Resumen de Search for the rare decays B0(s) -- μ+ μ- and K0s -- μ+ μ- with 1 fb-1 at LHCb
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El Modelo Estándar (SM) de la física de partículas es la teoría más acertada para explicar la estructura y relaciones de todas las partículas fundamentales. Estas incluyen los nucleones y electrones que componen los átomos, los fotones y todo un grupo enorme de nuevas partículas descubiertas a lo largo del siglo XX y comienzos del XXI.
A pesar de su éxito, aún hay ciertas medidas experimentales que el SM no es capaz de explicar completamente. Teniendo esto en cuenta, se han propuesto diversos modelos de nueva física (NP) para resolver estos problemas.
Experimentos como el LHC, en el CERN, fueron creados para poner la prueba las predicciones del SM y de los modelos de NP. El LHC hace colisionar protones entre sí a una energía de ¿s = 7 TeV, para que luego varios detectores registren el resultado de estas colisiones. Entre estos detectores está LHCb, diseñado para estudiar la violación CP y desintegraciones raras como B(0)s->MuMu y K0S->MuMu.
Aspectos teóricos de Bqmumu y Ksmumu B(0)s->MuMu y K0S->MuMu son desintegraciones muy raras, con cocientes de ramificación (también llamados fracciones de desintegración o BR), en el SM suprimidos al nivel de 10^{-9}-10^{-12}. Estos modelo son, sin embargo, sensibles a NP, de forma que su BR podría crecer (o incluso estar más suprimido) con respeto a las predicciones del SM. Por tanto, la medida de un BR significativamente distinto del del SM sería una prueba de física más allá del SM.
Los modos de desintegración B(0)s->MuMu y K0S->MuMu son corrientes neutras de cambio de sabor, por lo que están prohibidas en el SM a nivel de árbol. Los diagramas a través de los cuales estas desintegraciones se producen incluyen lazos y cajas, en los cuales pueden entrar partículas que no pertenecen al SM y cambiar, como se comentó, el valor real de las fracciones de desintegración con respeto de la predicción del SM. Estos canales son, por lo tanto, apropiados para una búsqueda indirecta de NP, con la ventaja de llegar a escalas energéticas más altas que en las búsquedas directas.
Las desintegraciones B(0)s->MuMu se encuentran entre los favoritos en la busca de NP en el sector de sabor. Sus BR han sido ampliamente estudiados, y existen predicciones exactas dentro del SM BR(B0->MuMu)|_SM = (1.1 ± 0.1) x 10^{-10} y BR(B0s->MuMu)|_SM = (3.2 ± 0.3) x 10^{-9}.
Como se comentó, estas fracciones de desintegración son muy sensibles a la presencia de NP, y por lo tanto existe mucha literatura en la teoría donde se describe cómo podrían verse estos BR afectados dependiendo de espacio de fases de la NP.
La desintegración K0S->MuMu se propuso cómo una manera novedosa de poner la prueba el SM empleando el potencial del experimento LHCb. En el SM, K0S->MuMu está básicamente dominado por física de larga distancia, con una contribución de física de distancias cortas mucho menor. Sin embargo, esta parte de distancias cortas es sensible a NP, de modo que podría convertirse incluso en dominante dependiendo del espacio de fases de la NP, haciendo crecer el BR del canal casi un orden de magnitud por encima de la predicción del SM, que es BR(K0S->MuMu)|_SM = (5.1 ± 1.5) x 10^{-12}. Se ha sugerido K0S->MuMu como una manera de buscar nuevos escalares ligeros y también de establecer límites independientes del modelo en la fase de violación CP de la amplitud s -> d l+l-.
El experimento LHCb en el LHC LHCb es uno de los cuatro grandes detectores del experimento LHC en el CERN. LHCb es un detector de propósito específico: estudiar la violación CP y las desintegraciones raras, sobre todo a partir de desintegraciones de partículas con el quark b.
LHCb se diseñó para funcionar a una luminosidad instantánea menor que la de los otros experimentos del LHC. La razón de es facilitare la correcta identificación de los vértices primario (PV) y secundario (SV), dado que esto es esencial para los objetivos físicos de LHCb.
Se pode definir LHCb como un espectrómetro de brazo único que cubre la zona delantera con una cobertura angular desde aproximadamente 10 mrad a 300 (250) mrad en el plano perpendicular al campo magnético (paralelo al campo magnético).
Los análisis de este proyecto están basados en los datos tomados por LHCb durante 2011 a partir de las colisiones protón--protón del LHC a una energía en el centro de masas de ¿s = 7 TeV. El total de luminosidad integrada corresponde a 1.0 fb^{-1}.
B0(s)mumu Para la búsqueda de estos canales en LHCb se ha diseñado una selección muy eficiente para deshacerse de la mayoría del fondo. El número de sucesos observado se compara después con el esperado de fondo y señal en rangos de dos variables independientes, la masa invariante y el resultado de un discriminan multi-variable, el BDT.
