Belle II 実験の2019年春期運転データにおける
B0→J/ψ K*0(→K+π-)崩壊の再構成と崩壊点位置分解能の評価
高エネルギー物理学研究室
藤井 美保

目次
• イントロダクションー Belle II 実験
ー 時間依存CP非保存を測定するにはー 研究動機• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(モンテカルロシミュレーション)• 崩壊点位置分解能の見積もり(モンテカルロシミュレーション)• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!2

目次• イントロダクションー Belle II 実験
ー 時間依存CP非保存を測定するにはー 研究動機• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(モンテカルロシミュレーション)• 崩壊点位置分解能の見積もり(モンテカルロシミュレーション)• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!3

Belle II 実験
SuperKEKB加速器

Belle II 測定器'(")*+"

12'
!"!

,-./!0&!$#$%Belle II で目指す物理
B中間子崩壊の精密測定による新物理探索
タウのLFV事象探索
ハドロンの物理
2020/02/14}

実験の初期段階なので検出器の理解を進める研究が重要。

・・・
修士論文発表会!4

Belle II 測定器'(")*+"

12'
!"!

,-./!0

崩壊点検出器 PXD(Pixel Detector)・
SVD(Sillicon Vertex Detector)…崩壊点の測定
中央飛跡検出器(CDC)…荷電粒子の飛跡・運動量測定
粒子識別検出器(TOP・ARICH)…K/π識別&!$#$%

電磁カロリメーター(ECL)…電子・光子のエネルギー測定
SVD(4層)約1m

PXD(2層)μ粒子・KL0粒子検出器(KLM)…μ粒子・KL0中間子の測定➡B中間子崩壊の精密測定(時間依存CP非保存の測定)にはB中間子の崩壊点を測定する
PXD・SVDの較正が重要

ビームパイプの半径：10mm

2020/02/14

修士論文発表会!5時間依存CP非保存を測定するには
l+l-z

fCPπ+B07GeV

e-4GeVΓ(B 0(Δt) → fCP) − Γ(B 0(Δt) → fCP)
Γ(B 0(Δt) → fCP) + Γ(B 0(Δt) → fCP)

Δm ：2つの中性B中間子の質量固有状態の質量差
2020/02/14②①の娘粒子を除いた残りがタグ側B中間子③①②の崩壊点を再構成→Δzを得て、Δt = Δz /cβγ④②の娘粒子でB0かB0かフレーバー識別ftag

Δz~130μm=0.5065/ps

CP固有状態(B0からもB0からも崩壊可能)への崩壊を再構成

B0

ビーム衝突点(IP)

ACP(t) =①πe+βγ=0.28

解析手順= SfCPsin(ΔmΔt) + AfCPcos(ΔmΔt)

時間依存CP非保存を表す
パラメーター

修士論文発表会

直接的CP非保存を表す
パラメーター!6

研究動機①
時間依存CP非保存を測るには① fCPへの崩壊時刻をtCP、ftag(反対側のB、フレーバーを識別する)への崩壊時刻をttagとしてΔt(=tCP - ttag)を得る。
l+l-z

fCPπ+
7GeVe-B0πe+4GeV

B0Δz
Δt =cβγ

ftag

Δz~130μm→2つのB中間子崩壊点間のz方向の距離(Δz)からΔtを得る。
崩壊点を再構成した際の位置分解能の見積もりが重要。
2020/02/14

修士論文発表会!7研究動機②
時間依存CP非保存を測るには② 他方のB中間子(ftag)の娘粒子からフレーバーを識別する。
fCP

z
7GeV

B0e-e+4GeV

B0ftag

ビーム衝突点(IP)Δz~130μm＊レプトンタグーHigh-p l+ーMedium-p l＊ハドロンタグーHigh-p π+
ーMedium-p K+
ーLow-p π-→フレーバータグの性能評価を行いたい(フレーバー誤認率wrong-tag fractionの測定)。
2020/02/14

