Fisica con i mesoni B

[ossia: test di sapore del Modello Standard]

CB, INFN-FE9-20 Maggio 2005

Programma

• Lezione 1: introduzione

• Lezione 2: vite medie e oscillazioni

• Lezione 3: decadimenti semileptonici e rari

• Lezione 4: violazione di CP e sin2• Lezione 5: • Lezione 6:

Mesoni B: perché ?

• Mesoni B: antiquark b + quark – bu = B+

– bc = B+c

– bd = B0d

– bs = B0s

• Decadimenti deboli• quark b pesante (~5 GeV/c2)• Vita media “lunga” (B~1.5 ps)• Oscillazioni di sapore (md~0.5 ps-1)• Violazione di CP• Sensibilità a nuova fisica

oscillazioni materia-antimateria

L’unico mesone composto da 2 quark pesanti!

Decadimenti deboli nello SM

• Corrente carica debole non conserva il sapore– Autostati deboli ≠ autostati di sapore– Trasformazione unitaria: matrice CKM

– 3 generazioni di quark: 4 parametri indipendenti (3 angoli e una fase), violazione di CP

– Non esistono correnti neutre con variazione del sapore (FCNC) a livello albero

. .2

ud us ub

cd cs cb

td ts tb

L

L L L L

L

V V V

V V V

V V V

dgu c t s W h c

b

L

Decadimenti dei B nello SMTREE LOOP

ud

cs

tb

Where to B ?

Bersagli fissi

e+e- sulla Y(4S), nel continuo e sulla Z0

Collisori adronici

1977: scoperta della risonanza

• Esperimento a Fermilab (Lederman et al.)• Protoni da 400 GeV su bersaglio nucleare• ~9000 muoni con massa invariante >5GeV• Eccesso a ~9.5 GeV

Commenti su bersagli fissi Energia nel c.m. ~√Efascio Sezione d’urto bb~ 10nb per pfascio 800 GeV

Luminosità alta. Tipicamente~1010 particelle s-1 su bersaglio di densità ~1024 cm-2

→ L~1034 cm-2 s-1

Fondi alti e non sempre tollerabili S/N ~ 3×10-7, strategia di trigger fondamentale

• ad esempio, si richiede J/ →

• inefficienza sul segnale: Br(B→J/X)*Br(J/→)~ 0.6%• …oppure si cercano vertici separati

• Ad esempio, per pfascio=920GeV, il B viaggia in media 8mm

NB: 1barn = 1b = 10-24cm-2; 1nb = 10-9b = 10-33cm-2

Un esempio (sfortunato)Desy, Hamburg, Germany

Esperimento ambizioso:Br(B→J/Ks)~10-4

S/B ~ 10-11 !!!

Le ragioni di un insuccesso

• ~150 particelle/evento a 10MHz– Richieste pesanti su tracciamento e trigger (100Hz su nastro)

• Danneggiamento da radiazione e alti rate– Problemi con rivelatori (MSGC)– Inefficienze nella tracciatura → inefficienze di trigger

Ma nonostante tutto…

Sezione d’urto bb totale

Produzione di

Acceleratori e+e-

e+e-→ (4S) → BB• Sezione d’urto BB: ~1nb, continuo (e+e- → qq): 3.5nb (4S) sopra la soglia di produzione BB → solo B+ e B0

d

• Produzione coerente, JPC=1-- → importante per oscillazioni e violazione di CP!

