Measurement of the ratio B(Bc± → J/ψπ±π±π∓ )/B(Bc± → J/ψπ± ) and the production cross sections times branching fractions of Bc± → J/ψπ± and B± → J/ψK± in CMS

Il mesone pseudoscalare Bc, stato fondamentale del sistema ( ̄bc), è la particella più leggera formata da due quark pesanti di diverso sapore, e rappresenta perciò un laboratorio ideale per lo studio della dinamica dei decadimenti degli Heavy Flavor. Lo studio delle proprietà del mesone Bc è di particolare interesse se paragonato agli stati ̄bb e ̄cc, che non portano sapore, e offre un nuovo terreno per verificare le predizioni dei modelli effettivi ispirati dalla cromodinamica quantistica. Ciascuno dei due quark costituenti la Bc può decadere attraverso l’interazione debole. In particolare, la transizione b → c, che copre circa il 20% del rate di decadimento, ha un’alta probabilità di produrre un mesone J/ψ nello stato finale, che costituisce una segnatura sperimentale facilmente identificabile. Infatti, la prima osservazione del mesone Bc è stata effettuata nel canale di decadi- mento semileptonico Bc+ → J/ψl+ν(l = e,μ) dalla Collaborazione CDF. Lo studio sperimentale del mesone Bc è entrato in una nuova fase con l’avvento del Large Hadron Collider (LHC) al CERN. Grazie alle alte energie e luminosità istantanee mai raggiunte prima, la statistica di eventi di Bc disponibile è molto più alta che negli esperimenti precedenti. Le caratteristiche dell’esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) consentono di perseguire un ampio programma di misure nell’ambito della fisica del quark beauty. Accanto a ricerche indirette di nuova fisica attraverso lo studio di decadimenti rari, come Bs → μ+μ− e B0 → K0∗μ+μ−, lo studio del mesone Bc rappresenta un settore importante nel programma di fisica dell’esperimento. Inoltre, poichè la Bc rappresenta un potenziale background proprio nei decadimenti rari, una misura della sua sezione d’urto e la caratterizzazione dei suoi stati finali sono cruciali per poter ottenere un’accurata stima dei fondi. In questa tesi presento l’analisi dei canali di decadimento Bc+ → J/ψπ+π+π− e Bc+ → J/ψπ+, e una misura del rapporto delle loro Branching Fraction, RBc ≡ B(Bc+ → J/ψπ+π+π−)/B(Bc+ → J/ψπ+). La misura è stata ottenuta presso l’esperimento CMS a LHC. L’esperimento CMS, infatti, è particolarmente adatto allo studio degli stati finali contenenti mesoni J/ψ, dove J/ψ → μ+μ−, grazie alle eccellenti prestazioni dei sistemi di rivelazione di muoni e di tracciamento. La misura del rapporto RB è 2.55 ± 0.80(stat.) ± 0.33(syst.)+0.04-0.01(τBc ). Questo rapporto è indipendente dalla sezione d’urto della Bc, la cui misura non è ancora disponibile. Il canale Bc+ → J/ψπ+ è anche confrontato con il decadimento B+ → J/ψK+, che ha le stesse caratteristiche topologiche. Il rapporto delle sezioni d’urto moltiplicato per le rispettive Branching Fractions è misurato essere [0.48± 0.05(stat.)±0.03(syst.)±0.05(τBc)]%. Nello spazio cinematico esplorato, il momento traverso del mesone Bc+ è maggiore di 15 GeV e la regione di rapidità è |y| < 1.6, complementare a quella accessibile all’esperimento LHCb. Questa misura contribuisce a una comprensione più completa della produzione di Bc+ in collisioni protone-protone. L’analisi è stata condotta sui dati raccolti da CMS a sqrt(s) = 7 TeV, che corrispondono a una luminosità integrata di 5.1 fb−1. Il trigger utilizzato per la selezione degli eventi si basa sull’identificazione dei due muoni provenienti dal decadimento del mesone J/ψ. L’abbondante fondo combinatorio è stato ridotto sfruttando selezioni topologiche e cinematiche. L’efficienza di ricostruzione è stata accuratamente parametrizzata e misurata su appositi campioni Monte Carlo, che ben riproducono le condizioni della presa dati. Sono state valutate diverse fonti di incertezza sistematica, descritte accuratamente nel testo.