resolution on the mass of the Bs0 meson improved from 34 MeV to approximately 14 MeV.
A High Level Trigger strategy, suitable for online selection of B → ( J /ψ )ϕ → μ μ K + K − events was developed and implemented. The rates of the 0 s + −
High Level Trigger are estimated to be (3.4 ± 1.3) ⋅ 10 −2 Hz for the signal and (5.0 ± 0.7) ⋅ 10 −2 Hz for the background. The trigger event yield for 30 fb −1 (corresponding to first several years of the LHC operation) is estimated to be (5.1 ± 1.9) ⋅ 10 5 .
The offline selection of Bs0 → ( J /ψ )ϕ → μ + μ − K + K − events was developed and implemented. The resolutions on the proper decay length of the Bs0 meson was estimated to be around 30μm . This resolution would allow a direct observation of the Bs0 − Bs0 oscillations if the actual oscillation frequency is close to the present lower limit 14.4 ps −1 . The combined (High level Trigger + offline selection) selection efficiencies for signal and background event were calculated. The signal event yield for combined High Level Trigger and offline selections for 30 fb −1 was estimated to be 242'000 ± 87'400 .
Finally, the possibility of measuring the proper lifetimes of heavy and light mass eigenstates of the Bs0 meson from the distribution of its lifetime was investigated. It was concluded that these two lifetimes can not be measured with this method, however they can be extracted from the angular distributions of the final state particles.