Study of the b-quark properties with the first ATLAS data

Abstract

In this doctoral thesis a study of the properties of the B+ meson is presented, analyzing the first pp collision data at sqrt{s}=7 TeV recorded with the ATLAS detector at the LHC at CERN in 2010-2011. The first data from the LHC provide an excellent opportunity for B-physics studies with two important goals: a) to validate the performance of the detector by reproducing well-known properties of heavy-flavor mesons and b) to provide the first physics results from the LHC. The B+ meson consists of a b anti-quark and a u quark, with the b being much heavier than the light u quark. The decay of B+ mesons to J/ψ K+, with J/ψ mesons decaying to two muons, is an ideal testbed for extended studies on b-quark properties. This thesis presents an analysis of the data recorded in 2010 (about 40 pb-1 in total) that led to the observation of the production of B mesons, demonstrating the ability of the ATLAS detector to reconstruct exclusive B --> J/ψ X decays. Next, a simultaneous measurement of the mass and lifetime of B mesons is presented, in good agreement with the world-average values. By reproducing these well-known properties, the excellent performance of the inner detector system and the vertex reconstruction algorithms is demonstrated already with the first ATLAS data and its proper functioning is validated in light of the physics measurements and discoveries that follow. The main physics result of this thesis is the measurement of the B+ production cross-section with 2.4 fb-1 of data collected in 2011. The cross-section was measured as a function of transverse momentum and rapidity of B+ mesons, extending recent measurements by the CMS and LHCb experiments at sqrt{s}=7 TeV to a higher transverse momentum region, up to about 100 GeV. The comparison of results with theoretical predictions of Quantum Chromodynamics is interesting in order to assess their validity at the new energy regime, especially after recent developments in the calculations that also showed good agreement with data from Tevatron. Moreover, comparisons are made in wider rapidity and transverse momentum ranges than what was previously studied. The measured cross-sections are compared with predictions obtained with the POWHEG and MC@NLO theoretical frameworks and with predictions of the FONLL approach, comprising next-to-leading-order calculations and resummation techniques. Good agreement is found with the measurements provided by this doctoral thesis, especially in the high-pT region, where the approximations used in the calculations within these frameworks are particularly sensitive. The measurements presented in this doctoral thesis provide points with total uncertainty smaller than that of the theory predictions, thus providing a motivation for theorists to improve the theoretical uncertainties.

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.