Fisica del B con i rivelatori ATLAS e CMS Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze Primo...

Fisica del B con i rivelatori Fisica del B con i rivelatori ATLAS e CMS ATLAS e CMS

Riccardo Ranieri

INFN e Università di Firenze

Primo Workshop italiano sulla fisica di Primo Workshop italiano sulla fisica di ATLAS e CMS - PisaATLAS e CMS - Pisa10-11 Giugno 200310-11 Giugno 2003

ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003

Fisica del B Riccardo Ranieri 2

Fisica del B a LHCFisica del B a LHCProgramma Programma

Decadimenti rariDecadimenti rari

violazione di CPviolazione di CP

mixing Bmixing B00ss

Produzione di b a LHCProduzione di b a LHCluminosità: 2x10luminosità: 2x1033 33 cmcm-2-2ss-1 -1

(( 10 103434 cm cm-2-2ss-1-1))

0.5 mb 0.5 mb O(10O(1055-10-1066) ) bb/sbb/s

OO(100) ev/s su nastro (100) ev/s su nastro per per tutti i canali di fisica tutti i canali di fisica interessantiinteressanti

La strategia di trigger è La strategia di trigger è

fondamentalefondamentale



TriggerTrigger

30Collisions/25ns ( 10 9 event/sec ) 107channels(10 16 bit/sec)

Multilevel trigger and readout systems

Luminosity = 1034 cm-2 sec-1 25 ns

25ns

40 MHz

105 Hz

103 Hz

102 Hz

Trigger Rate

Lvl-1

Lvl-2

Lvl-3

Front end pipelines

Readout buffers

Processor farms

Switching network

Detectors

µsec

ms

sec

25ns

40 MHz

105 Hz

102 Hz

Trigger Rate

Lvl-1

HLT

Front end pipelines

Readout buffers

Processor farms

Switching network

Detectors

µsec

sec

40 MHZ40 MHZ

50 kHz50 kHz

100 Hz100 Hz

CMS

30Collisions/25ns ( 10 9 event/sec ) 107channels(10 16 bit/sec)

Multilevel trigger and readout systems

Luminosity = 1034 cm-2 sec-1 25 ns

25ns

40 MHz

105 Hz

103 Hz

102 Hz

Trigger Rate

Lvl-1

Lvl-2

Lvl-3

Front end pipelines

Readout buffers

Processor farms

Switching network

Detectors

µsec

ms

sec

25ns

40 MHz

105 Hz

102 Hz

Trigger Rate

Lvl-1

HLT

Front end pipelines

Readout buffers

Processor farms

Switching network

Detectors

µsec

sec

40 MHZ40 MHZ

25 kHz25 kHz**

2 kHz2 kHz

200 Hz200 Hz

[Event Filter][Event Filter]

HLT

ATLAS

[Region of Interest][Region of Interest]

Le soglie del Trigger di L1 sono ottimizzate per la fisica di scopertaLe soglie del Trigger di L1 sono ottimizzate per la fisica di scoperta selezione di processi ad alto pselezione di processi ad alto pTT

b-jet selezionati con il trigger di muoni (1μ o 2μ)b-jet selezionati con il trigger di muoni (1μ o 2μ)

Riduzione del DAQ all’inizio di LHC (problemi di budget)* * scenario più severo scenario più severo possibilepossibile



L1 Trigger (muoni)L1 Trigger (muoni)Low Lumi

< 2.1

16 kHz DAQ16 kHz DAQ3.6 kHz for 3.6 kHz for

14;3,32.7+0.9=3.6kHzW =90%Z =99%Bs=15%

ATLAS•singolo μ: pT>20 GeV/c0.8 kHz

•2μ: pT>6,6 GeV/c0.2 kHzè allo studio la possibilità di scendere fino a 3-4 GeV/c

(totale L1: 25 kHz, “fattore di sicurezza” non incluso)

CMS•singolo μ: pT>14 GeV/c2.7 kHz

•2μ: pT>3,3 GeV/c0.9 kHz

(totale L1: 50 kHz “fattore di sicurezza” 1/3)

CMS



threshold [GeV/c]TSingle muonp12 14 16 18 20 22 24 26

thr

esho

ld [

GeV

/c]

