Belle II 実験の 2019年春期運転データにおける B

(1)

Belle II 実験の

2019年春期運転データにおける

B ⁰ →J/ψ K* ⁰ (→K ⁺ π ^- )崩壊の再構成と崩壊点位置分解能の評価

高エネルギー物理学研究室

藤井美保

(2)

修士論文発表会 2020/02/14

Belle II 実験

!4

Belle II で目指す物理

B中間子崩壊の精密測定による新物理探索

タウのLFV事象探索

ハドロンの物理・・・

SuperKEKB加速器 Belle II 測定器

!"!

#$%

&!$

'(")*+"

,-./!0 12'

実験の初期段階なので

検出器の理解を進める研究が

} 重要。

(5)

修士論文発表会 2020/02/14

Belle II 測定器

!5

崩壊点検出器 PXD(Pixel Detector)・

SVD(Sillicon Vertex Detector)

…崩壊点の測定中央飛跡検出器(CDC)

…荷電粒子の飛跡・運動量測定粒子識別検出器(TOP・ARICH)

…K/π識別

電磁カロリメーター(ECL)

…電子・光子のエネルギー測定 μ粒子・K L0 粒子検出器(KLM)

…μ粒子・K L0 中間子の測定

!"!

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PXD(2層) SVD(4層)

➡B中間子崩壊の精密測定(時間依存CP非保存の測定)にはB中間子の崩壊点を測定する PXD・SVDの較正が重要

約1m

ビームパイプの半径：10mm

(6)

修士論文発表会 2020/02/14

時間依存CP非保存を測定するには

!6

解析手順

① CP固有状態(B

⁰

からもB

⁰

からも崩壊可能)への崩壊を再構成

② ①の娘粒子を除いた残りがタグ側B中間子

③ ①②の崩壊点を再構成→Δzを得て、

④ ②の娘粒子でB

⁰

かB

⁰

かフレーバー識別

A _CP (t) = Γ(B ⁰ (Δt) → f _CP ) − Γ(B ⁰ (Δt) → f _CP )

Γ(B ⁰ (Δt) → f _CP ) + Γ(B ⁰ (Δt) → f _CP ) = S _f _CP sin(ΔmΔt) + A _f _CP cos(ΔmΔt)

e ^- e ⁺

7GeV

4GeV

f CP

B ⁰

f tag

Δz~130μm z

ビーム衝突点(IP)

l ⁺

l ^-

π ^- π ⁺

βγ=0.28

時間依存CP非保存を表すパラメーター

直接的CP非保存を表すパラメーター

：2つの中性B中間子の質量固有状態の質量差 =0.5065/ps

Δm

Δt = Δz / cβγ

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修士論文発表会 2020/02/14

研究動機①

時間依存CP非保存を測るには

① f

CP

への崩壊時刻をt

CP

、f

tag

(反対側のB、フレーバーを識別する)への崩壊時刻をt

tag

としてΔt(=t

CP

- t

tag

)を得る。

→2つのB中間子崩壊点間のz方向の距離(Δz)からΔtを得る。

崩壊点を再構成した際の位置分解能の見積もりが重要。

!7

Δt = Δz cβγ

e ^- e ⁺

7GeV

4GeV

f CP

B ⁰

f tag

Δz~130μm z

l ⁺

l ^-

π ^-

π ⁺

(8)

修士論文発表会 2020/02/14

研究動機②

!8

時間依存CP非保存を測るには

② 他方のB中間子(f tag )の娘粒子からフレーバーを識別する。

→フレーバータグの性能評価を行いたい (フレーバー誤認率wrong-tag fractionの測定)。

e ^- e ⁺

7GeV

4GeV

f CP

B ⁰

f tag

Δz~130μm ビーム衝突点(IP)

z

＊レプトンタグーHigh-p l ⁺

ーMedium-p l ^-

＊ハドロンタグーHigh-p π ⁺

ーMedium-p K ⁺

ーLow-p π ^-

(9)

修士論文発表会 2020/02/14

B ⁰ →J/ψ K* ⁰ による較正

!9

CP固有状態でなくても、高統計の崩壊モードならΔt分布から崩壊点分解能を評価できる。

Br(B ⁰ →J/ψ K* ⁰ )=1.27 10 ^-3 ：J/ψを含む崩壊モード中最大。

K* ⁰ の娘粒子の電荷で親のB中間子のフレーバーがわかる。

B ⁰ →f ﬂv (フレーバーが明らかな状態)なので、フレーバータグの較正もできる。

e ^- e ⁺

7GeV

4GeV f ﬂv

B ⁰

f tag

Δz~130μm ビーム衝突点(IP)

z

K ⁺ π ^- → B ⁰ K ^- π ⁺ → B ⁰

l ⁺

l ^-

π ^-

K ⁺

(10)

