Bachelor Thesis

Report number : CERN-THESIS-2017-496

Title

• [ENG] Study of the charmonium resonances in $B^+ \to p \bar{p} K^+$ and $B^+ \to p \bar{p} \gamma K^+$ decays with the LHCb experiment at CERN
• [ITA] Studio delle risonanze di stati di charmonium nei decadimenti $B^+ \to p \bar{p} K^+$ e $B^+ \to p \bar{p} \gamma K^+$ con l'esperimento LHCb al CERN

Info

• Supervisor: Lucio Anderlini Lucio.Anderlini@fi.infn.it
• Co-supervisor: Giuseppe Latino Giuseppe.Latino@fi.infn.it
• Graduation day: September 20, 2017
• Graduation score: 110/110

Abstract

Gli stati di quarkonium, formati dalla combinazione quark-antiquark ($q\bar{q}$), sono descritti nel Modello Standard. Lo spettro energetico delineato dalla cromodinamica quantistica (QCD) caratterizzato da stati che si differenziano per massa, larghezza e numeri quantici, quali momento angolare, parit $P$ e parit $C$. Il lavoro di questa tesi si quindi focalizzato sullo studio del charmonium, cio il sistema $c\bar{c}$, prodotto nel decadimento del mesone $B^+$. I dati analizzati sono stati raccolti nel corso del 2015 e del 2016 dall'esperimento LHCb del CERN, uno spettrometro di massa in avanti dedicato alla fisica dei quark $b$ e $c$.

Lo studio del canale di decadimento $B^+ \to (c \bar{c}) K^+$ con $c \bar{c} \to p \bar{p}$ permette di distinguere vari stati di charmonium. La selezione del decadimento $B^+ \to p\bar{p} K^+$ stata ottimizzata studiando la distribuzione della massa invariante della combinazione $p\bar{p} K^+$ a cui seguita la sottrazione del fondo combinatorio grazia alla tecnica statistica $s\mathcal{P}$lot. L'analisi della distribuzione in massa invariante $p\bar{p}$ del campione selezionato mette in evidenza eccessi compatibili con gli stati $\etac$, $J/\psi$, $\chi{c0}$, $\chi{c1}$, $\chi{c2}$ e $\psi(2S)$. I valori di massa e larghezza ottenuti dalla parametrizzazione della distribuzione sono compatibili con le medie mondiali [1] e confermano, con un campione di dati indipendente, l'osservazione del decadimento $\eta_c(2S) \to p\bar{p}$ recentemente riportata dalla collaborazione LHCb [2].

Ad oggi, la produzione dello stato $hc$ nel decadimento di adroni-$b$ non mai stata osservata, nonostante ne esistano alcune indicazioni. Nel lavoro di tesi si affrontata la ricerca del canale $B^+ \to hc K^+$ con $hc \to \etac \gamma$ e $\etac \to p \bar{p}$, affiancato dal canale di controllo $B^+ \to \chi{c1} K^+$ con $\chi{c1} \to J/\psi \gamma$ e $J/\psi \to p \bar{p}$. La parit $C$ garantisce che le due catene di decadimento rimangano separate, permettendo di distinguere lo stato $hc$ da $\chi{c1}$ che, con una differenza in massa di pochi MeV, risulterebbero altrimenti sovrapposti. La catena di decadimento $B^+ \to \chi{c1} K^+$ con $\chi{c1} \to J/\psi \gamma$ e $J/\psi \to p \bar{p}$ stata messa in evidenza per prima volta ad LHCb, mentre non si osservato segnale per il decadimento $B^+ \to hc K^+$. Si quindi inoltrata una richiesta ufficiale di produzione Monte Carlo indispensabile per il calcolo delle efficienze di entrambi i canali e per migliorare la strategia di selezione con l'applicazione di tecniche di analisi multivariata, in vista di un'estensione ad un campione pi ampio.

References

1. Particle Data Group, C. Patrignani et al., Review of particle physics, Chin. Phys. C40 (2016) 100001
2. Collaborazione LHCb, R. Aaij et al., Observation of $\eta{c}(2S) \to p \bar{p}$ and search for $X(3872) \to p \bar{p}$ decays_, Phys. Lett. B769 (2017) 305

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M. Barbetti, Studio delle risonanze di stati di charmonium nei decadimenti $B^+ \to p \bar{p} K^+$ e $B^+ \to p \bar{p} \gamma K^+$ con l'esperimento LHCb al CERN, Bachelor's thesis, University of Florence, 2017

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