Study of the B-S-meson with the first LHC data

Abstract

After more than twenty years of development, collisions at the Large Hadron Collider at CERN are expected to take place at the end of 2009. The aim of the CMS detector is to measure the particles emerging from these interactions. The innermost detector of this high energy experiment is a silicon pixel detector starting only 4 cm apart from the interaction point. Its main goal is to measure tracks and vertices with high precision. Charged particles passing the silicon pixel detector produce charge carriers that drift in a high electric field (Vbias ≈ 100 − 600 V). Due to the magnetic field of 3.8 T present in the inner part of the CMS detector, charge carriers experience an angular deflection due to the Lorentz force. This leads to a shift in the measured hit coordinate (Lorentz drift). The first part of this thesis presents a measurement of the Lorentz drift based on cosmic data taken in autumn 2008. The drift is approximately 66 µm for the barrel detector and 20 µm for the forward detectors. Furthermore, a method to measure the Lorentz drift from collision data is developed. This is necessary because tracks from collision data cover a different range of incident angles on the detector surface than cosmic rays: In general, in the plane transverse to the beam axis cosmic rays traverse the silicon sensors at larger angles than particles originating from the collision point. This method will allow to monitor the Lorentz drift as the bias voltage is increased to compensate for irradiation damages. In the second part of this thesis, a physics analysis to measure various properties of the Bs-meson system is developed. The pixel detector allows a precise measurement of the Bs decay vertices which are displaced from the proton-proton interaction point. Thus it is the key detector component for this analysis. A decay time-dependent angular analysis is performed on selected Bs → J/ψ(→ µ+ µ− )φ(→ K + K −) events. With an integrated luminosity of 1.3 fb−1, the width difference ∆Γs between the CP eigenstates BsL and BsH could be extracted with an uncertainty of 0.028 ps−1, yielding a better measurement than the one currently available from Tevatron (CDF measures ∆Γs = 0.02 ± 0.05(stat.) ± 0.01(sys.) ps−1 [1] and D0 ∆Γs = 0.085+0.072 (stat.) ± −0.078 0.06(sys.) ps−1 [2]). On the other hand, the CP-violating phase in this decay is expected to be very small in the Standard Model (φs ≈ −0.03). However, the angular analysis proposed here would be sensitive to non-Standard Model contributions, which are expected to be rather large. Nach über 20 Jahren Entwicklungsarbeit werden Ende 2009 die ersten Proton-ProtonKollisionen am LHC in Genf erwartet. Der CMS Detektor wird die bei diesen Kollisionen erzeugten Elementarteilchen registrieren. Die innerste Komponente dieses Grossexperimentes wird von einem Silizium-Pixeldetektor gebildet, dessen Messbereich nur 4 cm vom Wechselwirkungspunkt entfernt beginnt. Hauptaufgabe dieses Pixeldetektors ist die präzise Vermessung von Teilchenspuren und deren Zerfallsvertices. Beim Durchgang geladener Teilchen durch den Silizium-Pixeldetektor werden freie Ladungsträger erzeugt, welche sich in einem starken äusseren elektrischen Feld bewegen (Vbias ≈ 100 − 600 V). Da im zentrum des CMS-Detektors ein magnetisches Feld von 3.8 T herrscht, unterliegen die Ladungsträger einer zusätzlichen Ablenkung infolge der Lorentzkraft. Dies führt zu einer Verschiebung in der gemessenen Hit-koodinate (Lorentz-Verschiebung). Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Messung der Lorentz-Verschiebung vorgestellt, die auf einer Messung kosmischer Teilchen im Herbst 2008 beruht. Die Verschiebung beträgt durchschnittlich 66 µm für den Barrel-Pixeldetektor und 20 µm für den Vorwärts-Pixeldetektor. Weiterhin wird eine Methode entwickelt, die die Bestimmung der Lorentz-Verschiebung aus Kollisionsdaten gestattet. Die Entwicklung einer solchen Methode war notwendig, da Spuren, welche von Wechselwirkungspunkt kommen einen anderen Bereich im Einfallswinkel abdecken als kosmische Spuren. In der Ebene senkrecht zur Strahlröhre passieren kosmische Teilchen den Pixeldetektor im allgemeinen mit einem grösseren Winkel als Teilchen, welche vom Wechselwirkungspunkt kommen. Mit Hilfe der vorgestellten Methode lässt sich die Änderung der Lorentz-Verschiebung messen, die über die Laufzeit des Experiments infolge zunehmender Strahlenschäden und einer dadurch notwendingen Erhöhung der Bias-Spannung im Pixeldetektor erwartet wird. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine Methode zur Messung verschiedener Eigenschaften des Bs-Meson-Systems entwickelt. Der Pixeldetektor ist die für diese Analyse wichtigste Detektorkomponente, da er die präzise Messung der Entfernung der Bs Zerfallsvertices vom Proton-Proton-Wechselwirkungspunkt erlaubt. Eine Zerfallszeitabhängige Winkelanalyse wird auf Bs → J/ψ(→ µ+ µ− )φ(→ K + K − ) Ereignisse angewendet, die geeignete Selektionskriterien erfüllen. Die Analyse einer integrierten Luminosität von 1.3 fb−1 gestattet die Bestimmung der Zerfallsbreiten-Differenz ∆Γs zwischen den CP-Eigenzuständen BsL und BsH mit einer Unsicherheit von 0.028 ps−1 , was eine Verbesserung der bisher verfügbaren Messungen vom Tevatron darstellt (Messungen bei CDF ergaben ∆Γs = 0.02 ± 0.05(stat.) ± 0.01(sys.) ps−1 [1] und bei D0 ∆Γs = 0.085+0.072 (stat.) ± 0.06(sys.) ps−1 [2]). Das Standardmodel sagt für die −0.078 CP-verletzende Phase bei diesem Zerfall einen sehr kleinen Wert voraus (φs ≈ −0.03). Die hier vorgeschlagene Winkelanalyse ist sensitiv gegenüber Beiträgen von Prozessen jenseits des Standardmodells, welche einen vergleichsweise grossen Wert ergeben