Stato di BaBar

Concezio Bozzi

26 Gennaio 2005

Sommario

• Asimmetria materia-antimateria

• Violazione di CP nel sistema del B:– Il modo aureo– Requisiti sperimentali

• Decadimenti semileptonici del B e violazione di CP

• |Vub|

• |Vcb|

Asimmetria materia-antimateria• Sperimentalmente si osserva

che l’universo a tutt’oggi osservabile è composto da sola materia

• Big-Bang: proporzioni uguali di materia-antimateria

• Dov’è finita l’antimateria? • Violazione della simmetria

CP è una delle quattro condizioni (Sakharov)

• Si può osservare violazione di CP in laboratorio?

Storia della violazione di CP1964: Violazione di CP nei decadimenti dei Kappa (Nobel) Wolfenstein postula l’esistenza di una nuova forza,

chiamata Superdebole, responsabile della violazione di CP nel mixing K0K0 e praticamente di nient’altro

1973: Kobayashi e Maskawa osservano che CP potrebbe essere violata nelle interazioni deboli dei quark se ci fossero ALMENO 3 famiglie di quark (solo 2 erano note a quel tempo)

1975: scoperta del leptone terza famiglia di leptoni (Nobel)

1977: Scoperta del quark b terza famiglia di quark (Nobel)

1981: Scoperta del mesone Bd, con vita media “grande” ~ 1ps

1986: Osservazione di oscillazioni materia-antimateria (mixing) nel sistema dei

mesoni Bd

1995: Scoperta del quark t Completamento della terza famiglia di quark

2000: Scoperta del a Fermilab, completamento della terza famiglia di

leptoni

2001: Gli esperimenti alle B-factories BaBar&Belle pubblicano i primi risultati su sin2

Violazione di CP nei mesoni B

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

– bd = B0d

– bs = B0s

– 5 volte più pesanti di un protone• Molta energia disponibile nei decadimenti• Molti modi di decadimento, alcuni comuni a particella e

antiparticella– Vita media ~1.5ps

• Per studiare violazione di CP, ricerchiamo decadimenti comuni a particella e antiparticella e ne studiamo l’evoluzione temporale

oscillazioni materia-antimateria

Il modo aureo: B0d → J K0

s

• Libero da incertezze teoriche • Facilmente rivelabile sperimentalmente

– J/ → ee o – K0

s → + -

• ~1 decadimento del B su 10000– “fabbrica” di mesoni B”: macchina ad alta luminosità

• Rivelatore in grado di fornire:– Identificazione delle particelle – Etichettatura materia/antimateria del mesone B che

decade– Misure precise di tempi di decadimento

Produzione di mesoni B0 • Collisore elettrone-positrone: e+e- (4S) B0B0

• Sperimentalmente “pulito”, produzione B0B0 coerente– Possibile identificare (etichettare) se a decadere e’ stato un

mesone o antimesone B andando a vedere i decadimenti dell’altro

28.0hadr

bb

Sperimentalmente…

At t=0

B0

B0

particella antiparticella

K

z

0SK

/J

e

S4

e

Separazione spaziale =

misura del tempo

Ricostruzione del Modo aureo

Etichettatura:Materia o

Antimateria?0B

0B

Misure di tempo

• Vita media lunghezza di decadimento– L = v•t = v•t’ relatività ristretta, Einstein

1905

– v = c → L = c t’; c = velocità della luce

– “boost” = p/m; p=impulso, m=massa

– vita media = 1.5ps → c= 450m = 0.45mm

• B prodotti alla Y(4S): p ~ 300MeV, m ~ 5GeV– = 0.06 → L ~ 30m → impossibile da rivelare!

• Occorre produrre B con impulso più alto– Fasci asimmetrici

– = 0.56 → L ~ 250m → rivelatori di vertice a silicio

• Elettroni (e− ) da 9 GeV contro positroni (e+) da 3.1 GeV– Energia ECM = 10.58 GeV = massa della (4S)

• La risonanza bb più leggera che decade in coppie di mesoni BB

– Boost = 0.56 permette di misurare tempi di decadimento dei B

• Luminosità di picco 9.2×1033/cm2/s

produzione BB ~10 Hz– 3 volte migliore della luminosità di disegno!

