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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-08182016-105614


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
DE PIETRO, GIACOMO
URN
etd-08182016-105614
Titolo
Studio di un nuovo metodo di flavour tagging dei mesoni $D^0$ e $\bar{D}^0$ con l'esperimento Belle II
Dipartimento
FISICA
Corso di studi
FISICA
Relatori
relatore Prof. Forti, Francesco
Parole chiave
  • charm
  • neutral
  • silicon
  • belle2
  • tagging
  • flavour
  • meson
Data inizio appello
21/09/2016
Consultabilità
Completa
Riassunto
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 $D^0$ e $\bar{D}^0$ offre la possibilità unica di studiare tali fenomeni in mesoni composti unicamente da quark e antiquark di tipo up.

A livello sperimentale, il mixing tra $D^0$ e $\bar{D}^0$ è stato osservato per la prima volta alle $B$-factories BaBar e Belle, e successivamente è stato ampiamente confermato anche da CDF e LHCb. Per quanto riguarda la violazione di $CP$, invece, le misure più 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 $CP$ è necessario conoscere il flavour dei mesoni neutri al momento della produzione (flavour tagging). La tecnica standard di flavour tagging di un mesone $D^0$ prodotto in un evento $c\bar{c}$ consiste nell'utilizzare il decadimento $D^{*+} \to D^0 \pi^+$, in cui il flavour del $D^0$ è univocamente determinato dalla carica del $\pi$ nello 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 è stato quindi di studiare e mettere a punto un metodo completamente nuovo di flavour tagging dei mesoni $D^0$ e $\bar{D}^0$ prodotti in un evento $c\bar{c}$ a Belle II.

L'esperimento Belle II è attualmente in fase di costruzione e costituirà la generazione futura di $B$-factory. Belle II opererà presso il collisionatore $e^+e^-$ SuperKEKB (situato presso il laboratorio KEK di Tsukuba, Giappone), avente una luminosità istantanea di progretto pari a $\mathcal{L} = 8 \cdot 10^{35}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$. Poiché la sezione d'urto di produzione di coppie $c\bar{c}$ ad una $B$-factory è di poco superiore alla sezione d'urto di produzione di coppie $b\bar{b}$, Belle II costituirà un laboratorio ideale per studiare i fenomeni di mixing e di violazione di $CP$ nel sistema $D^0 - \bar{D}^0$. Infatti Belle II accumulerà in pochi anni circa 50 ab$^{-1}$ di dati, a cui corrispondono circa $6.5 \cdot 10^{10}$ mesoni $D^0$ e $\bar{D}^0$ prodotti in eventi $c\bar{c}$.

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 $D^0$ di cui si vuole determinare il flavour e che portano memoria dell'altro quark $c$, di flavour opposto, prodotto nell'interazione primaria. Selezionando gli eventi con un solo $K$ carico nel resto dell'evento è possibile determinare il flavour del $D^0$ di segnale mediante la carica del $K$. Tale $K$ carico è la segnatura di una transizione $c \to s$ o $\bar{c} \to \bar{s}$ avvenuta nel resto dell'evento.

L'intero studio è 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 $c\bar{c}$ a livello di generatore (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 è $\epsilon_{tag} \simeq$ 27 %, mentre il livello di mistagging è $\omega \simeq$ 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 $D^{*+}$, è possibile ridurre di circa il 15 % l'incertezza statistica sulla misura di asimmetrie di $CP$.

Nella tesi è presentata anche l'attività 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 è parte integrante del rivelatore di vertice dell'esperimento Belle II. L'SVD è 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 più 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 prossimità della regione di interazione e di ricostruire con accuratezza i vertici primari e secondari dei decadimenti dei mesoni $B$ e dei mesoni $D$.
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