Czech Technical University in Prague DOCTORAL THESIS

Transkript

1 Czech Technical University in Prague Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering DOCTORAL THESIS CERN-THESIS /10/2015 Search for B! µ + µ Decays with the Full Run I Data of The ATLAS Experiment. Thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy abbreviated to Ph.D. Praha 2015 Jaroslav Günther

2

3 Bibliografický záznam Jméno autora: Ing. Jaroslav Günther Vysoká škola: České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská Katedra Fyziky Břehová 7, Praha 1 Název práce: Search for B! µ + µ Decays with the Full Run I Data of The ATLAS Experiment. Studijní program: Aplikace přírodních věd Studijní obor: Jaderné inženýrství Školitel: prom.fyz. Václav Vrba, CSc. Poradci specialisté: Dr. Alessandro Cerri (UK Sussex), Dr. Sandro Palestini (CERN) Akademický rok: 2014/2015 Počet stran: 208 Klíčová slova: Rare B decays, FCNC, New Physics, ATLAS, LHC, CERN

4

5 Bibliographic Entry Author: Ing. Jaroslav Günther University: Czech Technical University in Prague Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Department of Physics Břehová 7, Praha 1 Title of Dissertation: Search for B! µ + µ Decays with the Full Run I Data of The ATLAS Experiment. Degree Programme: Application of Natural Sciences Field of Study: Nuclear Engineering Supervisor: prom.fyz. Václav Vrba, CSc. Advisor specialists: Dr. Alessandro Cerri (UK Sussex), Dr. Sandro Palestini (CERN) Academic Year: 2014/2015 Number of Pages: 208 Keywords: Rare B decays, FCNC, New Physics, ATLAS, LHC, CERN

6

7 Abstract Rare B s and B d meson decays into two muons are forbidden at the tree level of the Standard Model. They offer the opportunity to perform genuine probes of Yukawa interactions or Electroweak precision tests and play very important role to find signatures of physics beyond the Standard Model. A brief insight into the theoretical foundations of these decays is given in the introductory section, followed by a section with the ATLAS experiment description, none of which is directly a result of author s own work. The ATLAS Collaboration has been searching for B 0 (s)! µ+ µ decays using merged 2011 p s =7TeV and 2012 p s =8TeV Full Run I Data sample ( 25fb 1 ). The analysis procedure has been firmly established and unblinding of the search region of B 0 (s)! µ + µ is imminent. A sensitivity of the analysis to the B 0 s! µ + µ signal is estimated to be 4.7 ± 1.0. The description of the whole ATLAS B 0 (s)! µ+ µ analysis procedure is given in the third section, where a summary of author s contributions is described as well. The final three sections describe in great detail explicitly author s contributions to the analysis and beyond. The algorithm for the rejection of the ATLAS mis-identified hadrons (as muons) has proven to be very useful not only to separate the signal from the almost indistinguishable peaking background for the B 0 (s)! µ+ µ analysis, but found use also in other physics analysis. Secondly, the branching ratio BR(B 0 (s)! µ+ µ ) measurement on ATLAS is performed with respect to a reference channel decay B ±! J/ K ±, the yield of which was extracted with a very good accuracy. Finally, as a natural outcome from the reference channel yield extraction, a measurement of (B ±! J/ ± )/ (B ±! J/ K ± ) has been found competitive with other measurements and performed in parallel to the main B 0 (s)! µ+ µ the result of 3.9 ± 0.4 stat. ± 1.0 syst. %. analysis on the Full Run I Data with

8

9 Abstract Vzácné rozpady B s a B d mesonů na dva miony jsou na stromové úrovni Standardního modelu zakázány a probíhají pouze prostřednictvím Feynmanovych diagramů vyšších rádů. Tyto čistě mionové rozpady nabízí teoretické předpovědi s malou neurčitostí, jejichž experimentální ověřování je velmi důležité pro hledání fyziky za Standardním Modelem. Stručný náhled do teorie je podán v prvni kapitole práce, za kterou následuje popis experimentu ATLAS. Tyto kapitoly nejsou úzce spojeny s autorovou vlastní prací. Kolaborace ATLAS hledala rozpady B(s) 0! µ+ µ na sjednocených datech let 2011 p s =7 TeV a 2012 p s =8TeV ( 25fb 1 ). Celá procedura analýzy byla schválena za konečnou a odkrytí signální oblasti dat nastane velmi brzy. Sensitivita hledání B(s) 0! µ+ µ na ATLAS detektoru byla vyhodnocena na 4.7 ± 1.0. Popis všech hlavních kroků ATLAS analýzy B(s) 0! µ+ µ je podán v třetí sekci práce, kde autor také v nekolika podkapitolách zmiňuje svůj příspěvek. Poslední tři kapitoly popisují do detailu vlastní práci autora v rámci hledání rozpadů B(s) 0! µ+ µ i mimo něj. Metoda pro potlačení ATLAS detektorem mis-identifikovaných hadronů za miony se ukázala velmi užitečnou, nejen k separaci signálu B(s) 0! µ+ µ od téměř neodlišitelného pozadí B! hh 0,aleipro dalši fyzikálni analýzy. Větvící poměr BR(B(s) 0! µ+ µ ) je měřen na ATLAS detektoru vzhledem k referenčnímu rozpadu B ±! J/ K ±, jehož výtěžek z dat byl změřen s dobrou přesností. Nakonec, jako přirozeně paralelní měření fitu výtěžku B ±! J/ K ± bylo naměřeno (B ±! J/ ± )/ (B ±! J/ K ± )=3.9 ± 0.4 stat. ± 1.0 syst. %.