Study of the b-quark properties with the first ATLAS data
Authors: Νομίδης Ιωάννης 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη μελέτη των ιδιοτήτων του μεσονίου B+ μέσω της ανάλυσης των πρώτων δεδομένων του LHC στο CERN από συγκρούσεις πρωτονίων σε ενέργεια κέντρου μάζας sqrt{s}=7 TeV. Τα δεδομένα καταγράφηκαν από τον ανιχνευτή ATLAS την περίοδο 2010-2011 και προσφέρουν τη δυνατότητα για νέες μελέτες της φυσικής του κουάρκ b με δύο συγκεκριμένους στόχους: α) να επιβεβαιώσουν την καλή απόκριση του ανιχνευτή αναπαράγοντας τις γνωστές ιδιότητες των βαριών μεσονίων και β) να δώσουν τα πρώτα αποτελέσματα φυσικής στις ενέργειες του LHC. Καθώς το μεσόνιο B+ αποτελείται από ένα αντι-κουάρκ b και ένα ελαφρύτερο κουάρκ, το u, συνιστά ιδανικό εργαλείο για να μελετήσουμε τις ιδιότητες του κουάρκ b, μέσω της διάσπασής του σε μεσόνια J/ψ και K+, όπου τα J/ψ διασπώνται σε δύο μιόνια (μ+μ-). H ανάλυση των δεδομένων που συλλέχθηκαν το 2010 (περίπου 40 pb-1 συνολικά) οδήγησε στην παρατήρηση της παραγωγής των μεσονίων B αποδεικνύοντας την ικανότητα του ανιχνευτή ATLAS να ανακατασκευάζει διασπάσεις του τύπου B --> J/ψ X. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η μέτρηση της μάζας και του χρόνου ζωής του μεσονίου Β με τη μέθοδο του ταυτόχρονου προσδιορισμού. Αναπαράγοντας τις τιμές των ιδιοτήτων αυτών, γνωστές και καλά προσδιορισμένες από προηγούμενα πειράματα, αναδεικνύεται η εξαιρετική απόκριση και απόδοση του εσωτερικού ανιχνευτή και των αλγορίθμων ανακατασκευής. Ήδη με τα πρώτα δεδομένα πιστοποιείται η σωστή λειτουργία του ανιχνευτή ενόψει των μετρήσεων και ανακαλύψεων που ακολουθούν. Το κύριο αποτέλεσμα φυσικής της παρούσας διατριβής είναι η μέτρηση της ενεργού διατομής παραγωγής B μεσονίων με δείγμα 2.4 fb-1 των δεδομένων που συλλέχθηκαν το 2011. Η ενεργός διατομή παραγωγής μετρήθηκε ως συνάρτηση της εγκάρσιας ορμής του μεσονίου B, εκτείνοντας αντίστοιχες μετρήσεις που έγιναν πρόσφατα από τα πειράματα CMS και LHCb στην ίδια ενέργεια των 7 TeV σε μεγαλύτερες τιμές εγκάρσιας ορμής μέχρι περίπου τα 100 GeV. Για πρώτη φορά ήταν δυνατή η σύγκριση των αποτελεσμάτων με θεωρητικές προβλέψεις της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής ώστε να διαπιστωθεί η ισχύς των θεωρητικών υπολογισμών στις ενέργειες του LHC, ειδικά μετά τις πρόσφατες βελτιώσεις στους θεωρητικούς υπολογισμούς που πραγματοποιήθηκαν με βάση προηγούμενα δεδομένα από το Tevatron. Επιπρόσθετα, ο έλεγχος των θεωρητικών υπολογισμών έγινε σε μεγαλύτερο εύρος ωκύτητας και εγκάρσιας ορμής από αυτό που είχε μελετηθεί στο παρελθόν, καθώς οι περιοχές αυτές έγιναν προσβάσιμες και πειραματικά μέσω των αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής. Οι μετρήσεις της ενεργού διατομής συγκρίνονται με προβλέψεις από διαφορετικά θεωρητικά πλαίσια, όπως το POWHEG και το MC@NLO αλλά και με προβλέψεις της μεθόδου FONLL, τα οποία λαμβάνουν υπόψη υπολογισμούς υψηλότερης τάξης σε διαγράμματα Feynman και προσεγγιστικές τεχνικές άθροισης λογαρίθμων. Σε όλες τις περιπτώσεις διαπιστώνεται καλή συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις, ιδιαίτερα στην περιοχή μεγάλων τιμών εγκάρσιας ορμής, όπου οι προσεγγίσεις των υπολογισμών από τα παραπάνω θεωρητικά πλαίσια είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες. Οι μετρήσεις που παρουσιάζονται φέρουν συνολική αβεβαιότητα μικρότερη αυτής των θεωρητικών προβλέψεων, δίνοντας έτσι κίνητρο για την πραγματοποίηση νέων θεωρητικών υπολογισμών καλύτερης ακρίβειας.