Samenvatting 177. (b) (a) position (cm) wire Relative gain variation [%] 16

Transcriptie

1 amenvatting Het begrijpen van het universum en e unamentele wetten er natuurkune ie aaraan ten gronslag liggen, is iets wat mensen uit alle tijen bezig heet gehouen. Wanneer we inzoomen op e kleinste astanen, zien we moleculen ie bestaan uit atomen en atomen ie op hun beurt weer bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. Als we nog verer inzoomen zien we at protonen en neutronen bestaan uit quarks. Quarks zijn, net als elektronen, elementaire eeltjes ie niet verer geeel kunnen woren. Het tanaar Moel er materie (M) beschrijt alle elementaire eeltjes en hun interacties (Fig. 1a) en ligt aan e basis van e eeltjesysica. Het M is opgezet in e jaren 6 en 7 en sinsien veelvulig getest. Alle elementaire eeltjes ie in het M woren voorspel zijn gevonen, met als meest recente ontekking het Higgseeltje in 1. Hoewel het M een accurate beschrijving biet van elementaire eeltjes en hun interacties, blijven er een aantal unamentele vragen onbeantwoor. Er wort aangenomen at vlak na e oerknal het universum uit gelijke hoeveelheen materie en anti-materie beston. Recente metingen wijzen uit at het huiige universum voornamelijk uit materie bestaat. De stuie van verschillen tussen materie en anti-materie is essentieel om eze asymmetrie te begrijpen. Een anere open vraag richt zich op onkere materie. Dit is materie waarvan e gravitationele aantrekkingskracht zichtbaar is, en verer niks. Het M kent geen eeltje met e eigenschappen van onkere materie. Verschillene uitbreiingen van het M zijn voorgestel ie it type eeltje toevoegen. Om unamentele vragen over e allerkleinste eeltjes te beantwooren, is het grootste natuurkunelaboratorium ter werel gebouw. Op CERN woren in e Large Haron Collier (LHC) protonen versnel tot vrijwel e lichtsnelhei. De LHC is een circulaire protonenversneller van 7 km lang en is 1 m oner e gron gebouw (Fig. 1b). Op vier plekken woren e protonen met elkaar in botsing gebracht. Op eze vier plekken zijn etectoren gebouw, ie e eeltjes kunnen waarnemen ie ontstaan in e botsingen. Voor mijn onerzoek gebruik ik ata verzamel met behulp van e -etector. In proton-proton botsingen ontstaat ioniserene straling ie e -etector kan beschaigen, een proces at wort aangeui met verouering. Met name het etectoronereel at wort gebruikt voor het reconstrueren van e sporen van gelaen eeltjes ie ontstaan in proton-proton botsingen, e Outer Tracker, is gevoelig voor het optreen van verouering. Daarom is het van groot belang het unctioneren van e Outer Tracker in e gaten te houen. Hiervoor heb ik regelmatig scans uitgevoer, waarbij ik e eiciëntie voor het meten van een spoor van een eeltje heb bepaal. Een verminering van e eiciëntie kan uien op

2

3 amenvatting 177 Relative gain variation [%] position (cm) Delivere integrate luminosity [pb ] wire.75 Fig. a) Resultaten van e scans van e Outer Tracker. Op e horizontale as staat e elivere integrate luminosity, een maat voor e hoeveelhei verzamele ata. De verticale as is een maat voor e relatieve eiciëntie van e etector op het moment van e scan ten opzichte van een eerer genomen reerentiescan. Een waare boven betekent geen verouering. b) Een scan van het oppervlakte van een geeelte van e Outer Tracker. Het gebie aangegeven met e cirkel is bestraal met een raioactieve bron. Er is geen verouering opgetreen. M en komt bijna niet voor. Als it verval toch (veel) gemeten zou woren in e ataset, an is it een sterke aanwijzing voor het bestaan van Nieuwe Fysica. Echter, om te bepalen hoe vaak it verval voorkomt, is het vereist te weten hoeveel B s-mesonen er woren geprouceer in proton-proton botsingen bij e LHC. Dit is moeilijk om theoretisch te voorspellen en moet aarom experimenteel woren gemeten. De relatieve prouctie van verschillene b-haronen is het onerwerp van mijn proeschrit. Om te meten wat e vertakkingsverhouing van het verval B s µ + µ is, is het noozakelijk om te bepalen hoeveel B s-mesonen er woren gemaakt. Omgekeer, als beken is wat e vertakkingsverhouing van een bepaal B s-meson verval is, kun je it verval gebruiken om te meten hoeveel B s-mesonen er gemaakt woren. Van it principe heb ik gebruikgemaakt om e relatieve prouctie racties van B s- en B -mesonen (aangeui met s ) te meten. Een B -meson bestaat uit een b-antiquark en een - quark. Voor eze meting heb ik het B s-meson verval naar een D s-meson en een pion, (geschreven als B s D s π + ) en het verval van een B -meson naar een D-meson en een kaon (geschreven als B D + ) gebruikt. De vertakkingsverhouingen van eze vervallen zijn theoretisch nauwkeurig te bepalen en it gegeven is gebruikt in e meting van s. In e ataset verzamel met e -etector in 11, heb ik het aantal B s D s π + en B D + vervallen gemeten. Ik heb een selectie ontworpen waarmee ik een groot eel van e achtergron verwijer, terwijl e eiciëntie voor het signaal hoog is. Het aantal signaalevents heb ik aarna bepaal aan e han van een it aan e invariante massaistributie, zoals in Fig. 3. Hiervoor is het essentieel om e vorm van e invariante massaistributie van zowel het signaal als e verschillene contributies van e achtergron

