Observation of e+e−→π+π−π0χbJe^+e^- \to \pi^+ \pi^- \pi^0 \chi_{bJ} and search for Xb→ωΥ(1S)X_b \to \omega \Upsilon(1S) at s∼10.867\sqrt{s}\sim 10.867 GeV

The $e^+e^- \to \pi^+ \pi^- \pi^0 \chi_{bJ}$ ($J=0,~1,~2$) processes are studied using a 118~fb$^{-1}$ data sample collected at a center-of-mass energy of 10.867 GeV, in the $\Upsilon(10860)$ energy range, with the Belle detector. The $\pi^+ \pi^- \pi^0 \chi_{b1}$, $\pi^+\pi^-\pi^0\chi_{b2}$, $\omega\chi_{b1}$ signals and the evidence of $\omega\chi_{b2}$ are observed for the first time and the cross sections are measured. No significant $\pi^+\pi^-\pi^0\chi_{b0}$ or $\omega\chi_{b0}$ signal is observed and 90\% confidence level upper limits on the cross sections for these two processes are obtained. In the $\pi^+\pi^-\pi^0$ invariant mass spectrum, significant non-$\omega$ signals are also observed. We search for the $X(3872)$-like state with a hidden $b\bar{b}$ component (named $X_b$) decaying into $\omega \Upsilon(1S)$; no significant signal is observed with a mass between $10.55$ and $10.65$ GeV/$c^2$.Comment: 7 pages, 3 figures, accepted for publication as a Letter in Physical Review Letter

Measurement of the decay B [zu] Dlnu in fully reconstructed events and determination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element Vcb

