超级陶粲装置上τ ±→KS~0π±vτ过程的CP破缺灵敏度的模拟研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq14203853
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在标准模型中,CKM机制是电荷宇称共轭(CP)破缺的唯一来源。实验上,CP破缺现象已经先后在K、B、D介子中发现,并且目前的结果都与标准模型上CKM机制的预言相一致。然而,宇宙中物质-反物质的显著不对称性表明存在着CKM机制以外的CP破缺来源。由中国提出的下一代超级陶粲装置(STCF)是质心能量位于2.0到7.0 GeV的正负电子对撞机,其在优化质心能量4.0 GeV处的峰值亮度大于0.5 × 1035 cm-2s-1,是寻找新的CP破缺源的理想场所。在轻子中τ的质量较重,很多新物理模型的预言都与τ有关,并且τ轻子具有丰富的强子末态,有利于构造CP破缺观测量,故τ轻子衰变是研究CP破缺效应的理想渠道。STCF在质心能量4.26 GeV处所产生的τ轻子对过程具有高统计量、高产生截面以及低本底的特点。本工作选用具有较大分支比以及含有K0的τ±→ KS0π±vτ过程,研究STCF上这一过程的CP破缺灵敏度。本工作使用快速软件模拟包来描述STCF,其可以描述各个子探测器的响应,并产生模拟对撞数据来分析探测器性能的影响。采用双端标记选择正负τ轻子对,其中通过τ轻子衰变探测一端的τ(τ(?)→l(?)v1vτ,l=e,μ),然后在另一端探测信号过程,即τ±→KS0π±vτ。同时使用多变量分析方法提高信号显著性。通过对末态粒子(e±、μ±、π±、光子)的判选以及对KS0、π0粒子的重建,选择出信号过程,而后将KS0π±质量谱进行拟合得出信号事例数。计算τ±→KS0π+Vτ过程和τ→KS0π-vτ过程信号事例数的相对差异的统计误差,即反映了τ±→KS0π±vτ过程对探测CP破缺效应的灵敏度。在快速软件模拟包中分别改变了带电径迹的探测效率、带电径迹的动量/位置分辨以及π/μ误判率等性能参数,在不同的性能参数下分析了τ±→KS0π±vτ 过程的CP破缺灵敏度,从而为探测器性能参数优化提供依据。在该性能指标下得到信号效率较优化前相对提升约44%,选择效率为32.82%。在质心能量4.26 GeV处,利用STCF一年收集到1 ab-1的数据量,计算得到CP破缺灵敏度为9.7 × 10-4。此外,STCF计划在4到5 GeV收集近10 ab-1的数据量。为了研究在该能区10 ab-1下τ±→KS0π±vτ的CP破缺灵敏度,我们研究了该过程的选择效率,发现在多个能量点下的选择效率在1%以内保持不变。因此在该能区下ττ±→KS0π±vτ的CP破缺灵敏度与积分亮度呈1/(?)的关系,从而得到在积分亮度为10 ab-1下τ±→KS0π±vτ的CP破缺灵敏度为3.1 × 10-4。该CP破缺灵敏度与标准模型预言值的精度相当,并且与BelleⅡ的预期实验精度接近。综上,本工作首次在陶粲能区研究τ衰变中的CP破缺灵敏度,结果表明在STCF上利用τ±→KS0π±vτ过程研究CP破缺效应将会有很大潜力,对之后的实验具有指导意义。在对τ(?)→l(?)VlVτ(l=e,μ),τ±→KS0π±vτ过程的CP破缺灵敏度进行分析的过程中,π对μ的误判对于信号过程的效率有较显著的影响。在STCF上MUD可以对较高动量的π,μ有效鉴别,对较低动量的π,μ则没有很好的鉴别能力。由于在上述τ(?)→l(?)VlVτ 衰变过程中存在一定比例的含有低动量μ子事例,降低此动量区间下的π对μ的误判率将会有效提升探测τ±→KS0π±vτ 过程的CP破缺效应的灵敏度。STCF上探测谱仪的桶部应用的是以液态全氟己烷作为辐射体的RICH探测器,端盖应用的是高纯石英板作为辐射体的DIRC探测器。STCF粒子鉴别器RICH可以提供低动量π,μ的鉴别能力,有望改善探测τ±→KS0π±vτ过程的CP破缺效应的灵敏度。本工作对STCF RICH探测器在高动量下的π,K,proton粒子以及低动量下的π,μ粒子的鉴别性能做了模拟研究。采用似然函数比作为粒子鉴别的方法,同时利用GEANT4对粒子输运过程和相互作用进行模拟,由于粒子的鉴别性能与极角有一定的关系,因此设计了不同的RICH结构来对大角度入射的粒子鉴别进行优化,从而改善了 RICH探测器在大角度区域中的粒子鉴别性能。模拟结果显示STCF RICH对于高动量的π,K,proton粒子具有很好的鉴别性能,其中动量在2 GeV/c正入射时K/π和K/p分别具有3.3σ和4.4σ的分辨能力;对于低动量的π,μ粒子在0.3-0.5 GeV/c的动量区间以及0°-40°的角度区间下仍具有较好的鉴别性能,通过结合MDC的dE/dx测量可以在STCF感兴趣的所有动量和角度空间内实现高性能的粒子鉴别。以上所获得的RICH探测器的π,μ粒子鉴别性能将应用于快模拟当中,预期进一步提高τ±→KS0π±vτ过程的CP破缺灵敏度。
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