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Measurement of the Bs mixing phase in the decay Bs -> J/psi phi with the LHCb experiment

Langenbruch, Christoph

German Title: Bestimmung der Bs Mischungsphase im Zerfall Bs -> J/psi phi mit dem LHCb Experiment

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This work presents a method to extract the CP-violating phase phi_s using the Bs meson decay Bs -> J/psi phi. The determination of phi_s is one of the key measurements of the physics program of the LHCb experiment. The phase phi_s arises from the interference between Bs mixing and the decay and is predicted by the Standard Model to be phi_s = (-0.0363 +- 0.0017) rad. Physics processes beyond the Standard Model can affect the Bs mixing amplitude and lead to deviations from this prediction. The precision measurement of phi_s therefore constitutes an indirect search for New Physics. In the scope of this thesis an unbinned maximum likelihood method to extract phi_s has been implemented. Since the decay Bs -> J/psi phi is a pseudoscalar to vector-vector transition the extraction method depends on both decay time and decay angles. Acceptance and resolution effects are also taken into account. The procedure is successfully tested on fully simulated events and fast simulated data. It is used to analyze data taken by the LHCb experiment in 2010 which correspond to an integrated luminosity of 36 pb^-1. With a flavor blind analysis the decay width difference DG_s is determined to be DG_s = (0.084 +- 0.112 +- 0.014) ps^-1 under the assumption of no CP violation. Using a Bs production flavor dependent analysis two-dimensional confidence regions for phi_s and DG_s are extracted. The Standard Model prediction is found to agree within 1.0 standard deviations with the data. In one dimension the confidence interval for phi_s at 68.3% confidence level is determined to be [-2.78, -0.39] rad.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus zur Bestimmung der CP-verletzenden phase phi_s im Zerfall Bs -> J/psi phi vorgestellt. Die Bestimmung von phi_s stellt eine der Kernanalysen des Physik Programms des LHCb Experiments dar. Die Phase phi_s tritt in der Interferenz zwischen Bs Mischung und Zerfall auf und wird im Standardmodell zu phi_s = (-0,0363 +- 0,0017) rad vorhergesagt. Physikalische Prozesse jenseits des Standardmodells können die Bs Mischungsamplitude modifizieren und so zu Abweichungen von dieser Vorhersage führen. Die Messung von phi_s stellt daher eine indirekte Suche nach Neuer Physik dar. Im Kontext dieser Arbeit wurde ein Maximum Likelihood Fit zur Bestimmung von phi_s entwickelt. Da der Zerfall Bs -> J/psi phi einen Übergang eines pseudoskalaren- in zwei Vektorteilchen darstellt hängt der Algorithmus sowohl von der Zerfallszeit als auch den Zerfallswinkeln ab. Akzeptanz- und Auflösungseffekte werden ebenfalls berücksichtigt. Der Algorithmus wurde erfolgreich auf simulierten Daten getestet. Der Algorithmus wird verwendet um Daten zu analysieren welche vom LHCb Experiment im Jahr 2010 aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von 36 pb^-1 entsprechen. Ohne den Flavor des Bs Mesons im Anfangszustand zu berücksichtigen wird der Zerfallsbreitenunterschied DG_s zu DG_s = (0,084 +- 0,112 +- 0,014) ps^-1 bestimmt, wobei der Effekt möglicher CP Verletzung vernachlässigt wurde. Mittels einer Analyse welche Informationen über den Flavor des Bs Mesons im Anfangszustand verwendet werden zweidimensionale Konfidenzregionen für phi_s und DG_s bestimmt. Die Standardmodellvorhersage stimmt mit den Daten innerhalb von 1,0 Standardabweichungen überein. In einer Dimension ergibt sich für phi_s das Konfidenzintervall [-2,78, -0,39] rad für ein Konfidenzniveau von 68,3%.

Document type: Dissertation
Supervisor: Uwer, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 9 November 2011
Date Deposited: 17 Nov 2011 11:08
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
DDC-classification: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: CP Verletzung , Bs Mischung , Bs -> J/psi phi , phi_s , LHCbCP violation , Bs mixing , Bs -> J/psi phi , phi_s , LHCb
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