TD

i-m

uon

p

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

20 Hz30 Hz

40 Hz

50 Hz

60 Hz

70 Hz

80 Hz

Low LuminosityLow Luminosity

CMS

High-Level Trigger (muoni)High-Level Trigger (muoni)

Banda riservata al Banda riservata al trigger di muoni:trigger di muoni:

ATLASATLAS: : 50 Hz50 Hz(40 Hz μ20i+2μ10 e 10 Hz (40 Hz μ20i+2μ10 e 10 Hz 2μ6 con m2μ6 con mB,J/B,J/))

CMSCMS: : 29 Hz29 Hz(25 Hz μ(25 Hz μ1919 e 4 Hz μ e 4 Hz μ7,77,7 con con isolamento)isolamento)

30 Hz30 Hz



Singolo muone – HLT Singolo muone – HLT streamstream

threshold [GeV/c]Tp

5 10 15 20 25 30

Rat

e [H

z]

10-1

1

10

102

103

104

all

/K

+X c/b

+X

W-+

25 Hz

b/c

W

Solo ~5 Hz sono eventi b/c: 1 HzSolo ~5 Hz sono eventi b/c: 1 Hz101077 ev/y a bassa luminosità ev/y a bassa luminositàNon è abbastanza per decadimenti con BR<10Non è abbastanza per decadimenti con BR<10-4-4 e ε e εselsel<10%<10%

CMS



High-Level TriggerHigh-Level Trigger• I risultati precedenti si possono migliorare

– utilizzo dei sistemi di tracciatura– algoritmi che richiedano solo una frazione di

dati• Region of Interest (RoI) • ricostruzione tracce

– quasi offline– condizioni di stop

• velocità di esecuzione– misure di timing degli algoritmiGli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie:

1. Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,,jet,…) ”Trigger elements”

2. Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti) ”Hypothesis algorithm”



ATLAS & CMS startupATLAS & CMS startup

Pixel Vertex detector: 2+1 layer invece di 3+2 ?

Camere μ: Trigger L1 limitato a |η|<2.1 (< elettronica)

Pixel Vertex detector: 2 layer invece di 3

TRT (straw tubes): accettanza limitata |η|<2

Riduz

ione

dei

trigg

er

Riduz

ione

dei

trigg

er

proc

esso

rs

proc

esso

rs



Canali di benchmarkCanali di benchmark

• Di-muon Trigger L1:– Bsμμ

– BsJ/(μμ) (KK)

• Canali adronici (Trigger L1 di singolo muone sul secondo bμ):– BsDs(π(KK)) π[a1]



Decadimenti rari: BDecadimenti rari: Bssμμμμ

• FCNC bs o bd a livello di loop nel Modello Standard– BR(Bsμμ)=(3.5±1.0)x10-9

– correzioni MSSM (alto tanβ)nuova fisica» Br(Bsμμ)=3x10-6(tanβ/50)6(200 GeV/mA)4 loop

Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità) sono favoriti rispetto a LHCb



BBssμμ – trigger (CMS)μμ – trigger (CMS)

• L1: 2μ pT>3 GeV/c, =15.2% Rate=900 Hz

• HLT:

– Seed nei pixel: pT > 4 GeV/c intorno ai muoni

– Propagazione tracce:- stop se pT<4 GeV/c @ 5σ o Nhit=6 o σ(pT)/pT<0.02

- Ricostruzione Bs se e solo se 2 tracce di carica opposta in mBs±150 MeV/c2

- Vertice20 e drφ> 150 μm

• Tempo di CPU richiesto = 240 msec [1 GHz PIII]

CERN/LHCC 2002-26

CMS TDR 6.2

“The Trigger and Data Acquisition project, Volume II

Data Acquisition & High-Level Trigger”



BBssμμ – analisiμμ – analisi

L1 L1 HLT HLT Global Global

(=L1xHLT)(=L1xHLT) ev/10fbev/10fb-1-1 Trigger RateTrigger Rate

15.2%15.2% 33.5%33.5% 5.1%5.1% 4747 <1.7Hz<1.7Hz

HLTHLT Full TrackerFull Tracker

Analisi offline (Analisi offline (SM BR=SM BR=3.5x103.5x10-9-9))(L1 μ trigger in |(L1 μ trigger in ||<2.4 invece di ||<2.4 invece di ||< 2.1)|< 2.1)

