Napredne metode za identifikacijo hadronov pri eksperimentu Belle II
Oznaka in naziv projekta
J1-9124 Napredne metode za identifikacijo hadronov pri eksperimentu Belle II
J1-9124 Depleted CMOS Sensors for the ATLAS Tracker Upgrade and Future Collider Experiments
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Peter Križan
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Po več kot desetih letih načrtovanja, raziskav in razvoja, oblikovanja in gradnje je detektor Belle II ob pospeševalniku za elektrone in pozitrone SuperKEKB pripravljen na obratovanje. Pospeševalnik deluje v energijskem območju resonance Upsilon (4S), kjer nastajajo pari kvantno-mehansko prepletenih mezonov B brez dodatnih delcev. Kombinacija Belle II / SuperKEKB bo s svojo izjemno zmogljivostjo omogočila iskanje novih pojavov, ki presegajo Standardni model (SM) osnovnih delcev in njihovih interakcij, in bo pri tem dopolnjevala raziskave ob Velikem hadronskem trkalniku (Large Hadron Collider, LHC). Glavni namen raziskav z detektorjem Belle II je poiskati nove pojave z študijem izbranih zelo redkih procesov pri razpadih mezonov B in D. V zadnjem času so trije poskusi (LHCb, BaBar in Belle) zaznali odstopanja med njihovimi rezultati in napovedmi SM v določenih razredih razpadov mezonov B, ki vključujejo leptone v končnem stanju. Mednje sodijo razpadi B → D (*) tau nu v primerjavi z B → D (*) mu nu in B → D (*) e nu razpadi, pa tudi razmerje med verjetnostmi za prehoda B -> K mu mu in B -> K e + e-. Ti presenetljivi rezultati pomenijo, da je kršena enakost pri interakcijah leptonov (lepton flavour universality, LFU); rezultati so zelo zanimivi, saj je LFU eden izmed temeljev SM. Če bi ta pojav bil dokončno potrjen, bi to dramatično spremenilo naš pogled na delce in njihove interakcije. Trenutno te ugotovitve še niso dokončne zaradi relativno velikih eksperimentalnih napak. Nadaljnje študije z veliko večjimi vzorci podatkov, ki bodo zmanjšali statistično napako meritve, in z metodami, s katerimi bi zmanjšali sistematske napake, bi omogočile raziskovanje teh zelo obetavnih pojavov in iskanje podobnih efektov v povezanih procesih. Za takšen raziskovalni program je spektrometer Belle II idealna raziskovalna aparatura.
Za uspeh takšnega raziskovalnega programa so potrebne nove, zelo napredne metode za identifikacijo nabitih delcev. Te so ključnega pomena pri meritvah izjemno redkih procesov, kjer je občutljivost za morebitni prispevek nove fizike največja, saj bi z njihovo pomočjo lahko izločali ozadja, ki nastanejo zaradi drugih razpadov in so veliko bolj pogosta. Napredni sistem za identifikacijo delcev Belle II ima detektorske sisteme za ločevanje med pioni od kaoni v celotnem kinematičnem območju eksperimenta (od nekaj sto MeV/c do 4 GeV/c), kot tudi komponente za identifikacijo elektronov in muonov. Za pokritje tako širokega kinematičnega območja je naša projektna skupina v sodelovanju s fiziki iz Japonske, ZDA in Italije razvila dve vrsti naprednih detektorjev sevanja Čerenkova. Predmet tega projekta je razvoj zelo naprednih metod za identifikacijo nabitih pionov in kaonov, ki bodo izkoriščale te nove vrste detektorjev in bodo prilagojene delovanju v razmerah z visoko ravnijo ozadja, kot jo pričakujemo v detektorju Belle II o d pospeševalniku SuperKEKB.
V okviru projekta razvijamo nove, napredne metode identifikacije. Delo poteka v naslednjih sklopih:
WP1) Razvoj novih kalibracijskih metod detektorja ARICH in TOP; preliminarno verzijo iterativne metode s Kalmanovim filtrom smo že uspešno testirali s simuliranimi podatki.
WP2) Razvoj novih algoritmov za identifikacijo delcev za detektorja ARICH in TOP; razvili bomo metodo, ki temelji na zelo zapleteni analitični konstrukciji funkcije verjetnosti v treh razsežnostih (dve prostorski in časovni), in bo prilagojena pogojem ozadja.
WP3) Razvoj novih metod za diskriminacijo pionov in mionov pri gibalnih količinah okoli 0,5 GeV/c. Da bi rešili problem večkratnega sipanja, bomo raziskali novo metodo, ki se opira na dejstvo, da poleg v aerogelu nabit delec izseva fotone Čerenkova tudi v oknu foto-senzorja. Preliminarna študija kaže, da je smer sledi s tem dodatnim zadetkom mogoče oceniti z zadostno natančnostjo.
WP4) Razvoj orodij za določanje izkoristka identifikacije delcev in sistematičnih napak na splošno kot tudi za specifične redke kanale razpadanja, ki jih bomo preučevali. Ta del raziskave je pomemben za razpadne kanale, kjer je prevladujoča eksperimentalna napaka sistematika zaradi negotovosti pri identifikaciji delcev.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani Povezava na SICRIS.
Faze projekta
Projekt bo izveden v več fazah, ki si bodo sledile v logičnem zaporedju. Razporeditev raziskav po letih:
WP1 in WP2: Leto 1: Razvoj naprednih kalibracijskih in identifikacijskih metod z uporabo podatkov, ki bodo na voljo od prvega obdobja delovanja detektorja Belle II. 2. in 3. leto: Nadaljnji razvoj metod v prisotnosti višjih nivojev ozadja, ki jih pričakujemo pri višjih luminoznostih.
WP3: 2. leto: Razvoj metod za identifikacijo leptonov z gibalnimi količinami okoli 0.5 GeV/c v detektorju RICH z uporabo simuliranih in zajetih podatkov. 3. leto: Razvoj metod za identifikacijo leptonov z gibalnimi količinami okoli 0.5 GeV/c s kombinacijo podatkov iz detektorja RICH in iz elektromagnetnega kalorimetra.
WP4: 2. leto: Ko bo na voljo dovolj eksperimentalnih podatkov, bo za študij izkoristka identifikacije delcev uporabili velik vzorec kontrolnih kanalov. Kontrolne vzorce z veliko statistiko bomo porabili tudi za določanje sistematskih napak pri identifikaciji delcev. 3. leto: nadaljnji razvoj metode v prisotnosti višjih nivojev ozadja. Metode, razvite v okviru te WP, bomo uporabili za preučevanje sistematičnih napak pri izbranih redkih razpadnih kanalih mezonov B, ki so bistveni za razumevanje morebitne kršitve LFU.