La probabilidad de que los sucesos de la señal y del fondo tengan un determinado valor del BDT se extrae de los datos empleando candidatos de B->hh (siendo h un kaón o pión) para la señal y las bandas laterales de masa de B0(s)->mumu para el fondo combinatorio. La distribución en masa de las señales se describe mediante una función ``Crystal Ball'', con unos parámetros que también se extraen de los datos. Para el fondo, esta distribución de masa se extrae nuevamente de las bandas laterales de B0(s)->mumu. El número esperado de sucesos de señal para una determinada hipótesis de la fracción de desintegración se obtiene normalizando a canales con fracciones de desintegración conocidas: B+->J/PsiK+, B0s->J/PsiPhi y B0->K+Pi- También se ha comprobado que diversos fondos específicos son despreciables para el análisis. La única excepción es B->hh en el cual se toma a los dos hadrones por muones. Aunque esta contribución es pequeña gracias a los cortes en las variables de identificación de partículas, también se ha parametrizado en los rangos de masa y BDT.
Una vez que los candidatos observados y esperados de señal y fondo están disponibles en cada rango del espacio BDT--masa invariante, su compatibilidad es calculada empleando el método ¿CLs¿. Con esto, y dado que el número aguardado de señal es proporcional a la hipótesis de fracción de desintegración, se pueden establecer límites superiores en esta a un nivel de confianza determinado.
La búsqueda de B(0)s->MuMu no resultó en ningún exceso significativo de señal. Teniendo esto en cuenta, se pudieron establecer límites superiores en las fracciones de desintegración de los dos canales. Los dos resultados; BR(B0->MuMu)< 1.0 x 10^{-9} y BR(B0s->MuMu)<4.5 x 10^{-9}, ambos al 95% de nivel de confianza; son los mejores mundiales, y producen importantes límites en el espacio fásico de la NP.
KS->MuMu La búsqueda de K0S->MuMu es compleja debida al hecho de que LHCb está optimizado para mesones B, que tienen características distintas al K0S. Como ejemplo, la masa de los K0S es alrededor de 10 veces más pequeña que la del B0. Esto produce una reconstrucción muy distinta.
El análisis de K0S->MuMu en LHCb también comienza con una selección eficiente para deshacerse de la mayoría del fondo. Sin embargo, los grandes sesgos producidos por la baja eficiencia del sistema de disparo de LHCb (¿trigger¿) obligan a separar el análisis dependiendo de si el candidato a K0S->MuMu fue el responsable del trigger o si otra partícula en el mismo suceso lo fue. Al primer tipo de candidatos se les llama TOS (trigger en la señal) y al segundo TIS (trigger independiente de la señal).
Después de la selección y el trigger, se consigue más discriminación empleando un BDT, como en el caso del B(0)s->MuMu. No obstante, en este caso el BDT se entrena en los datos, que se dividen en dos mitades de forma que el BDT aplicado en cada parte haya sido entrenado con la otra mitad complementaria. Con todo esto, cuatro muestras independientes (dos TIS y dos TOS) se usan en la búsqueda de K0S->MuMu.
Los candidatos de señal que sobreviven a la selección se clasifican en rangos del BDT, y se obtiene un límite empleando nuevamente el método CLs. El fondo esperado se mide a partir de las bandas laterales de masa, y está compuesto básicamente de un fondo combinatorio y K0S->PiPi en el cual se ha tomado a los dos piones por muones.
Finalmente, la normalización se hace en rangos de BDT (contrariamente al caso de B(0)s->MuMu), empleando K0S->PiPi de una manera independiente para los análisis TIS y TOS. De este modo, para las primeras se usan sucesos K0S->PiPi TIS, mientras que la para las segundas se preciso emplear de manera simultáneo K0S->PiPi de líneas del trigger físicas y de líneas de sesgo mínimo (líneas muy reducidas en las cuales el trigger toma una decisión aleatoria). Los cocientes de eficiencias de reconstrucción y selección se obtienen de manera similar a las del B(0)s->MuMu. También es importante decir que en esta busca no se utilizan rangos de masa.
No se ha encontrado ningún exceso significativo de señal en la búsqueda de K0S->MuMu. Empleando el método CLs, se han establecido límites superiores en el BR(Ksmumu): BR(K0S->MuMu) < 11.2 x 10^{-9} al 95 % de CL.
- English
This thesis is devoted to the explanation of the searches for the very rare decays B0 (s) ! + and K0 S ! + , performed using the 1 fb1 of data taken by LHCb during 2011 from the LHC proton{ proton collisions at an energy of p s=7 TeV.
The most relevant theory aspects concerning these searches will be presented. Furthermore, the LHCb experiment will be described, and some of its most interesting results in the rare decays area reported.
The B0 (s) ! + search has not resulted in any signal excess above background, but has produced world best upper limits in the branching ratios of both channels: B(B0 ! + ) < 1:0 109 and B(B0 s ! + ) < 4:5 109, both at 95% con dence level.
Finally, no signi cant signal excess has been found in the search for K0 S ! + neither, and again an upper limit on its branching ratio has been set: B(K0 S ! + ) < 11:2 109 at 95% con dence level. This upper limit is a factor of 35 better than the previous world best.