PEP-II Asymmetric B Factory

Luminosità di PEP-II

• BABAR ha accumulato 244 fb1 di dati (256 milioni di coppie BB)– Run 4 (Settembre ’03- Luglio ’04) particolarmente proficuo

Run 4

Run 4

Rivelatore BABAR

Ricostruzione di vertici: rivelatore di silicio a

microstrisce

Impulso di tracce cariche: camera a

deriva in un campo di 1.5 T

Energia dei fotoni e identificazione

elettroni: calorimetro CsI(Tl)

Identificazione di particelle: rivelatore

Cerenkov (DIRC)

Rivelazione dei muoni: giogo +

camere

Tracciatore di vertice a silicio

• 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

Instrumented Flux return

• Fino a 21 strati di Resistive Plate Chambers (RPC) alternati a piani di ferro

• Identificazione di muoni oltre 500 MeV

• Rivelazione di adroni neutri (KL)

• RPC nel barrel in corso di sostituzione con tubi di Iarocci

RPC performance…

RPC,eff. >10%

Tutte le RPC

RPC,eff. <10%

Nuovi tubi di Iarocci (LST) al posto delle RPC

LST Project Overview

•Barrel RPC’s replaced with Limited Streamer Tubes (LST’s)

–An LST is an 8(7)-cell tube ~14cm x 358cm, running at 5500 Volts.

–Produced at pol.hi.tech company in Italy.

•Module _A Layer within a sector consists of 6 to 10 LST Modules

_Each module contains of 2 or 3 8(7)-cell Tubes

–At Princeton and OSU, the tubes are glued onto a SLAC-produced “phi-plane” to form modules, with gas, HV, and electronics connections ready for installation into BaBar

Transition board by Ferrara

Readout and electronics

Single ended signals are sent to Front End Cards (outside the detector) and there amplified and discriminated.

A completely new electronics has been developed to readout the signals from:

- strips (z coordinate – beam line direction) positive signal

- wires (phi coordinate – azimuthal angle)

negative signal

Not amplified signals

Daughter board

Mother board

The new platform for the FEC crates

Designed by Angelo

Bottom sextant: forward view

Brassslabs oneveryother layer

Layer-1

Layer-18Signal cables for wires

Gas lines for Tubes

Event Display from Cosmic event

Violazione di CP: effetti sperimentali

• misura del tempo ed etichettatura perfette

• Misura del tempo perfetta, etichettatura imperfetta

• Misura del tempo ed etichettatura imperfette

F(t) F(t) ACP(t)

D = (1-2) in cui w è la frazione di etichettature sbagliate (mistag).

Occorre misurare la risoluzione in t.

sin2

Dsin2

Occorre misurare la diluizione.

Risultati

• Evidente differenza materia-antimateria!

• Ampiezza dell’oscillazione: “sin2”

• Sin2= 0.722

± 0.040 ± 0.023

Cosa c’è sotto?

• Nel modello standard delle interazioni elettrodeboli, la matrice CKM (VCKM )

è una matrice unitaria che collega gli autostati di massa agli autostati deboli

• 3 parametri reali + 1 fase complessa

• Si tratta di una descrizione completa?– è davvero tutto consistente con una singola matrice unitaria?

. .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

dg

u c t s W h c

b

L

L’unica fonte di violazione di CP !

Parametrizzazione di Wolfenstein

β

-i

-i

γ1 1

1 1 1

1 1

e

e

Fasi

u

d

t

c

bs

Grandezze relative

2

2 2

3

3 2

1 / 2 ( )

(1 )

1 / 2

1CKM A

A i

A i A

VEspansione in =0.22.

Si ignorano i termini del

4o ordine in .

