[論文レビュー] The charm physics programme at the LHCb upgrade, and Atlas and CMS upgrades

M. Gersabeck|ArXiv.org|Sep 26, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCbアップグレードおよび関連するATLASとCMSのアップグレードにおける charm 物理プログラムを概説し、CP 违反および混合測定の精度向上に焦点を当てる。フル 40 MHz リードアウトとソフトウェアベースのトリガーを可能にすることで、LHCb アップグレードは年間データ収率を約 10 倍に増加させ、CP 不均衡の感度を 0.05×10⁻³ まで向上させ、希少崩壊や新しいcharm を含むバリオンの発見を可能にする。

ABSTRACT

Charm physics has been established at the LHC based on several high-precision measurements. The future of charm physics at the LHC experiments is discussed in detail. The bulk of the charm physics programme will be performed by LHCb and the LHCb upgrade. In particular, the impact of the LHCb upgrade on mixing and \CP violation measurements is presented.

研究の動機と目的

• LHC における高精度な charm 物理測定、特に CP 違反および混合を、アップグレードされた検出器能力を用いて拡張すること。
• 高インテグレーテッドラミニリアティにおけるトリガー効率の制限を克服するため、フル 40 MHz リードアウトを可能にするトリガー系の再設計を行うこと。
• 生産および検出の非対称性を制御することで、CP 不均衡測定の精度を 1% 未満のレベルに達するようにすること。
• 増加した放射線率と効率的なトリガーを活用して、二重および三重の重いバリオンの発見を可能にすること。
• 高データレートと低バックグラウンド環境を活かして、希少崩壊探索におけるリーダーシップを維持すること。

提案手法

• 柔軟なハードウェアトリガーとソフトウェアベースのトリガーを備えたフル 40 MHz リードアウトシステムを実装し、出力レートを 20 kHz に低下させること。
• インパクトパラメータ分解能を向上させるために、バーテックス検出器をシリコンピクセルまたは細区分離型シリコン検出器に置き換えること。
• 高レート光子リードアウトシステムを備えた RICH 検出器のアップグレードと、高レート動作に適した新しい電子回路を用いたカリメータの近代化を行うこと。
• D⁰、D⁺、Dₛ⁺ メソンの多体崩壊における CP 違反を探索するため、モデルに依存しないおよびモデルに依存する解析を用いること。
• Cabibbo 有利および単一 Cabibbo 低減崩壊を用いた非対称性キャンセレーション技術を適用し、CP 違反信号を分離すること。
• 予想される 50 fb⁻¹ の統合放射線量を用いて統計的感度を推定し、複雑な最終状態におけるバックグラウンド制御をシミュレーションすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCb アップグレードは、D⁰ → K⁻K⁺ および D⁰ → π⁻π⁺ 崩壊における直接 CP 違反に対して、どの程度の感度を有するか？
• RQ2 LHCb アップグレードは、D⁺ → K⁻K⁺π⁺ および D⁺ → π⁻π⁺π⁺ 崩壊における CP 不均衡測定をどの程度向上させるか？
• RQ3 LHCb アップグレードは、サブパーセントレベルの精度で位相空間分布における CP 違反を解明できるか？
• RQ4 アップグレードされた LHCb 検出器を用いた二重および三重の重いバリオンの発見の予想される到達範囲は何か？
• RQ5 LHCb アップグレードは、Belle II と比較して、希少および禁止された charm 崩壊の感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• LHCb アップグレードにより、年間の信号収率が約 10 倍に増加し、1 年間に約 4×10¹⁰ 個の D⁰ → K⁻π⁺ 崩壊が得られる見込みである。
• 50 fb⁻¹ のデータを用いた場合、D⁰ → K⁻K⁺ および D⁰ → π⁻π⁺ 崩壊における ΔACP の期待される統計的感度は 0.15×10⁻³ に達する。
• D⁺ → K⁰S K⁺、D⁺ → K⁻K⁺π⁺、および D⁺ → π⁻π⁺π⁺ 崩壊における CP 不均衡の感度は、それぞれ 0.1、0.05、0.08×10⁻³ と推定される。
• D⁺ → h⁻h⁺π⁺ 最終状態における CP 違反のモデルに依存しない探索では、位相空間で (0.01–0.1)° の感度、割合では 0.1–1.0×10⁻³ の感度が達成可能である。
• アップグレードにより、標準模型を超える間接的 CP 違反の感度が達成され、主要な観測量において Belle II を上回る精度が得られる。
• アップグレードにより、生産および検出非対称性をサブパーセントレベルに制御可能となり、時間積分 CP 不均衡の高精度測定に不可欠である。