4 178 amenvatting ) Caniates ( 5 MeVc Bs Dsπ + B D π + s B D π + Λ Λ π + b c * B D π + s s B D ρ + s s Combinatorial 5 54 m(d 56 π + s ) [MeVc 58 ] ) 5 MeVc ( Caniates B D B D B D m(d 56 ) [MeVc 58 ] + * + B D ρ + B D π + *+ Combinatorial Fig. 3 Invariante massaistributie gemeten in ata van e -etector. De zwarte stippen zijn e atapunten en e lijn is e it waarmee het aantal signaalevents is bepaal. Het signaal is aangeven met e stippellijn, en e verschillene typen achtergron met e kleuren. Events reconstrueert als a) B s D s π +, en als b) B D +. correct te beschrijven. Naat ik het gemeten aantal events heb gecorrigeer voor e eiciëntie van mijn selectie, is het oorspronkelijke aantal signaalevents in e -ataset beken. Gebruikmaken van het gemeten aantalb s D s π + enb D + vervallen in e ata, en e theoretische voorspelling van e vertakkingsverhouingen van eze vervallen, heb ik bepaal wat e waare van s is. Ik heb gemeten at er 4. keer zoveel B -mesonen als B s-mesonen woren geprouceer in proton-proton botsingen bij e LHC. Omat e vertakkingsverhouingen van B -mesonverval precies zijn gemeten bij eerere experimenten, kan nu e vertakkingsverhouing van B s-meson verval woren gemeten oor het aantal events van het B - en B s-meson verval in e ata te vergelijken. Dit gegeven is gebruikt om e vertakkingsverhouing van het B s µ + µ te bepalen. De gevonen waare is in overeenstemming met e voorspelling in het M. Niet alleen het -experiment heet e vertakkingsverhouing van het verval B s µ + µ gemeten. Ook een aner LHC-experiment, het CM-experiment, heet it gemeten. Het ontwerp van het CM-experiment is zoanig at het miner geschikt is om s te meten. Daarom wort e waare van s gemeten oor (uit mijn proeschrit) gebruikt. In tegenstelling tot e -etector, welke b-haron verval alleen in e voorwaartse richting meet, meet het CM-experiment in alle richtingen vana het punt waar e protonen met elkaar in botsing komen. De parameter ie aangeet hoe voorwaarts een proces is, is pseuo-rapiiteit: e hoek tussen een eeltje en e richting van e protonbunel. A priori hoet e relatieve prouctie van b-haronen niet hetzele te zijn in e voorwaartse richting en in het gebie waar e CM-etector meet. Daarnaast, kan het zijn at oor verschillen in selectie e eeltjes bij e CM-etector een anere (gemiele) transversale impuls hebben an bij e -etector. Het is aarom van belang om te bepalen hoe s ahangt van e pseuo-rapiiteit en het transversale impuls. Dit heb ik gemeten met e vervallen B s D s π + en B D π +. Het resultaat van eze meting wort getoon Fig. 4. Hoe groter e transversale impuls van het b-meson, hoe miner B s-mesonen er woren geprouceer perb -meson. Het aantalb s-mesonen perb -meson

