Belle実験における BD(*)K-崩壊の測定
名古屋大学大学院 理学研究科
素粒子宇宙物理学専攻 高エネルギー物理学研究室
松本 崇博
学位申請論文公開講演会: 2002年1月10日
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Belle実験の目的
• B中間子を用いたCP対称性の破れのメカニズムの解明
– CP対称性の破れ(CP非保存)とは?
• C 変換 粒子・反粒子変換、P変換 空間反転変換
• CP非保存C, Pの連続変換前後で物理法則にずれ
– 宇宙が物質だけで構成され、反物質で構成されない?CP非保存
• B中間子崩壊機構の解明
– B中間子はさまざまな機構により崩壊を起こす
– CP非保存、標準理論を超えた物理の理解
⇒基本過程も含めた各崩壊機構の把握が必要不可欠
• BD(*)K-崩壊
– Cabibbo抑制崩壊
– CP非保存を記述する小林・益川モデルのパラメータ f3の測定のため重要
2
BDK崩壊
Cabibbo抑制
fK sinqC
fp cosqC
Factorization近似によるNaïveな予測
R= Br(B- D0K-)/Br(B- D0p-) ~ tan2qc (fK/fp)2 ~ 0.074
qC : Cabibbo角, qC ~ 13°、fK, fp : K,p中間子の形状因子, fK/fp ~ 1.2
崩壊率比 Br(t- K-nt)/Br(t-p-nt) = 0.063±0.003
から位相空間の寄与を補正することで推定(精度~4% )
3
CLEO実験における B- D0K-観測
B- D0p- シグナル事象の14倍
⇒B- D0K-/D0p-分離が重要
B- D0p-
dE/dxによるK/p識別
~1.5 s @ P = 2.3 GeV/c
B- D0p-分離が不完全
B- D0K-
⇒シグナル事象は明瞭に検出されず
R = 0.055 ±0.014±0.005
3.3x106 BB with CLEO [ PRL 80,5493(1998)]
c.f. Naïveな予測値 ~0.074
DE = (Bのエネルギー ) – ( ビームエネルギー)
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Belle実験におけるBD(*)K-崩壊の測定
• 高運動量領域におけるK/p識別
– dE/dxだけでなくチェレンコフ光の有無により遂行
⇒ BD(*)K-/D(*)p-分離
• 高分解能による測定
– 荷電粒子運動量、光子エネルギーの高精度測定
⇒バックグラウンド分離
• 高統計B事象
1)BD(*)K-事象の明瞭な検出
2)B- D0K-過程だけでなく B- D*0K-, B0D+K-,D*+Kを含めた崩壊率比測定によるB崩壊機構の定性的な評価
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Bファクトリー(KEKB/Belle)
筑波山
高エネルギー加速器研究機構(KEK)
で行われる電子・陽電子衝突によるB実験
国際共同実験
研究機関 ~ 50、研究者数 ~ 300人
KEKB加速器
Belle検出器
6
KEKB加速器
•
衝突点
電子・陽電子非対称エネルギー衝突
– 電子 8.0 GeV、陽電子 3.5 GeV
•
低エネルギー ( √s = 10.58 GeV )
–
–
•
U(4s)共鳴状態が生成: s(Y(4s)) ~ 1 nb
BB対 ( B-(bu)、B0(bd) )が
Threshold付近で生成
高ルミノシティー加速器
– 設計値: L = 1034 cm-2s-1 ( 108 BB /year )
KEKB加速器
電子・陽電子2リング(周長3.016 km )
電子 1.23 A/陽電子 0.78 A ( 1153バンチ )
ビームサイズ : sx ~ 100mm/sy ~ 3mm
22 mrad傾けて衝突
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Belle検出器
y
x
z
1.5T magnet
荷電粒子運動量測定
SVD、CDC: sp/p ~ 0.35%
光子エネルギー測定
ECL: sE/E ~ 1.8%
K/p 粒子識別
1)dE/dx測定 : CDC
s(dE/dx) ~ 7%
2) 時間測定: TOF
st ~ 100 ps
3) チェレンコフ光有無 : ACC
大きさ: 8m x 8m x 8m
重量 : ~ 1500 t
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Belle実験におけるK/p識別
dE/dx(CDC)
ACC
低屈折率エアロジェル
(based on SiO2)
n=1.01~1.03
⇒P ~ 3.5 GeV/cまでK/p識別
9
取得データ
Lpeak= 5.5x1033 cm-1s-1 : 世界最高ルミノシティー
全蓄積ルミノシティー : 43.9 fb-1 ( ~90% on Y(4s) 、~40x106 BB )
測定使用データ
( 2000年終わりまで)
10.4 fb-1 、11.2x106 BB
CLEO実験の3倍
10
BD(*)K-崩壊の測定
解析の流れ
1)B中間子再構成
2)バックグラウンド事象の分離
