Frank Fiedler, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999 :

"Produktion und Hadronisation schwerer Quarks bei LEP"

Kurzfassung

Die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrien A_FB^b und A_FB^c für bottom- und charm-Quarks werden mit dem OPAL-Detektor bei LEP in e⁺e^--Kollisionen bei effektiven Schwerpunktsenergien von 74 GeV und zwischen 130 GeV und 189 GeV gemessen. Für die Messung bei 74 GeV werden bei LEP1 aufgenommene Ereignisse mit signifikanter Photonabstrahlung im Anfangszustand in das effektive Schwerpunktssystem des hadronischen Systems transformiert, während für die LEP2-Messungen Ereignisse ohne signifikante Photonabstrahlung analysiert werden. Die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrien werden mittels Leptonen aus semileptonischen Zerfällen von bottom- und charm-Hadronen sowie Pionen aus D^*+->D⁰p⁺ -Zerfällen gemessen. Die Meßwerte der Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie für bottom-Quarks bei LEP2-Energien werden mit OPAL-Messungen kombiniert, die mit einer Hemisphärenladung in Ereignissen mit einem identifizierten Sekundärvertex erhalten wurden. Alle Resultate sind in Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells.

Die gemessenen Asymmetrien werden zusammen mit OPAL-Messungen des partiellen hadronischen Wirkungsquerschnitts R_b=s(e⁺e^-->bb¯)/s(e⁺e^-->qq¯) bei LEP2-Energien sowie früheren Messungen in e⁺e^--Kollisionen um und unterhalb der Z-Resonanz interpretiert. Die Kopplungen von bottom- und charm-Quarks an das Z-Boson werden studiert. Durch die Messungen ober- und unterhalb der Z-Resonanz sind die Kopplungen eindeutig bestimmt, was durch Messungen in Z-Zerfällen allein nicht möglich ist.

Zum ersten Mal werden die Messungen auch im Rahmen des S-Matrix-Ansatzes für die Prozesse e⁺e^--> bb ¯und e⁺e^--> cc¯ interpretiert. Die Beiträge der Interferenz zwischen s-Kanal Photon- und Z-Austausch zu den Wirkungsquerschnitten und Asymmetrien werden so auf modellunabhängige Weise bestimmt. Zukünftige Verbesserungen dieser Analyse werden abgeschätzt.

In einer zweiten Analyse werden in Daten, die mit dem OPAL-Detektor in e⁺e^--Kollisionen nahe der Z-Resonanz aufgezeichnet wurden, D^*0-Mesonen rekonstruiert. Der Hadronisations-Anteil von D^*0-Mesonen in Z-> cc¯-Zerfällen wird zu

                                                           f(c->D^*0)=0.218±0.054±0.045±0.007

bestimmt, wobei die Fehler den statistischen und systematischen Fehlern aus dieser Analyse sowie systematischen Unsicherheiten aufgrund von externen Messungen von Verzweigungsverhältnissen entsprechen. Dieser Wert ist konsistent mit dem Hadronisations-Anteil von D^*+-Mesonen. Außerdem wird die erste Messung der inklusiven Produktionsrate von D^*+_s-Mesonen in hadronischen Z-Zerfällen vorgestellt.

Zusammen mit früheren OPAL-Messungen der Hadronisations-Anteile anderer charm-Mesonen wird die Messung von f(c->D^*0) zur Bestimmung der relativen Produktion von Vektor- (V) und Pseudoskalarmesonen (P) in Z-> cc¯-Zerfällen herangezogen. Das Produktionsverhältnis wird zu

                                                           P^eff_V=V/(V+P)=0.57±0.05

bestimmt. Das primäre Produktionsverhältnis von Vektor- und Pseudoskalarmesonen, P^prim_V, und sein Zusammenhang mit Produktion und Zerfall orbital angeregter charm-Resonanzen werden studiert. Eine modellunabhängige Formel für das P^prim_V-Verhältnis in charm-Hadronisation wird hergeleitet. Die Resultate zeigen eine klare Abweichung von der HQET-Vorhersage im Grenzfall schwerer Quarks, während Messungen der bottom-Hadronisation in Übereinstimmung mit diesen Erwartungen sind.

Titel

Kurzfassung

Summary

The bottom and charm forward-backward asymmetries A_FB^b and A_FB^c are measured with the OPAL detector at LEP in e⁺e^- collisions at effective centre-of-mass energies of 74 GeV and between 130 GeV and 189 GeV. For the measurement at 74 GeV, events with significant initial state radiation recorded at LEP1 are boosted into the effective rest frame of the hadronic system, while for the LEP2 measurements events without significant initial state radiation are analysed. The forward-backward asymmetries are measured using leptons from semileptonic decays of bottom and charm hadrons as well as pions from D^*+->D⁰p⁺ decays. The bottom asymmetry measurements at LEP2 energies are combined with OPAL measurements obtained with a hemisphere charge technique in secondary vertex tagged events. All results are in agreement with the Standard Model predictions.

The measured asymmetries are interpreted together with OPAL measurements of the cross-section ratio R_b=s(e⁺e^-->bb¯)/s(e⁺e^-->qq¯) at LEP2 energies and previous measurements in e⁺e^- collisions around and below the Z resonance. The bottom and charm quark couplings to the Z boson are studied. With the measurements above and below the Z resonance, an unambiguous determination of the couplings is obtained, which is not possible from measurements in Z decays alone.

For the first time, the measurements are also interpreted using the S-Matrix parametrisation of the e⁺e^--> bb¯ and e⁺e^--> cc¯ processes. The contributions of interference between s-channel photon and Z exchange to the cross-sections and asymmetries are thus extracted in a model independent way. Future improvements of this analysis are assessed.

In a second analysis, D^*0 mesons are reconstructed using data collected with the OPAL detector in e⁺e^- collisions around the Z resonance. The hadronisation fraction of D^*0 mesons in Z-> cc ¯decays is measured to be

                                                             f(c->D^*0)=0.218±0.054±0.045±0.007 ,

where the errors correspond to the statistical and systematic errors specific to this analysis, and to systematic uncertainties from externally measured branching ratios, respectively. This value is consistent with the hadronisation fraction for D^*+ mesons. The first measurement of the inclusive D^*+_s production rate in hadronic Z decays is also presented.

Together with previous OPAL measurements of the hadronisation fractions of other charmed mesons, the measurement of f(c->D^*0) is used to investigate the relative production of vector (V) and pseudoscalar (P) charmed mesons in Z->cc¯decays. The production ratio is determined to be

                                                             P^eff_V=V/(V+P)=0.57±0.05 .

The relative primary production of vector and pseudoscalar mesons, P^prim_V, is studied in the context of the production and decay of orbitally excited charmed resonances. A model independent formula for the P^prim_V ratio in charm hadronisation is derived. The results show a clear deviation from the prediction of HQET in the heavy quark limit, whereas measurements of bottom hadronisation are in agreement with these expectations.