Prof. Jacek Ciborowski Warszawa, 12 stycznia 2015 Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego Pasteura Warszawa.

Transkrypt

1 Prof. Jacek Ciborowski Warszawa, 12 stycznia 2015 Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego Pasteura Warszawa Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Marcina Chrząszcza zatytułowanej: Search for Charged Lepton Flavour Violation at LHCb experiment Marcin Chrząszcz uczestniczy w pracach międzynarodowej współpracy LHCb, w ramach której prowadzone są badania naukowe przy użyciu zderzających się przeciwbieżnych wiązek protonowych w akceleratorze LHC w CERN. Koncentrują się one wokół zagadnienia łamania symetrii CP w sektorze mezonów B oraz obejmują również inne, powiązane tematy, takie jak np. temat tej rozprawy. Zagadnienie łamania liczby leptonowej od kilku dekad znajduje się w kręgu zainteresowań fizyków, gdyż jest to dobitny sygnał fizyki spoza modelu standardowego. Do chwili obecnej nie potwierdzono tego zjawiska w przypadku leptonów naładowanych choć wiadomo, że występuje w sektorze neutrin. W danych zebranych m.in. w experymencie LHCb znajduje się wiele przypadków potencjalnie użytecznych do analizy takich zagadnień i Marcin Chrząszcz podjął się poszukiwania procesu rozpadu leptonu τ na 3 miony, τ- µ- µ+ µ-, którego zaletą jest wyraźna sygnatura doświadczalna. Do tego celu wykorzystał dane zebrane w experymencie LHCb w latach 2011 i Poszukiwania przypadków tego procesu prowadzone już były w experymentach przy zderzaczach e+e- lecz dotychczas nie znaleziono żadnego sygnału takiego łamania liczby leptonowej. Należy zaznaczyć, że poszukiwanie przypadków tego typu procesu jest o wiele trudniejsze ze względu na wielkość tła w danych pochodzących z experymentów przy zderzaczu pp jakim jest LHC niż e+e- jak np. w experymentach BaBar w SLAC (USA) czy Belle w KEK (Japonia). Po wstępie, w rozdziale 2 autor zawarł zwięzły opis Modelu Standardowego oraz teorii poza Modelem Standardowym, w ramach których łamanie liczby

2 leptonowej jest przewidywane. Rozdział 3 poświęcony jest opisowi akceleratora LHC i detektora experymentu LHCb. Opis poszukiwania przypadków procesu τ- µ- µ+ µ- przez zawarty jest w rozdziale 4. Prace prowadzone były przez autora w ramach grupy analizy Rare Decays Working Group. Na początku autor przedstawia metodykę poszukiwań. Celem bezpośredniego pomiaru jest stosunek rozgałęzień dla w/w procesu. Z doświadczalnego punktu widzenia najbardziej racjonalne jest wyznaczenie ilorazu tego stosunku rozgałęzień i jakiegoś innego, dobrze znanego i podobnego topologicznie procesu, gdyż można oczekiwać, że w takim ilorazie skrócą się w znacznym stopniu niepewności systematyczne. Jako proces odniesienia autor przyjął rozpad D + s Φ(µ+µ-)π+. Metodologia poszukiwań sprawdzona została najpierw dla próbki z wykluczonymi przypadkami z obszaru sygnału ±20 MeV wokół masy niezmienniczej trzech mionów a dopiero później przypadki te zostały włączone do pełnej analizy. Kryteria selekcji przypadków sygnału i odniesienia opisane są w podrozdziale 4.3. Są to, w ogólnym sensie, typowe selekcje nakładane na wielkości opisujące tory i wierzchołki, dokonywane w wielkich experymentach a optymalne wartości zmiennych (cięć) są ustalane w zespołach analiz na podstawie różnych przesłanek. W tymże podrozdziale szczegółowo opisana jest procedura generowania przypadków Monte Carlo. W podrozdziale 4.4 opisane są selekcje na poziomie układu wyzwalania (trigger) i metodyka wyboru optymalnej konfiguracji triggera tak aby zapewnić największy stosunek efektu do tła. W podrozdziale 4.5 autor opisuje szczegółowo metody odróżniania sygnału od tła. Dokonuje się tego poprzez przypisanie danemu przypadkowi prawdopodobieństwa tego, że jest on przypadkiem sygnału lub przypadkiem tła. Istnieje wiele metod określania tego prawdopodobieństwa, najprościej gdy badane przypadki pochodzą z jednego procesu. W przypadku niniejszej analizy jednakże jest inaczej, gdyż leptony τ produkowane są w kilku procesach. Autor zastosował tu własną metodę, zwaną z angielska blending (brak utartego odpowiednika polskiego), w której - w skrócie łączy, miesza, rozdrabnia (rozumiem, że polskie tłumaczenie tego wyrazu powinno odnosić się do czynności dokonywanej przy pomocy kuchennego urządzenia zwanego powszechnie blenderem) informacje na temat pochodzenia przypadków w różnych procesach tak, aby otrzymać jedno, najbardziej reprezentatywne prawdopodobieństwo względem kryterium: maxymalna wydajność akceptacji sygnału i odrzucania tła. Metoda ta opisana jest dokładnie w pod-podrozdziale i została użyta po raz pierwszy w analizie tego typu (wcześniej miała zastosowanie jedynie w przypadku jednego źródła sygnału/tła). Ta metoda w zastosowaniu do procesów pochodzących z licznych źródeł jest całkowicie dziełem autora niniejszej rozprawy, co wyjaśniłem osobiście, gdyż w pracy opisuje ją używając zaimka we. Publikacja autora na ten temat znajduje się w stadium przygotowywania, więc nie ma do niej odnośnika. Na rys. 4.5