a)qqバックグラウンド ( q=u,d,c,s)
b)BD(*)p3)BD(*)K-/D(*)p-事象数抽出
4)崩壊率比 Br(BD(*)K-)/Br(BD(*)p-)の測定
11
1) B中間子再構成
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BD(*)K-/D(*)p-再構成
再構成過程
B- D0hK-p+、K-p+p0、K-p+p+p-
• h = p or K
– h にはpの質量を仮定
• 荷電共役状態も含む
B0D+hK-p+p+、KSp+、 KSp+p+p-、 K-K+p+
B- D*0hD0p0
B0D*+hD0p+, D+p0
p0、 KSの再構成: p0 gg、KS
p+p-
B D(*)p⇒ コントロール事象
検出器の分解能、
系統誤差の評価
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p0/KS 再構成
KS p+pp0 gg
±2 s cut
( s = 5.3 MeV/c2)
•
±3 s cut
( s = 4.6 MeV/c2)
再構成された粒子の運動量は観測された不変質量にPDGに示される
値を仮定してフィッティングすることにより再定義する
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D 中間子再構成
1) 不変質量に対するカット
– ±2.5 s cut
–
s = 5~ 13 MeV/c2
2)K中間子識別
– D0K-p+、D*+崩壊からのD0
P(K/p)>0.3
– その他
P(K/p)>0.7
P(K/p) : Likelihood
K: P(K/p) ~ 1
p : P(K/p) ~ 0
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D*中間子再構成
• D* と Dの不変質量差
– M(D*) – M(D) ~ M(p)
– P(p) ~ 40 MeV/c ( D*の静止系)
• D*+ D0p+
– ±3s cut ( s ~ 0.5 MeV/c2)
• D* Dp0
– ±2s cut ( s ~1 MeV/c2 )
dm = M(D*) – M(D)
16
B中間子の再構成
1) エネルギー差
– DE = EB* - √s/2
粒子質量のmiss assignment
→BDK/Dp間のDEシフト
ローレンツブーストの影響
B- D0pmean: 0 MeV
s: 16 MeV
B- D0Kmean: -49 MeV
s: 19 MeV
→分解能の違い
2) Lab constraint 質量
Mlc = √ EB2 – PB2
–EB = (s/2 – PB Pee)/Eee
–(Pee,Eee) e+e-系の4元運動量
カット: 5.27<Mlc<5.29 GeV/c2
mean : ~5.28 GeV/c2
s: 2.8 MeV/c2
MC
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2)バックグラウンド事象の分離
a) qqバックグラウンド
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qqバックグラウンド、トポロジー
N(qq)/N(BB) ~ 3 @ U(4s) 共鳴状態
BB事象:低運動量球面事象
qq事象: 高運動量ジェット事象
• トポロジーが異なるバックグラウンド除去に利用
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qqバックグラウンド、分離変数
R2
|cosqsph|
BB←
→qq
R2 = Si,j|pi||pj|P2(cosqij)/Si,j|pi||pj|
p : CM系の運動量.qi,j :i,j間の角.P2(x) :ルジャンドル関数
→qq
qsph: B候補のSphericity軸とそれ以外の
粒子に対するSphericity軸の間の角度
signal
qq
i)R2<0.5
96%
75%
i) バックグラウンドの少ない過程
(D0K-p+,D*+D0p+を含む過程)
ii)+|cosqsph|<0.75
75%
20%
ii) その他
20
2)バックグラウンド事象の分離
b)BD(*)p-
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BD(*)p-分離、ACC
Bから直接崩壊した
p-の運動量 P v.s. 放出角度 cosq
B- D0p- MC
崩壊における運動量の角度依存に対応してn=1.01~1.03
と異なる屈折率をもつシリカ・エアロジェル検出器が配置
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BD(*)p-分離、Likelihood
BDK/Dp領域 (2.1 < PCM<2.5 GeV/c )
p中間子
K中間子
• Likelihood P(K/p)
– P(K/p) = LACCxLCDC
• L = Prob(K)/(Prob(K) + Prob(p))
– ACC : 光電子分布
– CDC : dE/dx分布
• 性能評価
– D*+ D0(K- p+)p+, 純度>95%
P(K/p)>0.8
K eff.
