Analysis of rare hadronic decay modes and simulation studies for the scintillating fibre tracker at the LHCb experiment

Abstract

The work presented in this thesis comprises two individual topics: While the first part presents a branching ratio measurement of the decay 𝐵0𝑠→ 𝐾0S𝐾0S, the second part discusses the author’s contribution to the simulation of the upgraded LHCb detector. To reduce systematic uncertainties, the branching ratio is measured normalised to the branching ratio ℬ(𝐵0 → 𝜙𝐾0S). The analysed data sample corresponds to an integrated luminosity of 3 fb−1 of 𝑝𝑝 collisions recorded at centre-of-mass energies of 7 and 8 TeV by the LHCb experiment. The branching ratio has been measured as: ℬ(𝐵0𝑠→ 𝐾0S𝐾0S) = (22.9 ± 7.3 (stat) ± 1.7 (syst) ± 2.2 (ℬ(𝐵0 → 𝜙𝐾0S)) ± 1.3 (𝑓𝑑/𝑓𝑠)) ⋅ 10−6 . The result is compatible within 1.7 𝜎 with results for the branching ratio ℬ(𝐵0𝑠→ 𝐾0𝐾0) from various theory predictions and a measurement performed by the Belle experiment. The performance of the Scintillating Fibre (SciFi) tracker, which will be installed for the upgrade of the LHCb experiment during the Long Shutdown 2 of the LHC, depends mainly on the light yield of the scintillating fibres. Since this light yield is reduced over time by radiation induced damage, the correct description of the light yield attenuation depending on the integrated luminosity is a crucial part of the tracker’s simulation. The second part of the thesis describes the construction of a software framework that allows to simulate lookup maps for this attenuation as a function of the hit position, which are then used in the LHCb detector simulation.

Diese Arbeit umfasst zwei verschiedene Hauptthemen: Während im ersten Teil die Messung des Verzeigungsverhältnis des Zerfalls 𝐵0𝑠→ 𝐾0S𝐾0S beschrieben wird, zeigt der zweite Teil den Beitrag des Autors zur Simulation des LHCb Detektors nach seinem Upgrade. Um systematische Unsicherheiten zu verringern, wird das Verzeigungsverhältnis relativ zum Verzeigungsverhältnis ℬ(𝐵0 → 𝜙𝐾0S) gemessen. Der verwendete Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 3 fb−1 von 𝑝𝑝-Kollisionen, aufgenommen vom LHCb-Experiment bei Schwerpunktenergien von 7 und 8 TeV. Die Messung des Verzweigungsverhältnis ergibt: ℬ(𝐵0𝑠→ 𝐾0S𝐾0S) = (22.9 ± 7.3 (stat) ± 1.7 (syst) ± 2.2 (ℬ(𝐵0 → 𝜙𝐾0S)) ± 1.3 (𝑓𝑑/𝑓𝑠)) ⋅ 10−6 . Das Ergebnis ist innerhalb von 1.7 𝜎 kompatibel mit den Werten für das Verzweigungsverhältnis ℬ(𝐵0𝑠→ 𝐾0𝐾0) aus verschiedenen theoretischen Vorhersagen sowie aus der Messung durch das Belle-Experiment. Die Leistungsfähigkeit des Scintillating Fibre (SciFi) Tracker, welcher für das Upgrade des LHCb Detektor während des Long Shutdown 2 des LHC installiert wird, hängt hauptsächlich von der Lichtausbeute der szintillierenden Fasern ab. Da diese Lichtausbeute durch strahlungsinduzierte Schäden reduziert wird, ist eine korrekte Beschreibung dieser Abschwächung in Abhängigkeit von der integrierten Luminosität ein entscheidender Teil der Detektorsimulation. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt den Aufbau eines Software-Frameworks, das es ermöglicht, die Lichtausbeuteabschwächung als Funktion der Hit-Position zu simulieren. Dies wird im LHCb Software-Framework für die Detektorsimulation verwendet.