4 parametri:

Triangolo di unitarietà• Unitarietà di VCKM

– Ben rappresentata dall’arcinoto triangolo di unitarietà

– Gli angoli si misurano con i decadimenti dei B (es: J/ Ks)

– Anche i lati possono essere misurati con i decadimenti dei B

0ud ub cd cb td tbV V V V V V

*

*

*

*

*

*

arg

arg

arg

td tb

ud ub

cd cb

td tb

ud ub

cd cb

V V

V V

V V

V V

V V

V V

1

td tb

cd cb

V V

V V

ud ub

cd cb

V V

V V

†CKM CKM 1V V

Test di consistenza

• Si confrontano le misure (contours) sul piano (, ) – Se il modello standard è valido,

il triangolo si chiude• Il blob ci dice che

questo è attualmente vero – ma è ancora grosso abbastanza

per nascondere effetti di nuova fisica

• La misura di sin2 è piùprecisa delle altre– Dobbiamo migliorare le altre

misure per poter fare un test di precisione

Passo successivo: |Vub/Vcb|• Zoom della regione di sovrapposizione

– È ovvio: dobbiamo

restringere l’anello verde

• Lato sinistro del triangolo

1

tanud ub ub

cd cb cb C

V V V

V V V

Misura di |Vub/Vcb| complementare a sin2

Dobbiamo determinare accuratamente sia |Vub/Vcb| che sin2

Decadimenti semileptonici del B• Permettono di vedere dettagliatamente il quark b

all’interno dei mesoni B

• Analogia con la diffusione profondamente inelastica

• Ottima sonda per studiare |Vcb| e |Vub|

• Possiamo studiare anche la struttura del mesone B

Leptoni disaccoppiati dalla corrente adronica

b

,c u

,cb ubV V

W

b ,c u

B

,u d,c uX

W

Approcci sperimentali

• Inclusivo: B → Xcℓv o Xuℓv– Tassi a livello albero

– Occorre calcolare correzioni QCD• Operator Product Expansion (OPE)

– Come si separa Xu da Xc?

• c = 50 × u la misura di |Vub| è molto più difficile

• Esclusivo: B → D*ℓv, Dℓv, ℓv, ℓv, etc.– Occorrono fattori di forma per estrarre |Vcb|, |Vub|

B

X

22 5

2( )

192F

u ub b

Gb u V m

22 2 3

2( ) ( )

192F

c cb b b c

Gb c V m m m

|Vub| inclusivo

• |Vub| si misura da

• Problema: decadimento b → cℓv

• mu << mc cinematica differente– Energia massima del leptone:

2.64 vs. 2.31 GeV– Tecnica usata nelle prime

misure (CLEO, ARGUS, 1990)Spazio delle fasi accessibile: solo 6%• Quanto accuratamente lo conosciamo?

2

2

( ) 1

( ) 50ub

cb

Vb u

b c V

E

b c

b u

22 5

2( )

192F

u ub b

Gb u V m

Come si sopprime un fondo

~50 x segnale?

Cinematica b → uℓv • Ci sono 3 variabili independenti in B → Xℓv

– Eℓ, q2 (massa2 leptone-neutrino), mX (massa adronica)

6%

20%

70%

E2q Xm

Difficoltà Efficienza Errore teorico

Eℓ Semplice Bassa Grande

q2 Complicata Moderata Moderato

mX Complicata Alta GrandeDa dove viene

fuori?

B

uX

Questioni teoriche• Bisogna fare correzioni QCD al livello albero

• Operator Product Expansion dàil tasso inclusivo – Espansione in s(mb) (perturbativa)

e 1/mb (non-perturbativa)

– Incertezza maggiore (±10%) da mb5 ±5% su |Vub|

• Il vero problema è determinare la frazione accessibile

(ad esempio, Eℓ > 2.3 GeV) di decadimenti

2

15

22

2

3( )

22

91

19F u

b

b b su

G

m

V mB X

O

conosciuto (s2) soppresso 1/mb

2

Funzione di struttura• OPE non funziona sull’intero spazio delle fasi

– non converge ad esempio vicino l’endpoint di Eℓ

– Calcolo delle accettanze diventa problematico

• Si risommano termini non perturbativi in una funzione di struttura (Shape Function)– Parametrizza il moto di Fermi del quark b all’interno del mesone B– Distribuzioni a livello di quark spettri osservabili

k

( )f k

B bM m

Caratteristiche basilari (media, deviazione standard) conosciute

Dettagli, specialmente la coda, sconosciuti

0

Shape Function – che fare?• Si misura! La stessa SF entra (al prim’ordine) nei

decadimenti b → s

– Caveat: occorre l’intero spettro E• Si misura solo E > 1.8 GeV• Troppo fondo a energie minori

