Jordy Butter, promovendus aan het Nikhef, verdedigt zijn proefschrift dinsdag 13 juni 2023 om 15.45 aan de Vrije Universiteit Amsterdam.
“Het kwantificeren van de magnitude van de b → u quarkovergang”
Wetenschappers van over de hele wereld hebben zich gewijd aan het begrijpen van de fundamentele aard van het universum, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van het Standaardmodel. Dit model verklaart de bouwstenen van materie en hun interacties. Atomen, bestaande uit elektronen en een kern met quarks, zijn de basiseenheden van materie. Het Standaardmodel omvat zes soorten quarks, waarbij stabiele materie bestaat uit up- en down-quarks.
Het Standaardmodel staat overgangen tussen verschillende quarks toe via de zwakke wisselwerking, maar de waarschijnlijkheden van deze overgangen variëren. Een van de minst waarschijnlijke overgangen is de overgang van een beauty-quark naar een up-quark (b→u), die 70.000 keer minder waarschijnlijk is dan een overgang van een down-quark naar een up-quark (d→u). Het is onbekend waarom er slechts zes quarks in het Standaardmodel voorkomen en waarom sommige quarkovergangen waarschijnlijker zijn dan andere.
De quarksector van het Standaardmodel verklaart ook een verschijnsel dat CP-schending wordt genoemd, wat verwijst naar de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum. Deeltjesversnellers produceren gelijke hoeveelheden materie en antimaterie, terwijl ons waarneembare universum voornamelijk uit materie bestaat. Dit impliceert dat een klein overschot van materie ten opzichte van antimaterie moet hebben bestaan in het vroege heelal, wat heeft geleid tot de vorming van ons huidige universum. De waargenomen CP-schending in het Standaardmodel is echter onvoldoende om deze asymmetrie tussen materie en antimaterie te verklaren, wat een van de fundamentele vragen van onze tijd vormt.
Het doel van dit proefschrift is het kwantificeren van de magnitude van de b→u quarkovergang (Vub) en de complexe fase γ, een belangrijke parameter die CP-schending in het Standaardmodel beschrijft. Dit onderzoek is uitgevoerd met behulp van het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider van CERN. Dit werk richt zich op b-hadronen (Bd, Bs en Lb) die vervallen in een Ds-meson en een geladen pion, kaon of proton.
Om de vertakkingsfractie van Bd→DsPi en Lb→Dsp vervallen (evenredig met Vub) te kwantificeren, wordt het aantal signaalkandidaten gemeten aan de hand van gereconstrueerde massadistributies met behulp van een likelihood fit. Om de bijdrage van achtergrondsprocessen te verminderen zijn selectiecriteria bepaald, zoals de deeltjesidentificatie-eisen en een classificatie algoritme om signaalkandidaten te onderscheiden van willekeurige combinaties van deeltjes in de eindtoestand. Dit onderzoek toont aan dat 1 op de 52.000 Bd-mesonen en 1 op de 79.000 Lb-baryonen vervallen naar de respectievelijke eindtoestanden DsPi en Dsp. Deze vervalprocessen, die plaatsvinden via de b→u overgang, zijn interessant vanwege hun lage waarschijnlijkheid en hun potentieel voor het bestuderen van Vub.
Het vergelijken van het aantal Bd→DPi en Bs→DsPi vervallen levert informatie op over de relatieve productie van Bs- en Bd-mesonen. Deze kennis is cruciaal voor het meten van vertakkingsfracties met Bs-mesonen. Daarnaast maakt de gelijkenis tussen de Bd→DsPi en Bd→D+Pi- vervallen de berekening mogelijk van een parameter die essentieel is voor het bepalen van CP-schending in Bd→DPi-vervallen.
Tot slot wordt de CP-asymmetrie in Bs→DsK-verval bepaald om de complexe fase γ te verkrijgen. De interferentie tussen oscillatie en verval van Bs- en anti-Bs-mesonen zorgt voor een patroon van vervaltijdafhankelijke asymmetrieën. Door de massadistributies en vervolgens de Bs-vervaltijd te fitten en rekening te houden met detector-effecten met behulp van Bs→DsPi-vervallen, worden de CP-parameters gemeten. De analyse laat een viervoudige toename zien van signaalkandidaten in vergelijking met de vorige analyse van dit vervalproces, wat leidt tot een verwachte vermindering van de statistische onzekerheid van γ met een factor twee.
Er wordt uitgekeken naar een nauwkeurigere bepaling van γ met behulp van het Bs→DsK verval, omdat dit zou kunnen helpen om de inconsistenties te begrijpen tussen de eerdere bepaling van γ met Bs→DsK vervallen en andere bepalingen van γ.
“Exploring the magnitude and phase of b → u quark transitions through open-charmed beauty decays” (pdf)
De promotie vindt plaats op dinsdag 13 juni, om 15.45 in het Auditorium van de Vrije Universiteit, De Boelelaan 1105, 1081 HV Amsterdam.
De promotie zal online te volgen zijn op het YouTube kanaal van de VU.
Meer informatie op de website van de VU.
Promotor: prof. dr. M.H.M. Merk
Co-promotor: dr. N. Tuning
Contact: Jordy Butter