Probing quark hadronization with B mesons at the LHC

Na natureza, os quarks não podem existir por si mesmos. Quando são produzidos, como, por exemplo, em colisões de alta energia, os quarks juntam-se a outros quarks para formar hádrons. Esse processo, conhecido como hadronização, é impulsionado pela força forte (QCD) e ainda não é completamente compreendido. Medidas dos mésons B em colisores oferecem sondas únicas do processo de hadronização, pelo qual os quarks individuais formam hádrons de cor neutra.

Neste trabalho, os sinais dos mésons $B^{+}$ e $B^{0}_{s}$ são estudados e identificados nas colisões do LHC, utilizando métodos avançados de machine learning.

Os mésons B são reconstruídos através dos canais de decaimento $B^{+} \rightarrow J/\psi ~K^{+} \rightarrow \mu^{+}\mu^{-}K^{+}$ e $B^{0}_{s} \rightarrow J/\psi ~\phi \rightarrow \mu^{+}\mu^{-}K^{+}K^{-}$, em dados de colisões pp a uma energia de $\sqrt{s}=5,02$ TeV coletados pelo experimento Compact Muon Solenoid (CMS) no LHC.

Esta tese abrange todo o trabalho desenvolvido que engloba uma análise completa. Isso inclui a seleção de eventos, realizada aqui utilizando o pacote XGBoost para a criação de um modelo de boosted decision tree, ajuste de parâmetros das distribuições de massa invariante obtidas e determinação da eficiência do detetor e seleção, na qual aplicamos um método inovador que minimiza a dependência da cinemática de MC e remove a contaminação de background na região de sinal. Também apresentamos comparações de desempenho entre os modelos BDT e redes neurais (NN), juntamente com estudos que visam investigar a região de menor $p_T$, sendo esta mais desafiadora.

Com estes ingredientes, medimos a differential production cross section dos mésons B em função das variáveis cinemáticas de sinal (momento transversal e rapidez) e variáveis de ambiente (multiplicidade de partículas carregadas), obtendo resultados consistentes com as previsões teóricas FONLL e resultados anteriores. Calculamos as razões das cross section entre os dois mésons B, investigando as dependências da razão de fração de fragmentação, $f_s/f_u$, nessas variáveis.

Os resultados fornecem indícios de um aumento na produção de $B^0_s$ em relação ao $B^+$ em multiplicidades de partículas carregadas elevadas, como seria esperado ao considerar a coalescência de quarks como um mecanismo complementar de hadronização.