Un’analisi di ampiezza dei decadimenti $B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ con $\eta_c(1S) \to p\bar p$ è stata effettuata utilizzando un campione di dati corrispondente a una luminsoità integratadi 9~fb$^{-1}$ di dati di collisioni $pp$ raccolti dall'esperimento LHCb a energie nel centro di massa di $\sqrt{s} = 7$, 8, and 13~TeV. La motivazione di questo studio risiede nell’esplorazione delle strutture risonanti nel sistema $\eta_c(1S)\pi^-$, alla ricerca di possibili stati adronici esotici oltre il modello a quark convenzionale. I dati sono descritti con un modello che include solo contributi intermedi da risonanze convenzionali $K^\star$, non viene riscontrata alcuna evidenza di una risonanza esotica nel sistema $\eta_c(1S)\pi^-$, precedentemente riportata in un’analisi di questo canale di decadimento. Il braching ratio inclusivo dei decadimenti $B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ è misurato essere \begin{align*} \mathcal{B}(B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-) = (5.82 \pm 0.20 \pm 0.23 \pm 0.55) \times 10^{-4}, \end{align*} dove la prima incertezza è statistica, la seconda sistematica e la terza deriva dalla conoscenza limitata dei braching ratio esterni. L’Upgrade I di LHCb, progettato per operare a una luminosità istantanea cinque volte superiore rispetto alle precedenti acquisizioni, introduce importanti miglioramenti nell’identificazione delle particelle attraverso rivelatori RICH aggiornati. Per massimizzarne le prestazioni, è stato sviluppato un framework software dedicato per monitorare e valutare in tempo reale l’identificazione delle particelle durante la presa dati, garantendo una calibrazione stabile e un funzionamento ottimale in condizioni di alta luminosità. Un importante miglioramento previsto per il periodo 2034–2036 aumenterà ulteriormente la luminosità oltre $\mathcal{L}=10^{34}~\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$, richiedendo una completa riprogettazione dei rivelatori RICH. In questo contesto, il progetto 4DPHOTON sta sviluppando fotorivelatori di nuova generazione, sensibili al singolo fotone e con risoluzioni spaziale e temporale elevate, basati su un tubo a vuoto contenente un fotocatodo, una microchannel plate (MCP) e un circuito integrato specifico Timepix4 CMOS come anodo di lettura. Il primo prototipo è stato caratterizzato tramite misure di laboratorio, il dark count rate misurato è compreso tra $\sim1~\text{Hz}/\text{cm}^2$ e $\sim30~\text{Hz}/\text{cm}^2$, a seconda del bias della MCP, con valori di guadagno nell’intervallo da $\mathcal{O}(10^3)$ a $\mathcal{O}(10^5)$. È stata osservata una distribuzione non uniforme dei dark count sulla matrice, e ulteriori studi sono in corso per indagarne l’origine. La risoluzione temporale ha fornito una risoluzione a singolo pixel di $103\pm3~\text{ps}$ e una risoluzione di cluster di $88\pm9~\text{ps}$ quando la MCP operava a 2400 V. Una campagna di testbeam condotta alla fine del 2024 ha confermato le misure di laboratorio, mostrando accordo con la simulazione, sviluppata attraverso il software Geant4, e fornendo una risoluzione temporale di $283\pm7~\text{ps}$ quando la MCP operava a 2100 V.
An amplitude analysis of the $B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ decays with $\eta_c(1S) \to p\bar p$ is performed using a sample corresponding to an integrated luminosity of 9~fb$^{-1}$ of $pp$ collision data collected by the LHCb detector at centre-of-mass energies of $\sqrt{s} = 7$, 8, and 13~TeV. The motivation for this study lies in the exploration of the resonant structures in the $\eta_c(1S)\pi^-$ system, searching for the possible existence of exotic hadronic states beyond the conventional quark model. The data are described with a model including only intermediate contributions from known $K^\star$ resonances, and no evidence is found for an exotic resonance in the $\eta_c(1S)\pi^-$ system, previously reported in an earlier analysis of this decay channel. The inclusive branching fraction of the $B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ decays is measured to be \begin{align*} \mathcal{B}(B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-) = (5.82 \pm 0.20 \pm 0.23 \pm 0.55) \times 10^{-4}, \end{align*} where the first uncertainty is statistical, the second systematic, and the third arises from the limited knowledge of external branching fractions. The LHCb Upgrade~I, designed to operate at an instantaneous luminosity five times higher than in previous runs, introduces major improvements in particle identification through upgraded RICH detectors. To maximise this performance, a dedicated software framework was developed to monitor and evaluate online particle identification during data taking, ensuring stable calibration and optimal operation under high-luminosity conditions. A major upgrade planned for 2034–2036 will further increase luminosity beyond $\mathcal{L}=10^{34}~\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$, requiring a complete redesign of the RICH detectors. Within this framework, the 4DPHOTON project is developing next-generation photon detectors capable of single-photon counting with superior spatial and temporal resolution, based on a vacuum tube containing a photocathode, a microchannel plate (MCP), and a Timepix4 CMOS application-specific integrated circuit as its readout anode. The first prototype was characterised through laboratory measurements, showing dark count rates between $\sim1~\text{Hz}/\text{cm}^2$ and $\sim30~\text{Hz}/\text{cm}^2$, depending on the MCP bias, with gain values ranging from $\mathcal{O}(10^3)$ to $\mathcal{O}(10^5)$. A non-uniform dark count distribution was observed across the matix, and further studies are underway to investigate its origin. The timing resolution yielded a single-pixel resolution of $103\pm3~\text{ps}$ and a cluster resolution of $88\pm9~\text{ps}$ when operating the MCP at 2400~V. A testbeam campaign carried out at the end of 2024 confirmed the laboratory measurements, showing agreement with the Geant4 simulation, and yielding a time resolution of $283\pm7~\text{ps}$ when operating the MCP at 2100~V.