3 przedstawione są rozkłady masy niezmienniczej stanu końcowego w rozpadzie rozpad D + s Φ(µ+µ-)π+ oddzielnie dla danych zebranych w latach 2011 i Analiza statystyczna tych rozkładów dowodzi ich zgodności w wysokim stopniu. W podrozdziale 4.6 przedstawione są wykresy porównania rozkładów experymentalnych i symulowanych dla szeregu zmiennych (Rys. 4.6, 4.7 i 4.8). Jedyna niezgodność widoczna jest w rozkładach wielkości opisujących izolację torów (Appendix A) lecz autor argumentuje, że nie ma ona znaczenia dla końcowego wyniku, gdyż te zmienne nie są używane w selekcji przypadków. Wszystkie te powyżej wymienione czynności stanowią typowe kroki w analizie danych z wielkich experymentów, lecz skuteczne ich przeprowadzenie stanowi dowód szczegółowego rozeznania się autora w zagadnieniach technicznych swojego detektora i jego symulacji. W podrozdziale 4.7 autor szczegółowo analizuje dwa źródła tła do poszukiwanego przez siebie procesu τ- µ- µ+ µ-: rozpady ciężkich mezonów z trzema mionami w stanie końcowym oraz z dwoma mionami i niepoprawnie zidentyfikowanym hadronem. Rozważania i wyniki przedstawione w tym podrozdziale mają kluczowe znaczenie dla prowadzonych poszukiwań ponieważ ich celem jest znalezienie nieobserwowanego dotychczas procesu lub wyznaczenie granicy na jego występowanie, więc wkłady od nawet rzadkich procesów tła prowadziłyby do istotnego zafałszowania wyniku. Podrozdział 4.8 otwiera już drogę do ostatecznego wyniku czyli stosunku rozgałęzień dla poszukiwanego procesu rozpadu tau na 3 miony. Jest on wyznaczany zgodnie ze wzorem (4.10) w którym zdefiniowana jest stała normalizacyjna α, przez która należy pomnożyć liczbę przypadków sygnału (w rozkładzie masy niezmienniczej trzech mionów) aby otrzymać szukaną wielkość. Stała ta zawiera m.in. zmierzony stosunek rozgałęzień procesu odniesienia i wydajności selekcji przypadków. W podrozdziale 4.9 przedstawiona jest procedura wyznaczenia szukanego stosunku rozgałęzień. Jak pokazano na rys i 4.15 oraz w tabelach , nie zaobserwowano statystycznie znaczącej nadwyżki przypadków nad tłem w obszarze sygnału. Na tej podstawie autor wyznaczył górna granicę dla stosunku rozgałęzień. Na rysunku 4.16 przedstawiony jest wykres tej wielkości w zależności od zadanego poziomu ufności. Ostateczny podany wynik 4.6 x10-8 na poziomie ufności 90% zgodny jest z wynikiem otrzymanym w experymencie BaBar przy akceleratorze e+e- w SLAC. Nie mam zastrzeżeń do sposobu otrzymania końcowego wyniku, przedstawionego w tym rozdziale. W podrozdziale 4.10 autor konfrontuje otrzymane wyniki z przewidywaniami teoretycznymi opartymi na efektywnej teorii pola. W ramach tego podejścia, po wprowadzeniu odpowiednich operatorów (równania ) można wyznaczyć różniczkowe stosunki rozgałęzień dla badanego procesu w zmiennych Dalitza, jak pokazano w tabeli Podrozdział ten jest de facto zapowiedzią większej pracy. Szkoda, że materiał tu przedstawiony potraktowany został bardzo skrótowo, co wymusiło na mnie konieczność