修士論文発表会!8

00
B →J/ψ K* による較正
CP固有状態でなくても、高統計の崩壊モードならΔt分布から崩壊点分解能を評価できる。
Br(B0→J/ψ K*0)=1.27 10-3：J/ψを含む崩壊モード中最大。
K*0の娘粒子の電荷で親のB中間子のフレーバーがわかる。
l+lfﬂvz
7GeVK+

B0e-πe+

4GeV

B0
ftag

ビーム衝突点(IP)K+π- → B0
K-π+ → B0Δz~130μm

B0→fﬂv(フレーバーが明らかな状態)なので、フレーバータグの較正もできる。
2020/02/14

修士論文発表会!9フレーバー誤認率の測定
フレーバーの同定を間違ってしまう割合、フレーバー誤認率を(wrong-tag fraction = w )を実データから測定するには、
B0→J/ψ K*0のように、B0とB0が明らかに区別できるモードを用いる。
l+ lB0K+fﬂv

πe+eB0B0…
ftag

Δz→NOF(Opposite Flavor)、NSF(Same Flavor)の時間発展

NOF(Δt) − NSF(Δt)= (1 − 2w)cos(ΔmΔt)
NOF(Δt) + NSF(Δt)
により

1 − 2ww を求めるのにB →J/ψ K* 崩壊は役にたつ。

2020/02/1400

修士論文発表会!10目次• イントロダクションー Belle II 実験
ー 時間依存CP非保存を測定するにはー 研究動機

• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(モンテカルロシミュレーション)• 崩壊点位置分解能の見積もり(モンテカルロシミュレーション)• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!11

0J/ψ, K* 候補の選別条件
J/ψ→μ+μ-80

2100

J/ψ→e+eEvents / 0.006 GeV/c

Events / 0.006 GeV/c2

3×10signal MC

Belle II
MC1250000

signal MC

Belle II
MC1240000

6030000

4020000

20

10000

0
2.8

2.9

3

3.1

3.2

3.3

02.8

3.4

2.9

33.1

3.2

K*0→K+π-3.4

Me+e- [GeV/c2]

Events / 0.006 GeV/c2Mµ+µ- [GeV/c2]

3.340000

Belle II
縦赤点線の範囲
35000 MC12•(3.05GeV/c2 < M(μμ) < 3.15GeV/c2、 30000 signal MC
25000
222.95GeV/c < M(ee) < 3.15GeV/c 、
20000
0.817GeV/c2 < M(Kπ) < 0.967GeV/c2) 15000
10000
を、J/ψとK*0候補の選別条件とした。
5000
00.7

0.75

0.8

0.85

0.90.951MKπ [GeV/c2]

2020/02/14

修士論文発表会!12

B中間子候補再構成
14000
12000
10000

Belle II
MC12b

Entries/0.004[GeV]

2

Entries/0.001[GeV/c ]B0 → J/ψ(→μ+μ-) K*0Mbcsignal MC8000
6000

14000

ΔEBelle II
MC12b12000

signal MC

10000
8000
6000

4000

4000

2000

2000

05.2 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.3

Mbc =2Ebeam− PB2

0−0.2 −0.15

Mbc[GeV/c2]−0.1 −0.05

00.05

ΔE = EB − Ebeam

0.1

0.15

0.2

∆E[GeV]• 重心系では対でできる2つのB中間子がエネルギーを等分している(Ebeam=重心系エネルギーの半分)。
信号事象はMbc：5.28 GeV/c2、ΔE：0 GeVにピーク• 図示した信号領域に見出された事象数から、
B0 → J/ψ(→μ+μ-) K*0(→K+π-) モードでは再構成効率22.3%
2020/02/14

修士論文発表会!13

B中間子候補再構成Entries/0.004[GeV]