28.0hadr

bb

~ 24MeV~ O(10keV)

Cinematica (4S) → BB

• m(4S)=10.580Gev; 2mB=10.557 GeV• pB=340MeV; c~30m

– Decadimento a riposo– Impossibile effettuare misure

temporali con fasci simmetrici

• 5 tracce cariche, 5 fotoni per decadimento: – Complicato distinguere i 2

decadimenti (combinatorio)

• Discriminazione del continuo:– Event shape– Cinematica– Presa dati al difuori del picco CLEO a CESR, Cornell, USA

Variabili di event shape

• Thrust

• Sfericità

• Fox-Wolfram• Si può costruire un

discriminante di Fisher

i

i

p

tpT

ˆ

qq

BB

2

2

2

)ˆ(3

i

i

p

spS

2

Variabili cinematiche

Si sfrutta il vincolo dell’energia dei fasci per migliorare la risoluzione

Tipicamente:

mes 3 MeV

E 15 MeV

CLEO a CESR, Cornell

L ~ 1032 cm-2 s-1

Presa dati: 1979-2002Integrati ~ 9 fb-1 alla (4S)

Ora: (3770) → DD (charm factory)

Fabbriche di B asimmetriche: PEP2

PEP-II accelerator schematic and tunnel viewPEP-II accelerator schematic and tunnel view

Parametri di PEP-II

Parameter Disegno Raggiunti

Energia LER 3.1 GeV 3.1 GeV

Energia HER 9.0 GeV 9.0 GeV

N. di bunch 1658 1561

Corrente LER 2140 mA 2430 mA

Corrente HER 750 mA 1380 mA

Vita media LER 240 min. 200 min.

Vita media HER 240 min. 660 min.

Beam size x 222 m 190 m

Beam size y 6.7 m 6.0 m

Luminosità 3 x 1033 9.2 x 1033

Correnti alte

4ns bunchcrossing

100 106 B0/anno

Boost: = 0.56

Fabbriche di B asimmetriche: KEK-B

Energia dei fasci: 8 GeV (e-)3.5 GeV (e+)

Correnti: 1.86 A (e+) 1.29 A (e-)

Prestazioni delle 2 fabbriche

• Ottimo funzionamento sia di PEP-2 che di KEK-B…

• Disegno: 30 fb-1/anno…

BaBar BelleLmax (1033/cm2/s) 9.2 15

best day (pb-1) 681 1114

totale (fb-1) 244 424design

Il rivelatore BabarInstrumented Flux Return19 strati di RPC Magnete da 1.5 TRivelatore Čerenkov144 barre di quarzo Camera a deriva

Calorimetro EM5680 cristalli di CsI

Tracciatore di vertice a silicio5 strati di silicio a doppia faccia

Tracciatore di vertice a silicio: misura precisa del z

• 5 strati di rivelatori a doppia faccia accoppiati in AC

• SVT situato in zona ad alta radiazione • Elettronica resistente alle radiazioni (2Mrad)

• Efficienza di ricostruzione degli hit ~98%

• Risoluzione ~15 μm at 00

e- beam e+ beam

Tracciatore di vertice a silicio

Beam pipe

Layer 1,2Layer 3

Layer 4Layer 5

Beam bending magnets

Readoutchips

DCH: Camera a deriva• 40 strati di fili all’interno del campo magnetico da 1.5 Tesla• Misura dell’impulso delle particelle cariche• Misura della perdita di energia per ionizzazione (particle ID)

DIRC: Rivelatore Čerenkov• Luce Čerenkov nel quarzo

– Trasmessa per riflessione interna– Anelli proiettivi nella “standoff box”– Rivelazione con fotomoltiplicatori– Essenziale per identificare K >2 GeV

EMC: Calorimetro elettromagnetico: /0/e ID

• 6580 cristalli di CsI(Tl), con lettura tramite fotodiodi

• Circa 18 X0, dentro il solenoide

• Eccellente risoluzione in energia, essenziale per 0

= 5.0%

)%1.007.085.1()%3.003.032.2()(

4

EE

E

0

Instrumented Flux return: identificazione μ, KL

• Fino a 21 strati di RPC alternati a piani di ferro

• Identificazione di muoni oltre 500 MeV

• Rivelazione di adroni neutri (KL)

• RPC poco efficienti

• Sostituzione con tubi di Iarocci

Belle a KEK-B

I quark b adronizzano75% B0

d/B+; 15% B0s

10% barioni/stati eccitati

e+e- nel continuo

I B viaggiano – (pB~70% Efascio) – Misure dipendenti dal tempo!

