Studio di un nuovo metodo di flavour tagging dei mesoni $D^0$ e $\bar{D}^0$ con l'esperimento Belle II

Tesi di Laurea Magistrale in Fisica

Studio di un nuovo metodo di flavour tagging

dei mesoni D

e ¯

D

con l’esperimento Belle II

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 D0 e ¯D0 offre la possibilit`a unica di studiare tali fenomeni in mesoni composti unicamente da quark e antiquark di tipo up.

A livello sperimentale, il mixing tra D0 e ¯D0 `e stato osservato per la prima volta alle B-factories BABAR e Belle, e successivamente `e stato ampiamente confermato anche da CDF e LHCb. Per quanto riguarda la violazione di CP , invece, le misure pi`u 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 `e necessario conoscere il flavour dei mesoni neutri al momento della produzione (flavour tagging). La tecnica standard di flavour tagging di un mesone D0 prodotto in un evento c¯c consiste nell’utilizzare il decadimento D∗+→ D0<sub>π</sub>+<sub>, in cui il flavour del D</sub>0 <sub>`e univocamente determinato dalla carica del π nello</sub>

stato finale.

Un metodo di 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 `e stato quindi di studiare e mettere a punto un metodo completamente nuovo di flavour tagging dei mesoni D0 _{e ¯D}0_{prodotti in un evento}

c¯c a Belle II.

L’esperimento Belle II `e attualmente in fase di costruzione e costituir`a la generazione futura di B-factory. Belle II operer`a presso il collisionatore e+_e− _{SuperKEKB (situato}

presso il laboratorio KEK di Tsukuba, Giappone), avente una luminosit`a istantanea di progretto pari a L = 8 · 1035 cm−2s−1. Poich´e la sezione d’urto di produzione di coppie c¯c ad una B-factory `e di poco superiore alla sezione d’urto di produzione di coppie b¯b, Belle II costituir`a un laboratorio ideale per studiare i fenomeni di mixing e di violazione di CP nel sistema D0− ¯D0. Infatti Belle II accumuler`a in pochi anni circa 50 ab−1 di dati, a cui corrispondono circa 6.5 · 1010 mesoni D0 e ¯D0 prodotti in eventi c¯c.

L’idea alla base del metodo di 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 D0 di cui si vuole determinare il flavour e che portano memoria dell’altro quark c, di flavour opposto, prodotto nell’in-terazione primaria. Selezionando gli eventi con un solo K carico nel resto dell’evento `e possibile determinare il flavour del D0 di segnale mediante la carica del K. Tale K carico `e la segnatura di una transizione c → s o ¯c → ¯s avvenuta nel resto dell’evento. In Figura 1 `e schematizzata l’idea alla base di tale metodo di flavour tagging.

Figura 1: Schema del metodo proposto per il flavour tagging dei mesoni D0e ¯D0.

L’intero studio `e stato effettuato analizzando eventi Monte Carlo generati e simulati tramite apposite librerie implementate nel software di Belle II (Belle II Analysis Software Framework ). In primo luogo ho studiato le caratteristiche di un evento c¯c a livello di gene-ratore (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 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 tagging del metodo studiato, utilizzando opportuni tagli cinematici per ridurre gli eventi di fondo.

L’efficienza di tagging del metodo che ho analizzato `e tag ' 27 %, mentre il livello di

mistagging `e ω ' 13 %. Ho inoltre stimato che, combinando le analisi effettuate con il metodo che ho studiato con quelle condotte con il metodo standard di flavour tagging del D∗+, `e possibile ridurre di circa il 15 % l’incertezza statistica sulla misura di asimmetrie di CP .

Nella tesi `e presentata anche l’attivit`a 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 forward e backward per i layer 4, 5 e 6 del Silicon Vertex Detector (SVD), che `e parte integrante del rivelatore di vertice dell’esperimento Belle II. L’SVD `e composto da 4 layer basati su rivelatori a strip di silicio a doppia faccia (DSSD) con una elettronica di lettura costituita dai chip APV25. Assieme ai due layer pi`u 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 prossimit`a della regione di interazione e di ricostruire con accuratezza i vertici primari e secondari dei decadimenti dei mesoni B e dei mesoni D.