2

Entries/0.001[GeV/c ]B0 → J/ψ(→e+e-) K*0
12000
10000

Belle II
MC12b

Mbc

signal MC

8000

9000
8000

ΔE

Belle II
MC12b

7000

signal MC

6000
5000

6000

4000

4000

3000
2000

2000

1000

05.2 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.3

Mbc =2Ebeam− PB2

0−0.2 −0.15

Mbc[GeV/c2]−0.1 −0.05

00.05

0.1

ΔE = EB − Ebeam

0.150.2∆E[GeV]• B0 → J/ψ(→e+e-) K*0 モードでは、電子または陽電子が制動放射した光子を検出できない場合があり、ΔE分布の低い方にTailが出る。そこで、ΔEの下限を-0.03 GeV(μ+μ-)から-0.07 GeVに変更した。

• 図示した信号領域に見出された事象数から、
B0 → J/ψ(→e+e-) K*0(→K+π-) モードでは再構成効率20.4%
2020/02/14

修士論文発表会!14

目次• イントロダクションー Belle II 実験
ー 時間依存CP非保存を測定するにはー 研究動機

• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(モンテカルロシミュレーション)• 崩壊点位置分解能の見積もり(モンテカルロシミュレーション)• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!15

目次• イントロダクション

1.B0→J/ψK*0(→K+π-)のー Belle II 実験

真の崩壊点(MC)と再構成

ー 時間依存CP非保存を測定するにはされた崩壊点の位置の違いで見積もる。

ー 研究動機
時間依存CP非保存を測定するためには
2. 同一事象でJ/ψとK*0でそ2つのB中間子の崩壊点の差が必要
B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成•

れぞれ崩壊点を再構成し、(モンテカルロシミュレーション)その位置の差により見積もる。
崩壊点位置分解能の見積もり•(モンテカルロシミュレーション(MC)) 3. ビームバックグラウンド• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)の増加に対してPXD１層と2層の場合で崩壊点位置分解能の変化を見積もる。

• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!16

1.崩壊点位置分解能 (MC)
タグ側のB0の崩壊点z座標の残差の分布(MC：再構成されたz- 真のz)
B0_TagVz residual
Entries/0.0004cm

Entries/0.0004cm

μ+μ-で再構成したB0の崩壊点z座標の残差の分布(MC：再構成されたzB0_z residual- 真のz)
7000
6000
5000

3500
3000
2500

4000

2000

3000

1500

2000

1000

1000

500

0−0.02−0.015−0.01−0.00500.0050.010.015

0.02

residualz[cm]residual z [cm]0−0.02−0.015−0.01−0.00500.005

0.01

0.015

0.02

residualTagVz[cm]residual z [cm]• μ+μ-でB0の崩壊点を再構成すると位置分解能は33.7 1.1 um。
• タグ側のB0の位置分解能は、95.2 2.3 um。
• Δz分解能はタグ側の寄与が支配的であることがわかる。
2020/02/14

修士論文発表会!17

02.J/ψ vertexとK* vertex ①
B0_z residualEntries/0.0004cml+π-Kl-+

2500

200015001000z
True B decay vertex

5000−0.02l+Vertex by J/ψ

Vertex by K *π-lz differencez
2020/02/14

K+−0.015−0.01−0.00500.0050.010.015
00.02

K*z - J/ ψ z[cm]z(K*0) - z(J/ψ) = z diﬀerence [cm]

• B0→J/ψK*0崩壊では、同一事象でJ/ψとK*0の崩壊点をそれぞれ再構成すると、位置の違いは検出器の崩壊点分解能を表す。

• K*0とJ/ψの崩壊点のz座標の差の分布の標準偏差は、109.1

4.0 umであった。

修士論文発表会!18

02.J/ψ vertexとK* vertex ②K+π-で再構成したB0の崩壊点z座標の残差の分布
KST0_pi_p {KST0_pi_isSignal==1}
h_pi
EntriesMean
Std Dev