修士論文発表会 2020/02/14

フレーバーの同定を間違ってしまう割合、フレーバー誤認率を (wrong-tag fraction = )を実データから測定するには、

B

⁰

→J/ψ K*

⁰

のように、B

⁰

とB

⁰

が明らかに区別できるモードを用いる。

→N OF (Opposite Flavor)、N SF (Same Flavor)の時間発展

によりを求めるのにB

⁰

→J/ψ K*

⁰

崩壊は役にたつ。

フレーバー誤認率の測定

!10

N _OF (Δt) − N _SF (Δt)

N _OF (Δt) + N _SF (Δt) = (1 − 2w)cos(ΔmΔt)

w

1 − 2w

w

e ^-

f ﬂv

B ⁰

f tag

e ⁺ B ⁰ Δz

… l ⁺ l ^-

K ⁺

π ^-

(11)

修士論文発表会 2020/02/14

J/ψ, K* ⁰ 候補の選別条件

signal MC

signal MC signal MC

(13)

修士論文発表会

2020/02/14

!13

• 重心系では対でできる2つのB中間子がエネルギーを等分している(E beam =重心系エネルギーの半分)。

信号事象はM bc ：5.28 GeV/c ² 、ΔE：0 GeVにピーク

• 図示した信号領域に見出された事象数から、

B ⁰ → J/ψ(→μ ⁺ μ ^- ) K* ⁰ (→K ⁺ π ^- ) モードでは再構成効率22.3%

5.2 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.3

2

] [GeV/c M

bc

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 ]

2

Entries/0.001[GeV/c

Belle II MC12b

− 0.2 − 0.15 − 0.1 − 0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 E[GeV]

∆ 0

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Entries/0.004[GeV]

Belle II MC12b

B ⁰ → J/ψ(→μ ⁺ μ ^- ) K* ⁰

ΔE M

bc

signal MC signal MC

ΔE = E _B − E _beam

M _bc = E _beam ² − P _B ²

B中間子候補再構成

(14)

2020/02/14

!14

5.2 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.3

2

] [GeV/c M

bc

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 ]

2

Entries/0.001[GeV/c

Belle II MC12b

− 0.2 − 0.15 − 0.1 − 0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 E[GeV]

∆ 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Entries/0.004[GeV]

Belle II MC12b

B ⁰ → J/ψ(→e ⁺ e ^- ) K* ⁰

ΔE M

bc

• ^B ⁰ ^{→ J/ψ(→e} ⁺ ^e ^- ^) K* ⁰ モードでは、電子または陽電子が制動放射した光子を検出できない場合があり、ΔE分布の低い方にTailが出る。そこで、

ΔEの下限を-0.03 GeV(μ ⁺ μ ^- )から-0.07 GeVに変更した。

• 図示した信号領域に見出された事象数から、

B ⁰ → J/ψ(→e ⁺ e ^- ) K* ⁰ (→K ⁺ π ^- ) モードでは再構成効率20.4%

signal MC signal MC

ΔE = E _B − E _beam

M _bc = E _beam ² − P _B ²

B中間子候補再構成

(15)

修士論文発表会 2020/02/14

1.崩壊点位置分解能 (MC)

!17

• ^μ ⁺ ^μ ^- ^でB ⁰ の崩壊点を再構成すると位置分解能は33.7 1.1 um。

• ^{タグ側のB} ⁰ の位置分解能は、95.2 2.3 um。

• Δz分解能はタグ側の寄与が支配的であることがわかる。

−0.02 −0.015 −0.01 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

residualz[cm]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Entries/0.0004cm

B0_z residual

−0.02 −0.015 −0.01 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

residualTagVz[cm]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Entries/0.0004cm

B0_TagVz residual

μ

⁺

μ

^-

で再構成したB

⁰

の崩壊点z座標の残差の分布 (MC：再構成されたz - 真のz)

タグ側のB

⁰

の崩壊点z座標の残差の分布 (MC：再構成されたz - 真のz)

residual z [cm] residual z [cm]

(18)

