Seltene B Meson Zerfälle im ATLAS Experiment

Das ATLAS Experiment ist ein Teilchendetektor am Large Hadron Collider am CERN in Genf. Beim LHC handelt es sich um einen Proton-Proton Speicherring, in dem Protonwolken an definierten Punkten im Beschleunigerring bei einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV kollidieren bei einer erwarteten Designluminosität von 1034cm-2 s -1 . Während das Hauptaugenmerk des ATLAS Experiments auf der Entdeckung des Higgs-Bosons liegt, ermöglicht das universelle Design des Detektors die Bearbeitung einer Vielzahl von weiteren Forschungsfragen wie Supersymmetrie, die Suche nach Kandidaten für dunkle Materie und eine präzise Messung von CP-Verletzung. Aufgrund der hohen Produktionsrate von beauty-Quark-Antiquark Paaren bei diesen Energien sind eine Reihe von Analysen im Bereich der B-Physik geplant. Ein Kernpunkt der B-Physik ist die genaue Messung der Eigenschaften und Zerfälle der gesamten B-Meson Familie (Bd , B+ , Bs und Bc sowie deren Antiteilchen). Von speziellem Interesse ist der elektroschwache Übergang des b Quarks in ein s Quark, der im Standardmodell der Teilchenphysik nur über stark unterdrückte Schleifen- und Pinguin-Diagramme erlaubt ist. Neutrale Ströme, welche die Quarksorte verändern, sind im Standardmodell verboten. Erweiterungen des Standardmodells wie Supersymmetrie oder Technicolor haben einen direkten Einfluss auf das Verzweigungsverhältnis, mit dem etwa der exklusive Zerfall eines Bs Mesons in zwei Myonen stattfinden kann. Ein höherer Wert im Vergleich zu den Berechnungen des Standardmodells ist daher ein direkter Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells. Mit einer erwarteten integrierten Luminosität von 10 fb -1 sollte bis zum Ende dieses Projektes Dezember 2013 nicht nur die Bestimmung einer oberen Grenze für dieses Verzweigungsverhältnis möglich sein, sondern eine direkte Messung der vom Standardmodell vorhergesagten Werte ist durchführbar. Ein weiterer elektroschwacher Übergang von b in s ist etwa der Zerfall des neutralen Mesons Bd in ein K* Meson und zwei Myonen. Bisherige Messungen dieses Verzweigungsverhältnisses von CDF oder den B Fabriken Belle und BaBar lieferten keinen Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells. Supersymmetrische Erweiterungen des Standardmodells zeigen allerdings Verteilungen, wie etwa die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie AFB oder die K* Meson Polarisation, die sehr stark von den berechneten Verteilungen des Standardmodells abweichen. Eine integrierte Luminosität von 10 fb-1 erlaubt eine genaue Analyse dieser Verteilungen und liefert damit einen möglichen direkten Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells.

Im Rahmen dieses Projektes wurden Daten analysiert, die im Jahr 2011 vom ATLAS Experiment am Großen Hadronenbeschleuniger des CERN (LHC) gemessen wurden. Dabei wurden physikalische Größen untersucht, die sensitiv auf Effekte sind, welche nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden können. Die erhaltenen Messergebnisse sind ein wichtiges Forschungsresultat, jedoch zeigen Sie keine Abweichungen von der derzeit geltenden Theorie. Die zwei Prozesse, die im Detail analysiert wurden sind (1) der extrem seltene Zerfall des neutralen B_s-Mesons in ein Paar von entgegengesetzt geladenen Myonen sowie (2) der relativ seltene Zerfall des B_0-Mesons in ein Paar von entgegengesetzt geladenen Myonen und einem zusätzlichen K*-Meson. Entsprechend der Theorie des Standardmodells werden diese beiden Reaktionen durch den Übergang eines b-Quarks in ein s-Quark vermittelt. Dieser Zerfall ist aber unterdrückt und nur in höheren Ordnungen, zu denen auch bisher noch nicht entdeckte Prozesse maßgeblich beitragen können, möglich. (1) Für den Zerfall B_s -> +- wurden nach umfangreicher Vorbereitung einer Blind-Analyse und detaillierten Studien zu Hintergrundereignissen keine Signal-Ereignisse in den ATLAS Daten des Jahres 2011 gefunden. Dies erlaubte schließlich die Berechnung einer oberen Schranke für das sogenannte Verzweigungsverhältnis dieser Reaktion von 1.5*10^(-8), bei einem Vertrauensmaß von 95%, und in Übereinstimmung mit dem vom Standardmodell vorhergesagten Wert von 3.54*10^(-9). Anschließend wurde die Analyse von der ATLAS-Kollaboration auf den vierfach größeren Datensatz des Jahres 2012 ausgeweitet. Entsprechend dem Projektantrag wurde jedoch der Fokus innerhalb des Projektteams in der Folge auf den zweiten Zerfallskanal gelegt. (2) Für den Zerfall B_0-> K* +- wurden mittels einer aufwendigen statistischen Analyse 466 Signalereignisse in den Daten des Jahres 2011 gefunden. Dies erlaubte die Messung spezifischer Eigenschaften dieser Reaktion, und zwar in Abhängigkeit von der invarianten Masse des Myonpaares. Die so erhaltenen Verteilungen der Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Myonen und der longitudinalen Polarisation des K*-Mesons sind innerhalb der statistischen und systematischen Unsicherheiten ebenfalls konsistent mit den Vorhersagen des Standardmodells sowie den Messungen von anderen Experimenten. Diese neuen Ergebnisse wurden auf einer internationalen Konferenz präsentiert und sind auch das zentrale wissenschaftliche Resultat der im Rahmen dieses Projektes verfassten Dissertation.