~ 1/s ~ (87nb)/(4E2fascio)

– 35 pb a √s = 29GeV – 8 pb a √s = 60GeV– S/B ~ 1/10

Reiezione del fondo:– leptoni ad alto impulso (1-2GeV)– Boosted sphericity product– Parametri d’impatto– vertici secondari…ampio uso in LEP/SLC

e+e- al picco della Z0

• Adronizzazione • Boost c ~ 2mm• (Z0→ff)~GFM3

Z(g2V+g2

A)

– bb ~ 5nb– S/B ~ 1/5

Fermione gV gA Z (MeV)

½ ½ 166

ℓ - ½ + 2 sin2w - ½ 83.5

u, c - ½ - 4/3 sin2w ½ 285

d, s, b - ½ + 2/3 sin2w ½ 369

LEP (1989-2000)

L ~ 1031 cm-2 s-1

ALEPH (1989-2000)

Reiezione del fondo (1)• b→cℓ(BR~20%)

– Eℓmax~ ½ mb ~ 2.5 GeV

• b→c→sℓ• c→sℓ

– Eℓmax ~ ½ mc ~ 0.9 GeV

• p invariante relativistico• p duro (frammentazione)• Altri leptoni da:

– K →, →– →e+e-

– Misidentificazioni• p>3GeV, p>1GeV

– 80% bb– 15% cc– 5% altro

Reiezione del fondo (2)• Parametro d’impatto • vertici secondari

Collisori adronici

• Sezione d’urto molto alta• Tevatron, √s=1.8 TeV

bb~ 18b bb /tot ~ 10-3

• LHC √s=14 TeVbb~ 100bbb /tot ~ 2×10-3

• B0d, B0

s, B+, b, b, B(s)*, B(s)**• Trigger essenziale

– B→ J/ → +-

– Decadimenti semileptonici– Decadimenti adronici con

vertice secondario• Rate disponibile dipende

da programma di fisica• Molte tracce di fondo:

– Tracciatore di vertice ad alta precisione

– Algoritmi di ricostruzione dedicati

Tevatron a Fermilab, Chicago

Run1 (1992-1996)

L ~ 1031 cm-2 s-1

Integrati ~ 150 pb-1

Run2 (2001-2008)

L > 1032 cm-2 s-1

Integrati ~ 350 pb-1

Nel 2009 ~ 4-8 fb-1

CDF & D0

CDF: • trigger con tracce e

vertici secondari• PID: TOF e dE/dx• ottima risoluzione in

massa invariante

D0: • accettanza per • tracciamento in avanti

~75 tracce

LHCb al CERN

L ~ 2 x 1032 cm-2 s-1 1012 bb/anno !

Where to B? Sommario

Acceleratore √s Lcm-2 s-1

bb bb/ had

Nbb/107s

Commenti

CESR 10 GeV 2 x 1032 1.05 nb 1/4 2 x106 + (4S); -a riposo;

- solo B0d, B+

TRISTAN 60 GeV 1 x 1031 0.008 nb 1/11 800 +tutti gli adroni; +time-dep.

-rate piccolissimo

LEP 90 GeV 1 x 1031 5 nb 1/5 5 x 105 +tutti gli adroni; +time-dep.

-basso rate

Tevatron 1.9 TeV 1 x 1032 ~50b 1/1000 5 x 1010 +tutti gli adroni; +time-dep.

-trigger, fondi. accettanza,

LHCb 14 TeV 2 x 1032 ~200b 1/2000 4 x 1011 +tutti gli adroni; +time-dep.

-trigger, fondi, accettanza

PEP-II, KEKB

10 GeV ~1034 1.05 nb 1/4 108 + (4S); +time-dep.

- solo B0d, B+