– Compromesso: si assumono forme funzionali per f(k+)

• Esempio:

• Fit allo spettro b → s per deteminare i parametri• Sistematica: si fitta con altre forme funzionali

f(k+) Spettro Eℓ

inb → uℓv

E1.8

(1 )( ) (1 ) ;a a x kf k N x e x

2 parametri(, a) da fittare

Spettro Eℓ

inb → uℓv

SF da b → s• CLEO e Belle hano misurato lo spettro b → s

– BABAR lo sta facendo

CLEO hep-ex/0402009

Belle hep-ex/0407052

Belle

Fit

E

( )f k

3 modelli

Misure

• BABAR ha misurato |Vub| con quattro diversi approcci

– Correlazioni piccole

– Sistematiche indipendenti, errori teorici quasi indipendenti

Tecnica Referenza

Eℓ > 2.0 GeV hep-ex/0408075

Eℓ vs. q2 hep-ex/0408045

mX < 1.55 GeVhep-ex/0408068

mX vs. q2

Campione B → Xev inclusivo.Statistica alta, purezza bassa.

Rinculo di B ricostruite completa-mente. Purezza alta, stat.moderata.

Misure con mX e q2

• Dati BABAR, 81 fb-1 sulla risonanza (4S)• Eventi con un mesone B completamente ricostruito

– ~1000 modi di decadimento adronici– Il resto dell’evento contiene un B “di rinculo”

• Sapore e impulso noti

• Leptone (pℓ > 1GeV) nel B di rinculo– Carica del leptone consistente col sapore del B – mmiss consistente con un neutrino

• Tutte le altre particelle appartengono a X– Miglioramento della misura di mX

con fit cinematico– Calcolo del q2 di lepton-neutrino

• Fin qui il campione è in prevalenza b → cℓv– Criteri di reiezione del fondo

B adroni ricostruito

completamente

lepton

v

X

BABAR hep-ex/0408068

Reiezione del fondo

• b → cℓv soppresso vetando i decadimenti del D(*)

– I decadimenti del D producono tipicamente almeno un kappa si rigettano eventi con K± e KS

– B0 → D*+(→ D0+)ℓ−v hanno una cinematica caratteristica• + quasi a riposo rispetto al D*+

impulso del D*+ calcolato solo col + • Si Calcola per tutti i +

si eliminano gli eventi consistenti con mv = 0

• Gli eventi scartati non contengono b → uℓv– Si usano per validare le simulazioni delle distribuzioni del fondo

• Si ottiene una distribuzione in (mX, q2) su un campione

arricchito di eventi di segnale

*

2 2( )B Dm p p p

BABAR hep-ex/0408068

Fit a mX

• Dati BABAR, 80 fb-1 sulla risonanza (4S)

– Segnale chiaro di b → uℓv dal fit in mX

– BF inclusiva:

BABAR hep-ex/0408068

BABAR

BABAR3

stat syst theo(5.22 0.30 0.31 0.43 ) 10ubV

3stat sys theo

0.230.21( ) (2.81 0.32 0.31 ) 10uB X l B

Fit a mX, q2

• Fit 2-D per misurare in {mX < 1.7, q2 > 8}

– Buona risoluzione, misura

pulita di

• Accettanza calcolata da Bauer et al.– hep-ph/0111387

3stat syst theo

0.010.02(0.90 0.14 0.14 ) 10 B

3

2 5

3stat syst theo

192

(4.98 0.40 0.39 0.47 ) 10

ubB F b

VG m G

BG = 0.282 ± 0.053

BABAR hep-ex/0408068

Risultati |Vub| inclusivi

• Riepilogo dei risultati |Vub| di BaBar

– Correlazione statistica tra le misure con mX emX-q2 = 72%. Trascurabile per le altre

– Errore teorico della misura mX-q2 diverso dalle altre dipendenza dalla SF trascurabile

Tecnica |Vub| × 103 (SF) × 103

Eℓ > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo 0.46

Eℓ vs. q2 4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo 0.42

mX < 1.55 GeV 5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo 0.45

mX vs. q2 4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo 0.06

Quanto varia |Vub| se si usa la SF

misurata da CLEO

BABAR hep-ex/0408075

BABAR hep-ex/0408045

BABAR hep-ex/0408068

mX vs. q2

|Vub| inclusivo: prospettive

– Misura di |Vub| al ±9%?