10 fb10 fb-1 -1 7 eventi di segnale <1 fondo 7 eventi di segnale <1 fondoosservazione a 5σ con 30 fbosservazione a 5σ con 30 fb-1-1

inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminositàinoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità

= 46 = 46 MeV/cMeV/c22

= 74 = 74 MeV/cMeV/c22

hep-ph/9907256

A.Nikitenko, A.Starodumov, N.Stepanov

“Observability of B(d)sμμ decay with the CMS detector”



Oscillazioni BOscillazioni Bss/B/Bss

B0s e B0

s sono gli autostati di flavoursovrapposizione degli autostati di massa BH e

BL

Oscillazioni B0

sB0s

con frequenzaΔmsmH-mL

Difficoltà all’interno del Modello standard a giustifcare valori di Δms superiori a 25 ps-1nuova fisica

--

-

-



CMS L1 μ

Troppo ottimista!!!

BBssDDssπ – L1 Triggerπ – L1 Trigger

Trigger di L1: 1 muone dal secondo b (+ 1

“soft” jet)

P(bBs) x Br(BsDs KK ) ~ 5 x 10-5

BS-BS mixing: ΔmS 14.4 ps-1 @ 95% CL -

Muon pT[GeV/c]

>

Jet ET[GeV]

>

Rate [Hz]

ev/20 fb-1

4 no jet 50 k 106 k

10 20 2.5 k 9.6 k

14 no jet 3.2 k 11 k

CMS NOTE 2002/045

A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov

“Study for a High Level Trigger for the decay channel BsDsπππKKππ”



HLT ε=10%

HLT Rate troppo alto

BBssDDssπ – HLT Triggerπ – HLT TriggerHLT [640 ms/ev fondo, 460 ms/ev segnale]:

1. Vertice Primario2. Ricostruzione parziale tracce 2 pixel+1 Si dell’intero evento3. Tagli topologici: ΔR(KK)<0.3, ΔR(π<1.2, ΔR(Dsπ<2.0,

Δφ(Bs,μ)>0.6

4. Tagli cinematici: pT()>2 GeV/c, pT(Ds)>4 GeV/c, pT(Bs)>5 GeV/c

5. Massa invariante: ΔM<15 MeV/c2, ΔMDs<75 MeV/c2, ΔMBs<270 MeV/c2

L1 Muon pT[GeV/c]

>

L1 Jet ET[GeV]

>

HLT Rate [Hz]

HLT ev/20 fb-

1

4 no jet 270 11 k

10 20 21 1 k

14 no jet 17 1 k



BBssDDssπ – analisiπ – analisi

BBssDDss=5 =5 MeV/cMeV/c22

=25 =25 MeV/cMeV/c22

=95 =95 MeV/cMeV/c22

1 anno a bassa luminosità (20 fb1 anno a bassa luminosità (20 fb-1-1): ): Downscale (0.25 μDownscale (0.25 μ1414 + 0.17 μ + 0.17 μ1212) ) L1: 1 kHz HLT: 5 Hz L1: 1 kHz HLT: 5 Hz

300-400 ev segnale 300-400 ev segnaleΔmΔms s fino a 20 psfino a 20 ps-1-1

1000 eventi per test SM: Δms 26 ps-1 @ 99% CL

Non si può utilizzare tutto il rate L1 (2.7 kHz) a causa Non si può utilizzare tutto il rate L1 (2.7 kHz) a causa dell’alto HLT rate in uscita: si può migliorare ancoradell’alto HLT rate in uscita: si può migliorare ancora



BBssDDssπ – prospettiveπ – prospettivexs=Δms/Γs

2 fb-1 (RunIIa) e 6.5 fb-1 (RunIIb) ~2008

–Risoluzione in tempo proprio:t = 45 fs t pT/pT (L00+SVX)

Sensibilità fino a xs 6070

Test dello SM (xs~30) con < O(10k) eventi

Bassa Luminosità 30 fb-1 ~2008

–Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs

Sensibilità fino a Δms<29.5 ps-1 (xs<43)