76.5%
miss ID 2.0 %
P(K/p)
←p like
K like→
p
分離 ~2.5 s
c.f. CLEO ⇒ K/p分離 1.5 s
p miss ID = 20%
with same K eff.
23
B- D(*)p-分離、DE v.s. P(K/p)
B- D0K-
Bから直接崩壊したハドロン
に対するKらしさ
• DK/Dp分離
K like
B- D0K- [P(K/p)>0.8 ]
B-D0p[P(K/p)<0.8 ]
~2.5s K/p 分離
⇒DKの明瞭な検出に成功
p like
B-
D0p-
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3) BD(*)K-/D(*)p-事象数抽出
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事象数抽出手法
• DE分布に対してbinned likelihood フィット
– L = Pi e-mi mi Ni/ Ni!  Lを最大にする
• Ni : 実験により観測された個数
• mi : 各binに対して期待される数
• miの構成要素
1)BD(*)K-過程
a)BD(*)K-シグナル
b)BD(*)p-からp-のmiss IDによる事象
c)qq バックグラウンド
d)BB バックグラウンド
2)BD(*)p-過程
a)BD(*)p-シグナル
b)qq バックグラウンド
c)BB バックグラウンド
– 各分布の推定
• BD(*)K- コントロール事象 B- D(*)p• qq バックグラウンド サイドバンド事象
2
• BBバックグラウンド MC ( 5.20<Mlc<5.26 GeV/c )
MCによらない評価
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BD(*)K- フィッティング
a) BD(*)K-シグナル
– two Gaussian ( 高さを変位 )
• Kをpと仮定したことによるDEのシフトと分解能の広がりの影響
– コントロール事象 BD(*)p- を BD(*)K-と仮定して再構成した
ときのDE分布から推定
b) BD(*)p-からp-のmiss IDによる事象
– two Gaussian ( 高さを変位 )
• 他のパラメータは BD(*)p-のフィットから推定
c) qqバックグラウンド
– サイドバンド事象のヒストグラム、高さを変位
d) BB バックグラウンド
– MC
27
BBバックグラウンド
1) p,g の missing
• B- D0K-
D0p-
– B- D*0(D0p0,D0g)K– B- D0K*-(K-p0)
– B0 D*+(D0p+)K-
2) p の miss ID
• B- D0 p- + X
B- D0K-
D0K-
MC
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DE 分布:B- D0K-/D0pB- D0p- [ P(K/p)<0.8 ]
B- D0K- [ P(K/p)>0.8 ]
N(D0p-) = 2402.8±97.8
N(D0K-) = 138.4±15.5
N(D0p-) =52.4±11.4
~2% miss ID
•
点:データ、曲線:フィットの結果、
ヒストグラム:バックグラウンド(qq=ハッチ)
c2/d.o.f = 0.96
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DE分布:その他
世界で初めての測定
B- D*0K-
N(D*0K-)=32.8±7.8
B0 D+K-
N(D+K-)=33.7±7.3
B0 D*+K-
N(D*+K-)=36.0±7.1
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観測結果
~2%の miss IDの割合
BD(*)K-
B-D0h-
•
S
BD(*)p-
N(D(*)K-)
N(D(*)p-)
N(D(*)p-)
138.4±15.5
52.0±11.4 11.7
2402.8±97.8
B- D*0h- 32.8±7.8
