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Determination of the b-hadron production cross-section and measurement of CP violation in B_s^0 → φφ decays at the LHCb experiment

Neuner, Max

German Title: Bestimmung des Produktionswirkungsquerschnitts von b Hadronen und Messung von CP Verletzung im Zerfall B_s^0 → φφ

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Abstract

The production cross-sections of beauty hadrons in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of \sqrt{s} = 7 TeV and \sqrt{s} = 13 TeV are determined with semileptonic b-hadron decays in the first part of this thesis. Using the collected data samples that correspond to integrated uminosities of L = 284 pb^{−1} and L = 4.60 pb^{−1}, the cross-sections in the LHCb acceptance, the range in pseudorapidity η from 2 to 5, are determined to be 69.0 ± 0.3(stat) ± 6.1(syst) μb and 137.5 ± 1.1(stat) ± 12.8(syst) μb at \sqrt{s} = 7 TeV and \sqrt{s} = 13 TeV, respectively. A good agreement of the η-dependent cross-sections and their ratios is found between the data and theoretical fixed-order next-to-leading log (FONLL) calculations. The production rate of b hadrons allows for precision measurements of physics parameters in rare b-hadron decays that offer a great sensitivity to test the quantum corrections predicted by the Standard Model and to probe possible contributions from physics beyond the Standard Model. Time-dependent CP violation in B_s^0 → φφ decays is a sensitive observable which could be influenced by new heavy degrees of freedom contributing to the loop-induced B_s^0 mixing and decay processes. The measurement of CP violation in this decay mode is performed in the second part of this thesis with the LHC Run I dataset corresponding to an integrated luminosity of 3 fb^{-1}. The CP-violating phase is determined to be φ_s (B s 0 → φφ) = −0.17 ± 0.15 (stat) ± 0.03 (syst) rad which is compatible with Standard-Model predictions of zero. No evidence for physics beyond the Standard Model is found. Most of LHCb’s current measurements are limited by statistical uncertainties. To overcome this shortcoming, LHCb plans to upgrade the detector after 2018. Starting in 2021, the detector can be operated at a higher instantaneous luminosity with a triggerless 40 MHz readout system. Amongst others, the current main tracking detector will be replaced by a scintillating fibre detector. The third part of this thesis presents the measurement of the performance of prototype modules of this tracking detector. The spatial resolution is determined to be 77.2 ± 1.3 μm and the single-hit detection efficiency is measured as 98.8 ± 0.1%, which meets the requirements of the new tracking detector.

Translation of abstract (German)

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird der Produktionswirkungsquerschnitt von b Hadronen in Proton-Proton Kollisionen bei Schwerpunktsenergien von \sqrt{s} = 7 TeV und \sqrt{s} = 13 TeV mit Hilfe semileptonischer b Hadronzerfällen gemessen. Mit Datensatzen, die integrierten Luminositäten von L = 284 pb^{−1} bzw. L = 4.60 pb^{−1} entsprechen, werden die Wirkungsquerschnitte für einen Pseudorapiditätsbereich η von 2 bis 5, zu 69.0 ± 0.3 (stat) ± 6.1 (syst) μb bzw. 137.5 ± 1.1 (stat) ± 12.8 (syst) μb für \sqrt{s} = 7 TeV bzw. \sqrt{s} = 13 TeV bestimmt. Die η-Abhängigkeit der beiden Wirkungsquerschnitte und deren Verhältnis stimmen mit theoretischen fixed-order next-to-leading log (FONLL) Berechnungen überein. Diese hohe Produktionsrate von b Hadronen ermöglicht Präzisionsmessungen von physikalischen Parametern in sehr seltenen Zerfällen von b Hadronen. Viele dieser Zerfälle sind im Standardmodell nur aufgrund von Quantenkorrekturen möglich. Mögliche Beitrage neuer Physik jenseits des Standardmodells modifizieren die Quantenkorrekturen und führen zu messbaren Abweichungen in den Observablen. Die zeitabhängige CP Verletzung in B s 0 → φφ Zerfällen ist eine Observable, die eine hohe Sensitivität für Beitrage neuer Physik aufweist. Die Messung der zeitabhängigen CP Verletzung für diesen Zerfall wird im zweiten Teil dieser Arbeit anhand des Datensatzes des LHC Run I mit einer integrierten Luminosität von 3 fb^{-1} vorgestellt. Die CP-verletzende Phase wird zu φ_s (B s 0 → φφ) = −0.17 ± 0.15 (stat) ± 0.03 (syst) rad bestimmt, was im Einklang mit der Standardmodellvorhersage von Null steht. Es werden somit keine Hinweise auf Beiträge neuer Physik gefunden. Die meisten derzeitigen LHCb Messungen sind durch statistische Unsicherheiten limitiert. Um dieses Defizit zu überwinden, wird der LHCb Detektor bis Anfang 2021 umgebaut, damit er bei einer höheren Luminosität und einer Datenausleserate von 40 MHz betrieben werden kann. Unter anderem wird der Hauptspurrekonstruktionsdetektor durch einen Detektor mit szintillierenden Fasern ersetzt. Der dritte Teil dieser Arbeit präsentiert die Messung der Eigenschaften von Prototypen eines solchen Detektors. Die Ortsauflösung wird zu 77.2 ± 1.3 μm und die Detektionseffizienz eines einzelnen Teilchens zu 98.8 ± 0.1% bestimmt. Damit erfüllt er die Anforderungen, die an den neuen Detektor gestellt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Uwer, Prof. Dr. Ulrich
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 21 June 2017
Date Deposited: 25 Aug 2017 05:45
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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