ーπーKーμ

3000
2500
2000

85839
0.76730.3502

h_K
EntriesMean
Std Dev

86082
0.9846
0.4148

EntriesMean
Std Dev

3500
3000
2500
2000

h_mu

1500

Entries/0.0004cm

B0_z residual - 真のz)
(MC：再構成されたz86220
1.79
0.502

1500

1000

1000

500

500

000.5

1

1.5

2

2.5

3

0
−0.02

−0.015−0.01−0.005

0.005

0.01

0.015

0.02

residualz[cm]residual z [cm]p[GeV/c]• z diﬀerence分解能はK*0の寄与が支配的：93.7

02.4 um(K+やπ-の方が運動量が低い)• J/ψとK*0の崩壊点のz座標の差の分布はデータのみで求めることができるので、その分布をMCの結果と比較することにより、MCシミュレーションで得られる崩壊点分解能(p.17)の信頼性をデータで確認することができる。
2020/02/14

修士論文発表会!19

3.ビームバックグラウンド増加時(PXD1層orPXD2層)
PXDが1層のみインストールされている現在のジオメトリと、近い将来実現するPXDが2層の場合で、MC事象中に埋め込むシミュレーションしたビームバックグラウンドの量を変化させて影響を調べた。
PXDが1層：現状

崩壊点位置検出器(Vertex Detector)• ビームバックグラウンドなし(x0)SVD(4層)34cm-2s-1)
ビームバックグラウンドあり(L=110•• 2倍のビームバックグラウンド(x2)約1m• 5倍のビームバックグラウンド(x5)
PXDが2層：1〜2年以内に実現

PXD(2層、現在は1層のみ• ビームバックグラウンドなし(x0)• ビームバックグラウンドあり(L=8 1035cm-2s-1)• 2倍のビームバックグラウンド(x2)• 5倍のビームバックグラウンド(x5)

インストールされている)

2020/02/14

修士論文発表会!20

崩壊点位置分解能 (MC,μμ)
BGあり

x5

PXD：1 layer

Entries112693

Entries
103660

L=1 1034cm-2s-1

σ=33.0um

σ=40.6um

PXD：2 layers

BGあり
Entries
100726

x5
Entries5867

L=8 1035cm-2s-1

σ=31.4um

σ=30.7um• PXDが1層では、現状よりもビームバックグラウンドが増えると崩壊点位置分解能が悪化する。

• PXDが2層では、ビームバックグラウンドが設計値ルミノシティで想定される量を上回ると飛跡の再構成効率の低下が顕著である。再構成された崩壊点の位置分解能は変わらない。
2020/02/14

修士論文発表会!21

崩壊点位置分解能まとめ
PXD：2 layers
BG:lum.=8 1035cm-2s-1σ[µm]σ[µm]PXD：1 layer
BG:lum.=1 1034cm-2s-1x0x2

L=1 1034cm-2s-1x5x0[ビームバックグラウンド量]x2

L=8 1035cm-2s-1x5[ビームバックグラウンド量]• PXD1層では、現状の数倍のビームバックグラウンド量になると崩壊点位置分解能の悪化がある。PXD2層なら、そのどちらかに飛跡とマッチするヒット点が見つかればよいので、設計ルミノシティでも崩壊点位置分解能は悪化しない。

2020/02/14

修士論文発表会!22

再構成効率 まとめ
efficiency[%]

PXD：2 layers
BG:lum.=8 1035cm-2s-1

efficiency[%]

PXD：1 layer
BG:lum.=1 1034cm-2s-1x0x2

L=1 1034cm-2s-1x5[ビームバックグラウンド量]x0x2

L=8 1035cm-2s-1

x5[ビームバックグラウンド量]• 設計されたルミノシティまでは再構成効率の低下は見られない。
• しかし設計されたルミノシティを超えると再構成効率の低下が深刻になる。
2020/02/14

