Potential for B-physics measurements with a fixed-target proton-collision experiment

Abstract

HERA-B is a high-energy physics experiment at HERA. It is a fixed-target experiment with a forward spectrometer to benefit from the strong boost of beauty hadrons. The main goal of HERA-B is to detect and measure the degree of CP violation in exclusive B-decays, with emphasis on the {em golden} decay, $golden$. A computer simulated study on this decay is presented and the accuracy of the measurement is estimated. Necessary conditions for a detection of CP violation are investigated. Various other channels are reviewed, which can give a sign of CP violation within and beyond the Standard Model. Very high rates are required for measurements of the typically very much suppressed signals. The thesis includes a comparison of the situation with the B-factories and the hadron colliders. HERA-B has a very tight time schedule %and the gained experience has an impact %on the future experiments at LHC. and physics measurements will be performed even before the detector is completed. In particular, the order of installation of detector parts is determined not only by technical factors but also by the feasibility to measure the $b$ cross-section, which is a crucial parameter in the precision of any $B$-physics measurements at HERA-B. A thorough study has been performed on the possibilities to measure the $b$ cross-section with a partially equipped detector. The emphasis is placed on the inclusive decay $B

ightarrow J/psi X$. Studies on double semileptonic decays and $Upsilon$ decays are also presented.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Partikelfysik och det vetenskapliga arvet



Har du gått i en ljus vänlig skog om sommaren när vinden susar bland löven och små djur kilar omkring under gräset och solen skiner på din hud och kittlar din amygdala i det innersta av din hjärna? Har du någonsin reflekterat över naturens oändliga rikedom? Hur kan en värld vara uppbyggd som uppvisar en sådan komplexitet? Vill man beskriva den, måla av den eller dikta om den så kan man spendera en livstid utan att ändå lyckas fånga alla dess ansikten.



I fysiken talar man om atomer, protoner och fundamentala krafter. I biologin, läran om livet, talar man om celler. Att celler bygger upp allt detta. Men döda och levande ting måste fundamentalt sett vara samma sak. Hur ser naturens allra minsta byggstenar ut? Vi har tur som ställer den här klassiska frågan i en tid när kunskapen från andra människor som redan tänkt ut allting finns neddokumenterat i bok efter bok. Redan de gamla grekerna hade en ide om någon minsta odelbar byggsten, atomen. Experiment i slutet av 1800-talet när man besköt atomer med elektroner som studsade iväg på olika sätt, visade att atomen har en kompakt kärna av protoner och neutroner. Gell-Mann postulerade att protonerna och neutronerna är uppbyggda av kvarkar. Och cellen, som är livets minsta byggsten, har också en kärna. I denna kärna finns det bland annat kromosomer, som inhyser generna. Generna är uppdelade i ett antal baser som består av fem atomer vardera. Är det inte makalöst att allting hänger ihop så finurligt från det allra minsta till vår makroskopiska värld? Inte undra på att naturen är så komplex när den är uppbyggd av så små byggstenar. Antalet möjliga kombinationer är ju i det närmaste oändligt.



Har du också ibland under stjärnklara nätter undrat över rymden? När man tittar upp i det tomma mörkret mellan stjärnorna, skådar man då ut i oändligheten? Hur kan universum vara oändligt? Och om det inte är det, vad finns då utanför? Och har universum existerat oändligt länge? Om inte, vad fanns innan? Det där är ett par väldigt obehagliga paradoxer. Och sedan kommer Einstein och rör till det ytterligare genom att påstå att tiden är relativ. Men accepterar man det konceptet, så får man en lättande lösning på nämda rum-tid paradox. Om rummet är krökt i en extra dimension, precis som jordens yta och tiden är vår uppfattning av den extra dimensionen, då har universum ingen gräns men är ändå inte oändlig. Kanske skapades rummet och tiden tillsammans med universum i en singularitet, så att frågor om ``före'' och ``utanför'' blir irrelevanta.



Universums historia kan lära oss mycket, om inte allt, om världen vi lever i. I början, när rummet var väldigt litet, var dess innehåll väldigt koncentrerat. Energin som fanns tillgänglig för fysikaliska processer var enorm. I partikelfysiken försöker man rekonstruera dessa processer genom att bygga stora partikelaccleratorer för att samla höga energier till en liten punkt. I den punkten kan en massa partiklar skapas som inte existerar i våra vardagliga låga temperaturer.



För länge sedan, strax efter Stora Smällen, existerade materia och antimateria (elektroner och positroner, kvarkar och antikvarkar) i jämnstora proportioner. Symmetrier mellan dem och lagar om bevarande av laddningar, partikelslag och så vidare krävde att det en balans mellan materia och antimateria. När universum expanderade och kyldes ned, blev vissa processer omöjliga. Parproduktion av kvarkar och antikvarkar ur ren energi blev omöjligt, så att materia och antimateria förintades parvis. Elektroner och positroner annihilerades några sekunder efter universums födelse och strålade ut energi i form av fotoner. Kvarkar och antikvarkar annihilerade redan efter 10^{-4} sekunder. Då hade de tyngre b-kvarkarna redan annihilerat med sina anti-b-kvarkar. Hade inte universum expanderat så att materia och antimateria separerades från varandra, så hade annihileringsprocesserna fortsatt tills det bara fanns energi kvar, vilket hade lett till en fruktansvärt långtråkig värld utan liv eller mångfald. I slutändan lämnades vi med ett universum som består av mer materia än antimateria. Hur kunde det gå till? Alla dessa symmetrilagar krävde ju att det skulle finnas lika stora koncentrationer av materia och antimateria. Det måste finnas symmetribrott som är så små att man hittils inte kunnat upptäcka dem. Med hjälp av dessa symmetribrott kan man tänka sig att en supertung partikel sönderföll till mer kvarkar än antikvarkar.



En av de största framgångarna på 1900-talet var formuleringen av tre av de fyra olika växelverkningarna under samma matematiska koncept, den så kallade standardmodellen. De krafter som beskrivs i standardmodellen är den elektromagnetiska, den svaga och den starka kraften. Den fjärde kraften, gravitationen, har ingen effekt vid energier som är tillgängliga i partikelfysikexperiment på jorden.



Den symmetri som är bruten och som gör att materia och antimateria växelverkar olika kallas CP-brott. Men det CP-brott som förutsägs av standardmodellen är inte stort nog för att förklara asymmetrin mellan materia och antimateria i universum.



Den här avhandlingen handlar om förberedelserna för att mäta storleken på CP-brottet i naturen med hjälp av ett planerat experiment som heter HERA-B. HERA-B ligger vid en accelerator på DESY i Hamburg som heter HERA. En protonstråle riktas mot ett fast strålmål. I kollisionen skapas tunga b-kvarkar. Asymmetrin mellan partiklar uppbyggda av b-kvarkar och de uppbyggda av anti-b-kvarkar förutsägs av standardmodellen att vara relativt stor.

• author: Ivarsson, Jenny
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Ellis, Nick, Switzerland
• organization: Particle and nuclear physics
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: Elementary particle physics, CP Violation, quantum field theory, Elementarpartikelfysik, HERA-B, Fixed Target, kvantfältteori, B Physics, Monte Carlo Simulations, Fysicumarkivet A:1999:Ivarsson
• pages: 154 pages
• defense location: Hall B of the Department of Physics
• defense date: 1999-10-01 10:15:00
• external identifiers: other:LUNFD6/(NFFL-7173)1999
• ISBN: 91-628-3661-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f06f3c3d-bd39-4442-a345-2f18adf420a6 (old id 19273)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:13:53
• date last changed: 2018-11-21 21:03:30