Zusammenfassung in deutscher SpracheDie Physik subatomarer Teilchen wird durch das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. In der mathematischen Formulierung einer Quanteneichfeldtheorie beschreibt es die Phänomene von Elektromagnetismus, der schwachen und der starken Wechselwirkung. Innerhalb des tandardmodells werden Übergänge zwischen Quarks unterschiedlicher Generationen durch den sogenannten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-Mechanismus beschrieben. Der CKM-Mechanismus wird dargestellt durch die unitäre 3x3 CKM-Matrix V, welche Massen-Eigenzustände der Quarks in ihre schwachen Eigenzustände rotiert. Die Unitarität reduziert die freien Parameter der CKM-Matrix auf drei Winkel und eine komplexe Phase. Diese sind fundamentale Parameter des Standardmodells, das heißt sie werden darin nicht vorhergesagt und müssen experimentell bestimmt werden. Das Ziel dieser Analyse ist die Messung des Betrags von Vcb - jenem Element der CKM-Matrix, welches für Übergänge von Bottom-Quarks zu Charm-Quarks verantwortlich ist. Die höchstmögliche Präzision in der Messung von |Vcb| kann durch die Analyse semileptonischer B-Meson Zerfälle erreicht werden. Die B-Mesonen für diese Analyse wurden am Belle Experiment am KEKB Elektron-Positron eschleuniger in Tsukuba, Japan über die Y(4S)-Resonanz produziert. Eine hohe Luminosität und der dominante Zerfallsmodus Y(4S)->B anti-B ergeben einen Datensatz reich an B-Mesonen. In jüngster Zeit gibt es ein gestiegenes Interesse an |Vcb|-Messungen mit semileptonischen B-Zerfällen, das sich darin begründet, dass die beiden am besten gemessenen Zerfallskanäle B->D*lnu und B->Xclnu Diskrepanzen in der Größe von zwei bis drei Standardabweichungen zeigen. In dieser Arbeit wird der Zerfall B->Dlnu zum ersten Mal mit dem vollen Belle-Datensatz an der Y(4S) Resonanz analysiert, welcher rund 770 Millionen B anti-B Ereignisse beinhaltet, um Einsichten in diese Diskrepanz zu erhalten und |Vcb| mit höherer Präzision zu bestimmen. Einer der zentralen Aspekte dieser Arbeit ist die volle Rekonstruktion von Ereignissen durch Zusammensetzen auch des zweiten B-Mesons aus dem Y(4S)->B anti-B Zerfall in einem hadronischen Modus. Dies führt zu der Kenntnis der Viererimpulse aller Teilchen eines Ereignisses mit Ausnahme des Neutrinos. Auf dieses kann man jedoch durch Viererimpulserhaltung Rückschlüsse ziehen und somit Signal von Untergrund trennen. Der dazu verwendete Parameter ist die fehlende rekonstruierte Masse in dem Ereignis. Die volle Rekonstruktion resultiert in einer starken Reduktion von kombinatorischem Untergrund und erhöht die Präzision, mit der die Kinematik des Zerfalls gemessen werden kann. Die Extraktion von |Vcb| führt über die differentielle Zerfallsbreite von B->Dlnu. Diese kann in einen leptonischen Strom und einen Formfaktor, welcher die hadronische Komponente beschreibt, faktorisiert werden. Ich messe die differentielle Zerfallsbreite in 10 Bins der kinematischen Variable w=vB*vD, wobei vB und vD jeweils die Vierergeschwindigkeiten des B- und D-Mesons sind. Um |Vcb| zu berechnen, nutze ich Formfaktor-Berechnungen von Gitter-QCD Gruppen und zwei verschiedene Methoden der Formfaktor-Parametrisierung. Ich interpretiere die gemessenen Zerfallsbreiten zuerst mit der Parametrisierung von Caprini, Lellouch und Neubert, und verwende eine Messung des Formfaktors bei w=0 der FNAL/MILC Kollaboration. Daraus erhalte ich den Wert |Vcb|*eta=(40.12+-1.34)10 -3, wobei eta nicht faktorisierbare elektroschwache Korrekturen beinhaltet. Eine etwas höhere Präzision konnte ich erreichen, indem ich die modellunabhängige Parametrisierung von Boyd, Grinstein und Lebed und mehrere Formfaktor-Daten von den Kollaborationen FNAL/MILC und HPQCD in einem kombinierten Fit verwendet habe. Dies resultiert in dem Wert |Vcb|*eta=(41.10+-1.14)10 -3$. Beide Werte liegen zwischen jenen der Messungen von B->D*lnu und B->Xclnu, ohne eine davon klar zu favorisieren. Des weiteren habe ich die Verzweigungsverhältnisse des Zerfalls B->Dlnu bestimmt und erhalte den gemittelten Wert BR(B0->Dlnu)=(2.31+-0.03(stat)+-0.11(syst))%.The physics of subatomic particles is described by the so-called Standard Model of particle physics. It is formulated as a quantum gauge field theory and successfully describes electromagnetism, weak interaction and strong interaction. Within the Standard Model, the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes the transitions between quarks of different generations. This is expressed in the 3x3 CKM matrix V which rotates the mass eigenstates of quarks into their weak eigenstates. The unitarity of the matrix constrains it to 4 independent values: 3 angles and 1 complex phase. These are fundamental parameters of the Standard Model and thus need to be determined experimentally. The aim of this analysis is to measure the magnitude of Vcb, the entry in the CKM matrix responsible for the transition of bottom to charm quarks. The highest precision available for the determination of |Vcb| can be achieved by analyzing semileptonic B meson decays. The B mesons studied in this thesis were produced at the Belle experiment at the KEKB electron-positron collider in Tsukuba, Japan via the Y(4S) resonance. This offers a perfect environment for the study of semileptonic B decays due to the high luminosities and the dominant decay mode of Y(4S)->B anti-B, resulting in a data sample very rich in B mesons. Recent years have seen a lot of interest in semileptonic B decays due to discrepancies in the order of two to three standard deviations in |Vcb| between the best measured decay modes B->D*lnu and B->Xclnu. In this analysis B->Dlnu is analyzed for the first time using the full Belle data sample at the Y(4S) resonance containing about 770 million B anti-B pairs to give insight into this problem and to increase the precision of the value of |Vcb|. One of the key components of this thesis is the full reconstruction of events by also assembling the second B meson from the Y(4S)->B anti-B decay in a hadronic mode. This results in the knowledge of the kinematics of all involved final state particles with exception of the neutrino. 4-momentum conservation can then be used to infer the neutrino and distinguish signal from background via the mass missing in the decay. Full reconstruction greatly reduces combinatorial background and allows for high precision measurements of the B->Dlnu decay kinematics. |Vcb| is extracted using the differential decay width of B->Dlnu which can be decomposed into the leptonic current and a form factor describing the hadronic components. I determine the B->Dlnu decay width in 10 bins of the kinematic variable w=vB*vD, where vB and vD are the 4-velocities of the B and D mesons. In order to measure |Vcb| I use calculations of the form factor by Lattice QCD groups and two different parameterization schemes. Interpreting the decay width with the B->Dlnu form-factor parameterization by Caprini, Lellouch and Neubert and using the predicted form factor at zero hadronic recoil by FNAL/MILC, the value |Vcb|*eta=(40.12+-1.34)10 -3 is obtained, where eta accounts for non-factorizable electroweak corrections. A slightly higher precision is possible utilizing the model-independent form-factor description by Boyd, Grinstein and Lebed and using multiple form-factor data from FNAL/MILC and HPQCD, leading to the value |Vcb|*eta=(41.10+-1.14)10 -3. In relation to |Vcb| determined from B->Xclnu and B->D*lnu, these values fall into the middle, not clearly favoring either. I further determine the branching ratios of the decay B->Dlnu to be BR(B0->Dlnu)=(2.31+-0.03(stat)+-0.11(syst)).11

Track reconstruction in the forward region of the detector ILD at the electron-positron linear collider ILC

Zsfassung in dt. SpracheThema dieser Diplomarbeit ist die Rekonstruktion der Spuren geladener Teilchen im Vorwärtsbereich des International Large Detector (ILD), einem von zwei bestätigten Detektorkonzepten am zukünftigen International Linear Collider (ILC).250 Wörter (max. 5000 Zeichen!) Neuere Ergebnisse am Large Hadron Collider (LHC) lassen vermuten, dass der letzte noch fehlende Baustein des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik, das Higgs-Boson, gefunden wurde. Komplementär zu LHC hätte ein Elektron-Positron Linear-Collider die Fähigkeit, mit hoher Präzision die Eigenschaften des Higgs-Bosons (z.B. Spin, Parität, Kopplungsstärken) zu erforschen, diese mit den Vorhersagen des SM zu vergleichen, und auch annahmefrei zur Suche nach Physik jenseits des SM, wie Supersymmetrie oder zusätzliche Raumdimensionen, beizutragen.Experimente am ILD werden vom Tracking-System dieses Detektors profitieren, das aus einer großen Zeitprojektionskammer (time projection chamber, TPC) und mehreren Silizium-Spurdetektoren besteht, und das eine bisher unerreichte Spurauflösung, Redundanz und Raumwinkel-Hermetizität gewährt. Der Vorwärtsbereich von ILD, welcher den Raum zwischen Strahlrohr und TPC abdeckt, enthält den Forward Tracking Detector (FTD):zwei Arme mit je sieben scheibenförmigen Siliziumdetektoren (zwei Pixel- und fünf doppelseitige Streifen-Detektoren).Um die Hardware-Vorteile von ILD voll nutzen zu können, muss die Software zur Rekonstruktion der Kollisionsereignisse sowohl auf Präzision als auch auf Effizienz ausgerichtet sein. In diesem Zusammenhang wurde vom Autor neue Software zur Spurrekonstruktion im Vorwärtsbereich entwickelt (Pakete KiTrack und ForwardTracking): diese verarbeitet die Signale des FTD mit dem Ziel, die wahren Spuren, welche den FTD durchquert und diese Signale verursacht haben, effizient zu finden und präzise zu rekonstruieren.Die benutzten Methoden basieren auf Algorithmen am neuesten Stand der Technik: einem zellulären Automaten, einem Kalman-Filter, und einem neuralen Hopfield-Netz. Die neuen Softwarepakete folgen einer modernen objektorientierten Philosophie, welche hohe Flexibilität und Wartbarkeit garantiert. Die Ergebnisse zeigen eine überlegene Leistung im Vergleich zu bisher verwendeter Software: gesteigerte Effizienzen, und eine besserer Bewältigung der erwarteten Untergrundsignale was Artefakte, Effizienz und Rechenzeit betrifft. Die in dieser Diplomarbeit vorgestellten Softwarepakete zum Vorwärts-Tracking wurden erfolgreich ins reguläre ILD-Framework zur Rekonstruktion von Kollisionsereignissen implementiert. Sie werden gegenwärtig in den Benchmark-Berechnungen für den Detailed Baseline Design (DBD) eingesetzt - einem Report, der die Machbarkeit und Grundeigenschaften des ILD darlegt, und der um das Jahresende 2012 publiziert werden soll.The subject of this thesis is the reconstruction of charged particle tracks in the forward region of the International Large Detector (ILD), one of two validated detector concepts for the future International Linear Collider (ILC).Recent results from the Large Hadron Collider (LHC) suggest that the last missing piece of the Standard Model (SM) of particle physics, the Higgs boson, could have been found. Complementary to the LHC, an electron-positron linear collider would have the capability to explore with high precision the characteristics of the Higgs boson (e.g. spin, parity, coupling strengths), to compare them against the predictions of the SM, and also give unbiased contributions to the search for physics beyond the SM, such as supersymmetry or extra spatial dimensions. Experiments at ILD will benefit from this detector's tracking system,consisting of a large central time projection chamber (TPC) augmented by several silicon tracking systems, granting unprecedented track resolution, redundancy and angular hermeticity. The forward region of ILD, covering the space between beam tube and TPC, contains the Forward Tracking Detector (FTD): two arms of seven disk-shaped silicon detectors (two Si pixel and five double-sided Si strip detectors). In order to fully exploit ILD's hardware assets, the software for event reconstruction must aim for both the highest level of precision and efficiency. In this context, new software for track reconstruction in the forward region was developed by the author (packages KiTrack and ForwardTracking): it processes the signals of FTD with the goal to efficiently find and precisely reconstruct the genuine tracks that have traversed FTD and caused these signals. The methods used are based on state-of-the-art algorithms: a cellular automaton (CA), a Kalman filter (KF), and a Hopfield neural network (HNN). The new packages follow a modern object-oriented design philosophy, granting high flexibility and maintainability. The results show superior performance w.r.t. older legacy software, yielding higher efficiencies and better handling of the expected background concerning ghost rate, efficiency and processing time.The forward tracking packages presented in this thesis have been successfully implemented into the standard event reconstruction framework of ILD. They are currently used for benchmark event processing for the Detailed Baseline Design (DBD), a report outlining the feasibility and features of the International Large Detector, to be published around the end of this year.12