2020/02/14

!18

• ^B ⁰ ^→J/ψK* ⁰ 崩壊では、同一事象でJ/ψとK* ⁰ の崩壊点をそれぞれ再構成すると、位置の違いは検出器の崩壊点分解能を表す。

• ^K* ⁰ とJ/ψの崩壊点のz座標の差の分布の標準偏差は、

109.1 4.0 umであった。

−0.02 −0.015 −0.01 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

z[cm]

- J/ψ

z

K*0

0 500 1000 1500 2000 2500

Entries/0.0004cm

B0_z residual

z(K* ⁰ ) - z(J/ψ) = z diﬀerence [cm]

l +

l - K +

π -

z Vertex by J/ψ

Vertex by K *

z difference l +

l - K +

π -

True B decay vertex z

2.J/ψ vertexとK* ⁰ vertex ①

(19)

修士論文発表会 2020/02/14

h_pi

Entries 85839 Mean 0.7673 Std Dev 0.3502

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

h_pi

KST0_pi_p {KST0_pi_isSignal==1}

h_K

h_mu Entries 86220 Mean 1.79 Std Dev 0.502

2.J/ψ vertexとK* ⁰ vertex ②

!19

• z diﬀerence分解能はK* ⁰ の寄与が支配的：93.7 2.4 um (K ⁺ やπ ^- の方が運動量が低い)

• ^J/ψとK* ⁰ の崩壊点のz座標の差の分布はデータのみで求めることができるので、その分布をMCの結果と比較することにより、MCシミュレーションで得られる崩壊点分解能(p.17)の信頼性をデータで確認することができる。

ー π ー K ー μ

−0.02 −0.015 −0.01 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

residualz[cm]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Entries/0.0004cm

B0_z residual

residual z [cm]

K

⁺

π

^-

で再構成したB

⁰

の崩壊点z座標の残差の分布 (MC：再構成されたz - 真のz)

p[GeV/c]

(20)

修士論文発表会 2020/02/14

3.ビームバックグラウンド増加時(PXD1層orPXD2層)

!20

PXDが1層のみインストールされている現在のジオメトリと、近い将来実現するPXDが 2層の場合で、MC事象中に埋め込むシミュレーションしたビームバックグラウンドの量を変化させて影響を調べた。

PXDが1層：現状

• ビームバックグラウンドなし(x0)

• ビームバックグラウンドあり(L=1 10

³⁴

cm

^-2

s

^-1

)

• 2倍のビームバックグラウンド(x2)

• 5倍のビームバックグラウンド(x5)

PXDが2層：1〜2年以内に実現

• ビームバックグラウンドなし(x0)

• ビームバックグラウンドあり(L=8 10

³⁵

cm

^-2

s

^-1

)

• 2倍のビームバックグラウンド(x2)

• 5倍のビームバックグラウンド(x5)

PXD(2層、現在は1層のみインストールされている) SVD(4層)

崩壊点位置検出器(Vertex Detector)

約1m

(21)

修士論文発表会 2020/02/14

崩壊点位置分解能 (MC,μμ)

!21

• PXDが1層では、現状よりもビームバックグラウンドが増えると崩壊点位置分解能が悪化する。

• PXDが2層では、ビームバックグラウンドが設計値ルミノシティで想定される量を上回ると飛跡の再構成効率の低下が顕著である。再構成された崩壊点の位置分解能は変わらない。

x5

Entries 103660

Entries 5867 σ=40.6um

σ=30.7um PXD：1 layer

L=1 10

³⁴

cm

^-2

s

^-1

PXD：2 layers L=8 10

³⁵

cm

^-2

s

^-1

BG

あり

Entries

112693 σ=33.0um

BG

あり

Entries

100726

σ=31.4um

(22)

修士論文発表会 2020/02/14

崩壊点位置分解能まとめ

!22

• PXD1層では、現状の数倍のビームバックグラウンド量になると崩壊点位置分解能の悪化がある。PXD2層なら、そのどちらかに飛跡とマッチするヒット点が見つかればよいので、設計ルミノシティでも崩壊点位置分解能は悪化しない。

x0 x2 x5

σ [µ m ]

L=1 10

³⁴

cm

^-2

s

^-1

x0 x2 x5

σ [µ m ]

L=8 10

³⁵

cm

^-2

s

^-1

PXD：1 layer

BG:lum.=1 10 ³⁴ cm ^-2 s ^-1

PXD：2 layers

BG:lum.=8 10 ³⁵ cm ^-2 s ^-1

[ビームバックグラウンド量] [ビームバックグラウンド量]

(23)

修士論文発表会 2020/02/14

Belle II 実験の 2019年春期運転データにおける B