5 amenvatting 179 s.35 s p (B) [MeVc] T η(b) Fig. 4 De relatieve prouctie van B s- en B -mesonen. De ahankelijkhei van s van a) e transversale impuls en b) e pseuo-rapiiteit van het b-meson. lijkt iets toe te nemen bij hogere pseuo-rapiiteit (voorwaartser), echter e toename is niet signiicant. Naast b-mesonen kunnen ook b-baryonen woren gebruikt om het M te testen. Het b-baryon is een complex eeltje (het bestaat uit rie quarks, terwijl een meson uit twee quarks bestaat) en theoretische voorspellingen over eze eeltjes zijn aarom moeilijker te maken an voor mesonen. Desalnietemin woren er ook metingen geaan aan b-baryonen. Bijvoorbeel het Λ b baryon (bestaane uit e rie quarks u, en b) is gebruikt om een meting te oen ie verban heet met verschillen tussen materie en anti-materie. Het is aarom van belang meer inzicht te krijgen in Λ b prouctie. Ik heb e relatieve prouctie van Λ b-baryonen en B -mesonen gemeten met e vervallen Λ b Λ + c π en B D π +, aangeui met Λ b. De agehankelijkhei van Λ b van het transversale impuls en e peuo-rapiiteit wort getoon in Fig. 5. Hoe groter e transversale impuls van het b-haron, hoe miner Λ b-baryonen er woren geprouceer per B -meson. Tevens neemt e prouctie van het aantal Λ b-baryonen per B -meson toe in e voorwaartse richting. De vertakkingsverhouing van het verval van een B s-meson naar een D s-meson en een kaon, B s D ± s, is gemeten oor e -Collaboratie met een subset van e nu beschikbare ata. De gemeten waare voor e vertakkingsverhouing is oner e theoretische limiet. Om eze iscrepantie te bevestigen o te verwerpen, heb ik eze meting herhaal met e totale -ataset beschikbaar uit 11 en 1, welke tien keer zo groot is als e eerer gebruikte subset. Het aantal B s D ± s vervallen in e -ataset heb ik gemeten oor e invariante massaistributie te bestueren (Fig. 6a). De relatieve prouctie van B s- en B -mesonen, s, is noig om het aantal events te vertalen naar een vertakkingsverhouing. In Fig. 6b wort getoon at e waare ie ik heb gemeten in overeenstemming is met e theoretische limiet. De metingen in mijn proeschrit ragen bij aan e kennis van het M. ennis van e relatieve prouctie van b-haronen is een vereiste voor alle metingen van vertakkingsver-

6 18 amenvatting Λ b p [GeVc] T Λ b η Fig. 5 De relatieve prouctie van Λ b - en B -haronen. De ahankelijkhei van Λ b van a) e transversale impuls en b) e pseuo-rapiiteit van het b-meson. houingen van B s-mesonen en Λ b-baryonen. Omat nieuwe eeltjes uit Nieuwe Fysica moellen sommige vertakkingsverhouingen kunnen veraneren, is het precies meten van vertakkingsverhouingen een goee manier om naar aanwijzingen van Nieuwe Fysica te zoeken. Het belangrijkste voorbeel is e vertakkingsverhouing van het verval B s µ + µ. Met behulp van e relatieve prouctie van B s en B mesonen gemeten in mijn proeschrit, is bepaal at eze overeenkomt met e M voorspelling. Tevens heb ik gemeten at e vertakkingsverhouing van het verval B s D ± s in overeenstemming is met e theoretische onergrens. De metingen in mijn proeschrit hebben tot usver niet gelei tot waarnemingen ie wijzen op Nieuwe Fysica.

7 amenvatting 181 Caniates ( 5 MeVc ) 6 4 ± Bs" Ds! + B " Ds! + B " D ! m(ds + ) [MeVc ] ±! Bs" Ds# + (*)! (*)+ Bs" Ds (*)! $ b" Ds p (*)! Bs" Ds (# +,% + ) Combinatorial CDF Belle -1,.37 b -1, 3 b Lower Boun BR(B D ± ) BR(B D ± s s exp s s π ± Theory Preiction ± ) exp Fig. 6 a) Invariante massaistributie gemeten in ata van e -etector. De zwarte stippen zijn e atapunten en e lijn is e it waarmee het aantal signaalevents is bepaal. Het B s D ± s signaal is aangeven met e stippellijn, en e verschillene typen achtergron met e kleuren. b) De verschillene metingen van e relatieve vertakkingsverhouingen van B s D ± s en B s D s π + vervallen zijn aangeven met e stippen en e horizontale bar uit e onzekerhei op e meting aan. De meting met e subset van e -ata is aangeven met (.37 b 1 ) en e meting beschreven in it proeschrit met (3 b 1 ). De theoretische onergrens is aangegeven in roogrijs en e theoretische voorspelling in blauw. De nieuwe meting is in overeenstemming met e theoretische onergrens.