Amplitude analysis of B0 → ηc(1S)K+π− decays at LHCb and development and characterisation of a novel photodetector for the future upgrade of RICH detetctors
ROMOLINI, GABRIELE
2026
Abstract
Un’analisi di ampiezza dei decadimenti $B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ con $\eta_c(1S) \to p\bar p$ è stata effettuata utilizzando un campione di dati corrispondente a una luminsoità integratadi 9~fb$^{-1}$ di dati di collisioni $pp$ raccolti dall'esperimento LHCb a energie nel centro di massa di $\sqrt{s} = 7$, 8, and 13~TeV. La motivazione di questo studio risiede nell’esplorazione delle strutture risonanti nel sistema $\eta_c(1S)\pi^-$, alla ricerca di possibili stati adronici esotici oltre il modello a quark convenzionale. I dati sono descritti con un modello che include solo contributi intermedi da risonanze convenzionali $K^\star$, non viene riscontrata alcuna evidenza di una risonanza esotica nel sistema $\eta_c(1S)\pi^-$, precedentemente riportata in un’analisi di questo canale di decadimento. Il braching ratio inclusivo dei decadimenti $B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-$ è misurato essere \begin{align*} \mathcal{B}(B^0\to \eta_c(1S) K^+ \pi^-) = (5.82 \pm 0.20 \pm 0.23 \pm 0.55) \times 10^{-4}, \end{align*} dove la prima incertezza è statistica, la seconda sistematica e la terza deriva dalla conoscenza limitata dei braching ratio esterni. L’Upgrade I di LHCb, progettato per operare a una luminosità istantanea cinque volte superiore rispetto alle precedenti acquisizioni, introduce importanti miglioramenti nell’identificazione delle particelle attraverso rivelatori RICH aggiornati. Per massimizzarne le prestazioni, è stato sviluppato un framework software dedicato per monitorare e valutare in tempo reale l’identificazione delle particelle durante la presa dati, garantendo una calibrazione stabile e un funzionamento ottimale in condizioni di alta luminosità. Un importante miglioramento previsto per il periodo 2034–2036 aumenterà ulteriormente la luminosità oltre $\mathcal{L}=10^{34}~\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$, richiedendo una completa riprogettazione dei rivelatori RICH. In questo contesto, il progetto 4DPHOTON sta sviluppando fotorivelatori di nuova generazione, sensibili al singolo fotone e con risoluzioni spaziale e temporale elevate, basati su un tubo a vuoto contenente un fotocatodo, una microchannel plate (MCP) e un circuito integrato specifico Timepix4 CMOS come anodo di lettura. Il primo prototipo è stato caratterizzato tramite misure di laboratorio, il dark count rate misurato è compreso tra $\sim1~\text{Hz}/\text{cm}^2$ e $\sim30~\text{Hz}/\text{cm}^2$, a seconda del bias della MCP, con valori di guadagno nell’intervallo da $\mathcal{O}(10^3)$ a $\mathcal{O}(10^5)$. È stata osservata una distribuzione non uniforme dei dark count sulla matrice, e ulteriori studi sono in corso per indagarne l’origine. La risoluzione temporale ha fornito una risoluzione a singolo pixel di $103\pm3~\text{ps}$ e una risoluzione di cluster di $88\pm9~\text{ps}$ quando la MCP operava a 2400 V. Una campagna di testbeam condotta alla fine del 2024 ha confermato le misure di laboratorio, mostrando accordo con la simulazione, sviluppata attraverso il software Geant4, e fornendo una risoluzione temporale di $283\pm7~\text{ps}$ quando la MCP operava a 2100 V.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