4 kilkakrotnego przeczytania tego podrozdziału i utrudniło docenienie wyniku otrzymanego przez autora w konfrontacji z przewidywaniami teoretycznymi. W rozdziale 5 autor podsumowuje dotychczasowe wyniki poszukiwań procesów rozpadu leptonu τ z łamaniem liczby leptonowej tegoż leptonu τ i cytuje górne granice dla stosunków rozgałęzień (tabela 5.1 i rys.5.1). Poniżej zaś przedstawia swój wkład do prac HFAG (Heavy Flavour Averaging Group) polegający na doprowadzeniu do spójnego wyznaczenia górnych granic dla stosunków rozgałęzień zmierzonych w różnych experymentach. Wyniki te cytuje w tabeli 5.2 i przedstawia na rys.5.2. W szczególności, wynik dla badanego przez siebie procesu zostaje zmodyfikowany do wartości 1.2 x10-8 na poziomie ufności 90%. Wyniki pomiarów wykonanych przez Marcina Chrząszcza zostały opublikowane w pracach [76] i [77] oraz przedstawione przez autora na licznych konferencjach ([78]-[82]). Uważam je za wartościowe ze względu na to, że stanowią niezależne potwierdzenie wyników otrzymanych wcześniej z danych pochodzących z experymentu przy zderzaczu e+e- w lżejszych warunkach doświadczalnych ze względu na wielkość tła. Praca doktorska Marcina Chrząszcza powstała w wyniku jego długoletniego uczestnictwa w pracach i analizie danych experymentu LHCb. Autor posiada szeroką wiedzę z zakresu zarówno fizyki badanego zjawiska jak i warsztatu doświadczalnego. Przeprowadzenie opisanej analizy wymagało od niego dużego wkładu pracy i przyswojenia obszernej wiedzy szczegółowej. Udział w pracach HFAG świadczy o docenieniu jego osiągnięć i doświadczenia przez środowisko. Praca napisana jest zrozumiale poprawnym językiem angielskim i zawiera jedynie nieliczne niezręczności i drobne błędy językowe. Jedyne rzucające się w oczy uchybienie redakcyjne to pomyłki w numerach rozdziałów, których zawartość wymieniona jest pod koniec Wstępu. Mimo tego, że niniejsza recenzja dotyczy jedynie przedłożonej rozprawy dodam, że w załączonych oddzielnie licznych listach od współpracowników czy zagranicznych przełożonych znajdują się bardzo pozytywne opinie na temat roli Marcina Chrząszcza w experymencie LHCb, wcześniejszych, w których uczestniczył BaBar i SuperB oraz na forum grupy HFAG. W konkluzji stwierdzam, że przedłożona praca spełnia ustawowe wymagania stawiane rozprawom doktorskim i wnioskuję o dopuszczenie mgr Marcina Chrząszcza do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Ponadto wnoszę o wyróżnienie rozprawy doktorskiej mgr Marcina Chrząszcza. Wniosek swój motywuję następująco. Pracę oceniam bardzo wysoko zarówno

5 ze względu na zawartość merytoryczną jak i stronę redakcyjną. Wyniki pracy są opublikowane i stanowią wkład do wiedzy na temat jednego z podstawowych procesów tzw. nowej fizyki, czyli fizyki spoza Modelu Standardowego. Stwierdzenie to otwiera drogę do szukania elementów autorstwa Marcina Chrząszcza, wyróżniających niniejszą w odniesieniu do innych. Element ten znajduję jest to opracowanie, rozszerzenie, zaadaptowanie i zastosowanie metody blending do przypadku wielu źródeł sygnału i tła, do czego odniosłem się już powyżej w recenzji. Podejście to zostało zastosowane w tego typu analizie po raz pierwszy. W mojej ocenie jest to wyróżniający się wkład autora do metodologii pomiarów lub wyznaczania ograniczeń na wielkości fizyczne dotyczące m.in. rzadkich procesów. Metoda ta nie jest ograniczona do szczególnego przypadku analizy przedstawionej w tej pracy - możliwa jest do zastosowania w licznych innych analizach gdy mierzona jest inna wielkość niż stosunek rozgałęzień a więc posiada cechę uniwersalności. To osiągnięcie autora, opisane w rozprawie, uzasadnia, w mojej ocenie, jej wyróżnienie.