Eℓ endpoint

mX fit

Eℓ vs. q2

Risultati “omogeneizzati” dallo Heavy Flavor Averaging Group

Caveats + Outlook

• Per migliorare la precisione nella misura d |Vub| occorre ricalcolare le incertezze teoriche– Il calcolo OPE non converge per mX piccoli

• Sono ora disponibili calcoli usando la SCET

– Le correzioni non-perturbative NLO(1/mb) per b → uℓv e b → s sono diverse

• Le stime disponibili in letteratura sono più o meno equivalenti

– I diagrammi di annichilazione debole possono contribuire significativamente (20%?) vicino all’endpoint di Eℓ

• Occorre misurare separatamente per B0 e B+

• C’è uno sforzo congiunto tra gruppi sperimentali e teorici per migliorare la situazione

|Vcb| Esclusivo

• Il tasso B D*ℓv è

– (w) calcolabile a w = 1, cioè a D* fermo• (1) = 1 nel limite di quark infinitamente pesanti (mb = mc = ∞)

• Calcoli su reticolo danno

– Forma funzionale di (w) sconosciuta• Parametrizzata con 2 (derivata a w = 1) e R1, R2

• R1 and R2 misurabili sperimentalmente, es. CLEO, PRL 76 (1996) 3898

• Misura di d/dw per determinare (1)|Vcb| e 2

22*2

3

( )( ) ( )

48F cbG Vd B D l

w wdw

d F G Spazio delle fasi

Fattore di forma

boost del D* nel sistema del B

0.0300.035(1) 0.919F Hashimoto et al,

PRD 66 (2002) 014503

Misure esclusive di |Vcb|

• Usando (1) = 0.91 ± 0.04, si ottiene

– In accordo con le misure inclusive

– precisione ±5%, ±2% se si includono le misure inclusive

3expt theo(41.4 1.0 1.8 ) 10cbV

Una nuova tecnica sperimentale

• Ricostruzione parziale di D*ℓ tramite leptone e pione – Si sfrutta la cinematica caratteristica del D*+→ D0+

– Efficienza alta (non si ricostruisce il D0)• Su rinculo di decadimenti adronici del B completamente

ricostruiti– Si elimina il fondo dovuto al secondo B – Efficienza di ricostruzione bassa

• Sistematiche ridotte rispetto ad un’analisi più esclusiva (ricostruzione completa del decadimento semileptonico)– Normalizazione (BF della Y(4S)).  – BF del D0

– Efficienza di ricostruzione delle tracce– Efficienza/errori di identificazione delle particelle– Fondi fisici da D**

• Work in progress…

Conclusioni

• BaBar è un esperimento che produce risultati fondamentali nel settore di sapore del modello standard delle interazioni elettrodebolie– Violazione di CP nella fisica del B

• I decadimenti semileptonici costituiscono sonde eccellenti per le interazioni forti e deboli dei mesoni B– |Vcb| e |Vub| complementari a sin2 per la violazione di CP– Determinazione delle masse dei quark pesanti e di parametri

non-perturbativi

• |Vcb| noto al ±2%

– Misure inclusive ed esclusive (B D*ℓv) in accordo

Conclusioni

• Progressi significativi nella misura di |Vub|– Quattro (!) misure di |Vub| ottenute in BABAR con b →

uℓv inclusivo

• Precisione complessiva su |Vub| attorno al 10%

Technique |Vub| × 103

Eℓ > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo

Eℓ vs. q2 4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo

mX < 1.55 GeV 5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo

mX vs. q2 4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo