Report number : CERN-THESIS-2017-496
- [ENG] Study of the charmonium resonances in $B^+ \to p \bar{p} K^+$ and $B^+ \to p \bar{p} \gamma K^+$ decays with the LHCb experiment at CERN
- [ITA] Studio delle risonanze di stati di charmonium nei decadimenti $B^+ \to p \bar{p} K^+$ e $B^+ \to p \bar{p} \gamma K^+$ con l'esperimento LHCb al CERN
Gli stati di quarkonium, formati dalla combinazione quark-antiquark ($q\bar{q}$), sono descritti nel Modello Standard. Lo spettro energetico delineato dalla cromodinamica quantistica (QCD) è caratterizzato da stati che si differenziano per massa, larghezza e numeri quantici, quali momento angolare, parità $P$ e parità $C$.
Il lavoro di questa tesi si è quindi focalizzato sullo studio del charmonium, cioè il sistema $c\bar{c}$, prodotto nel decadimento del mesone $B^+$. I dati analizzati sono stati raccolti nel corso del 2015 e del 2016 dall'esperimento LHCb del CERN, uno spettrometro di massa in avanti dedicato alla fisica dei quark $b$ e $c$.
Lo studio del canale di decadimento $B^+ \to (c \bar{c}) K^+$ con $c \bar{c} \to p \bar{p}$ permette di distinguere vari stati di charmonium. La selezione del decadimento $B^+ \to p\bar{p} K^+$ è stata ottimizzata studiando la distribuzione della massa invariante della combinazione $p\bar{p} K^+$ a cui è seguita la sottrazione del fondo combinatorio grazia alla tecnica statistica $s\mathcal{P}$lot.
L'analisi della distribuzione in massa invariante $p\bar{p}$ del campione selezionato mette in evidenza eccessi compatibili con gli stati $\eta_c$, $J/\psi$, $\chi_{c0}$, $\chi_{c1}$, $\chi_{c2}$ e $\psi(2S)$.
I valori di massa e larghezza ottenuti dalla parametrizzazione della distribuzione sono compatibili con le medie mondiali [1] e confermano, con un campione di dati indipendente, l'osservazione del decadimento $\eta_c(2S) \to p\bar{p}$ recentemente riportata dalla collaborazione LHCb [2].
Ad oggi, la produzione dello stato $h_c$ nel decadimento di adroni-$b$ non è mai stata osservata, nonostante ne esistano alcune indicazioni.
Nel lavoro di tesi si è affrontata la ricerca del canale $B^+ \to h_c K^+$ con $h_c \to \eta_c \gamma$ e $\eta_c \to p \bar{p}$, affiancato dal canale di controllo $B^+ \to \chi_{c1} K^+$ con $\chi_{c1} \to J/\psi \gamma$ e $J/\psi \to p \bar{p}$.
La parità $C$ garantisce che le due catene di decadimento rimangano separate, permettendo di distinguere lo stato $h_c$ da $\chi_{c1}$ che, con una differenza in massa di pochi MeV, risulterebbero altrimenti sovrapposti.
La catena di decadimento $B^+ \to \chi_{c1} K^+$ con $\chi_{c1} \to J/\psi \gamma$ e $J/\psi \to p \bar{p}$ è stata messa in evidenza per prima volta ad LHCb, mentre non si è osservato segnale per il decadimento $B^+ \to h_c K^+$.
Si è quindi inoltrata una richiesta ufficiale di produzione Monte Carlo indispensabile per il calcolo delle efficienze di entrambi i canali e per migliorare la strategia di selezione con l'applicazione di tecniche di analisi multivariata, in vista di un'estensione ad un campione più ampio.
- Particle Data Group, C. Patrignani et al., Review of particle physics, Chin. Phys. C40 (2016) 100001
- Collaborazione LHCb, R. Aaij et al., Observation of $\eta{c}(2S) \to p \bar{p}$ and search for $X(3872) \to p \bar{p}$ decays_, Phys. Lett. B769 (2017) 305
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M. Barbetti, Studio delle risonanze di stati di charmonium nei decadimenti $B^+ \to p \bar{p} K^+$ e $B^+ \to p \bar{p} \gamma K^+$ con l'esperimento LHCb al CERN, Bachelor's thesis, University of Florence, 2017
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