6.8±4.9
5.8
548.8±32.8
B0D+h-
33.7±7.3
10.4±4.9
6.1
681.9±32.1
B0D*+h-
36.0±7.1
21.0±5.7
7.6
640.9±30.8
√
BD(*)K-の統計的有意度の評価: S =
-2ln(L(0)/L(max))
• L(max) : ベストフィットの時の Likelihood
• L(0) : #Signal = 0 とした時の Likelihood (他のパラメータは変
位)
⇒ どの過程も S>5を満たす
B- D*0K-, B0 D+K-, D*+K-を世界で初めて発見
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4)崩壊率比
Br(BD(*)K-)/Br(BD(*)p-)
の測定
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崩壊率比
Br(B D(*)K-) N(BD(*)K-)
e(p)
h(D(*)pR= )
=
x
x
Br(B D(*)p-)
N(BD(*)p-)
e(K)
h(D(*)K)
•
•
•
N : 事象数
e(K)、e(p) : K/p 粒子識別効率
– e(K) = 0.765±0.006、 e(p) = 0.980±0.003
Data (D*コントロール事象)
h : 検出効率 (K/p粒子識別以外)
– D(*)K- の効率 : Kのdecay in flightの影響により~5%減
MC
比をとることで大部分の系統誤差は相殺
( D(*)の崩壊分岐比、検出効率 )
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系統誤差
D0h- D*0h-
D+h-
D*+h-
D(*)K- 事象数(%)
5.9
9.3
8.5
7.1
D(*)p- 事象数(%)
4.6
5.4
5.3
4.1
Total
(%)
D*コントロール事象の
モデリング、統計誤差
2.0
K/p識別効率 (%)
7.8
11.3
フィッティングのパラメータ±1s 、
バックグラウンドの寄与
10.3
8.5
その他
–MCによる検出効率の統計( 1%)
–D(*)の崩壊分岐比の誤差( <1%)
全体の系統誤差< 統計誤差
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崩壊率比 測定結果
BDK/Dp崩壊率比
Br(B- D0K-)/Br(B- D0p-)
第2項: 統計誤差、第3項:系統誤差
0.079±0.009±0.006
Br(B- D*0K-)/Br(B- D*0p-) 0.078±0.019±0.009
Br(B0 D+K-)/Br(B0D+p-)
0.068±0.015±0.007
Br(B0D*+K-)/Br(B0D*+p-)
0.074±0.015±0.006
• Factorization近似の予測値 tan2qC (fK/fp)2 ~ 0.074と非常によい一致
⇒Cabibbo抑制がBDK/Dp崩壊において予想通り生じる
•
c.f. CLEO実験の結果
– Br(B- D0K-)/Br(B- D0p-) = 0.055±0.014±0.005
値はConsistent、かつ精度を2倍向上
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まとめ
• Belle実験で取得した11.2x106個のBB事象を用い、BD(*)K-崩壊を測定
– BD(*)p-事象を2%と飛躍的に抑制し,シグナル事象を明瞭に検出
B- D*0K-、B0D+K-、D*+K-過程を世界で初めて発見
崩壊率比 Br(BD(*)K-)/Br(BD(*)p-)はNaïveな予測値と一致
⇒ Cabibbo抑制の影響がBDK/Dp崩壊機構において
予想通り記述されることを証明
CLEO実験と比べ、
3倍のB事象、良いK/p分離
⇒B-D0K-事象を明瞭に
検出することに成功
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ダウンロード

Belle実験におけるCabibbo機構抑制過程B D(*)K