修士論文発表会!23

目次• イントロダクションー Belle II 実験
ー 時間依存CP非保存を測定するにはー 研究動機

• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(モンテカルロシミュレーション)• 崩壊点位置分解能の見積もり(モンテカルロシミュレーション)• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!24

実データでのμ+μ-, e+e-, Kπ の不変質量分布
J/ψ→μ+μ-J/ψ→e+e-

K*0→K+π-3• 設定した不変質量の領域（縦赤点線）にJ/ψとK*0のピークが見えている。

Events / 0.006 GeV/c2×10140120100806040

Belle II2019 preliminary∫-1

L dt = 2.62 fb

2000.70.75

0.80.85

0.90.95

1MKπ [GeV/c2]

2020/02/14

修士論文発表会!25

1210ΔE

Belle II2019 preliminary∫∆E [GeV]

14

0.15
0.1

-1

L dt = 2.62 fb

0.05

8−0.054−0.1

2−0.15−0.1 −0.05

00.05

0.1

∫-1

L dt = 2.62 fb

0.2−0.2
5.2 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.3∆E [GeV]Mbc [GeV/c2]

0.152• B0 → J/ψ(→μ+μ-) K*0とB 0 → J/ψ(→e + e - ) K* 0 モードを合わせて、Mbc分布のフィット（信号＝Gaussian、バックグラウンド＝Argus：位相空間に従うバックグラウンド分布）により、信号＝48.6

Belle II2019 preliminary

060−0.2 −0.15

ΔE vs Mbc

0.2

5.2事

4.9事象)を得た。

（バックグラウンド＝2.425

Belle II2019 preliminary

20∫

15107.0事象(μ+μ-：25.1

象、e+e-：23.7

Events / (0.002 GeV/c )Events / (0.008 GeV)

0+0
実データでのB →J/ψ(→l l )K* 事象

1.7事象）

Mbc-1

L dt = 2.62 fb

GaussianArgus

505.2 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.3
Mbc [GeV/c2]

2020/02/14

修士論文発表会!26

目次• イントロダクションー Belle II 実験
ー 時間依存CP非保存を測定するにはー 研究動機

• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(モンテカルロシミュレーション)• 崩壊点位置分解能の見積もり(モンテカルロシミュレーション)• B0 → J/ψ K*0 (→K+π-) 崩壊の再構成(2.62 fb-1の実データ)• まとめ
2020/02/14

修士論文発表会!27

まとめ (B0→J/ψK*0(→K+π-)の再構成)-1の実データを解析した結果
2.62fb•ーB0→J/ψ(→l+l-)K*0では信号＝48.67.0事象が得られ、信号事象の期待値61事象と無矛盾であった。

• 背景事象が極めて少ないことが確認できた(Belle実験やBaBar実験における先行研究に基づいた期待と無矛盾)。

• 崩壊点位置分解能やフレーバータグ誤認率の較正にはさらに高統計データ蓄積が必要。

2020/02/14

修士論文発表会!28

まとめ (MC:崩壊点位置分解能)μ+μ-でB0の崩壊点を再構成
K+π-でB0の崩壊点を再構成
タグ側のB0の崩壊点
J/ψ崩壊点とK*0崩壊点のz座標の差

位置分解能[um]33.7 1.1
93.7 2.4
95.2 2.3
109.1 4.0

• B0→J/ψK*0(→K+π-)モードでの崩壊点位置分解能を確認した。
• K*0とJ/ψで再構成した崩壊点のz座標の差は、MCによる真の崩壊点の情報が不要なので、MCと実データの間で直接比較でき、崩壊点の位置分解能の較正に有効。

• PXDが2層になるとビームバックグラウンドが増えた場合でも良い崩壊点位置分解能を保持できる。

• データ蓄積量の増加とともに、この崩壊モードの事象をB中間子崩壊点の位置分解能及びフレーバータグ誤認率の較正に活用。
2020/02/14

修士論文発表会!29