LHCb: 1 anno = 2 pb-1 72k

80K

40K

20K

10K

70K

60K

50K

30K

0

Nu

mero

di Even

ti p

er

osserv

azi

on

e a

5 s

igm

a

CDF

ATLAS

B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz

EPJdirect CN3, 1-23 (2002)

“Prospects for the measurement of B0

s oscillations with the ATLAS detector at LHC”



BBssJ/J/ - la fisica - la fisica

Analisi angolare per misurare s

J/

Bs

Bs

J/

Colour Singlet exchange

BR(BsJ/ )=(9.3±3.3)x10-4

J/ℓ+ℓ- (BR≈6%)K+K- (BR≈49%)

CP violation weak phase s= 2= -22

SM: s ~O(0.012÷0.027)



BBssJ/J/ - trigger - trigger

• L1 2 muoni– CMS: 2μ pT

μ>4 GeV/c 0.9 kHz

• HLT– L2: J/μ+μ-

• |mμμ-mJ/|<~100 MeV/c2

• fit del vertice: 2<20

• decay length (piano trasverso): d0>~200 μm

– L3: K+K-

• combinazioni di tracce di carica opposta ricostruite (CMS: 6 hit) intorno alla J/: |mKK-m|<~10 MeV/c2

– BsJ/ • fit vertice 3D + massa invariante



BBssJ/J/ - massa del B - massa del Bss

Risoluzione HLTRisoluzione HLT

= 22.4 = 22.4 MeV/cMeV/c22

BBss

= 46.5 = 46.5 MeV/cMeV/c22

J/J/ = 2.2 = 2.2 MeV/cMeV/c22



è richiesto maggior tempo di CPU (660 ms/ev addizionali)

Rate ridotto al minimo

Numero di eventi l’anno analogo a LHCb (TDR)

260 ms/ev su Pentium III 1 GHz

si analizzano tutti gli eventi che passano L1

BBssJ/J/ - selezione (CMS) - selezione (CMS)

Lvl-1 Lvl-1 Lvl-2 Lvl-2 Lvl-2 Rate Lvl-2 Rate Lvl-3 Lvl-3 Lvl-3 RateLvl-3 Rate Events/20 fbEvents/20 fb-1-1

16.5%16.5% 13.7%13.7% 14.5 Hz14.5 Hz 8.7%8.7% <1.7 Hz<1.7 Hz 167167 600600

CERN/LHCC 2002-26

CMS TDR 6.2

“The Trigger and Data Acquisition project, Volume II

Data Acquisition & High-Level Trigger”



BBssJ/J/ - analisi - analisi

CERN 2000-004

“Proceedings of the Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC”

ℓ+

ℓ-

K+

K-

Analisi angolare BsJ/μμKKsu un campione di 600600 000 000 eventi (σT=0.063 ps, 10% fondo):1/Γs = 1.54 ps ΔΓs s(xs=20)

s(xs=40)

Value0.15xΓ

s0.04 0.8

Error 8.0% 0.014 0.03Errore su Errore su ΔΓΔΓss vs stat. vs stat.

ΔΓΔΓs s //ΓΓs s < 15 % < 15 %

ss(x(xss=20) ~ 0.015 rad=20) ~ 0.015 rad

ss(x(xss=40) ~ 0.03 rad =40) ~ 0.03 rad

60 fb60 fb-1-1



Misure di precisione: Misure di precisione: BBddJ/J/KKss

1 year @ 1033 cm-2 s-1 ATLAS CMS

TriggerOffline

S/B

800 k170 k

31

4400 k430 k

8

Lepton tagJet/charge tag

Total

0.0390.0260.017

0.0310.0210.015

ATLAS+CMS 3 years @ 1033 cm-2 s-1

ATLAS+CMS 3 years @ 1033 cm-2 s-1

+ LHCb, 5 years @ 1032 cm-2 s-1

0.007 0.005

Bd J/ Ks sin2

CERN 2000-004

“Proceedings of the Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC”

Trigger L1 μ

NON ATTUALE!!!

ATLAS: 1 μ pT>6 GeV/c (20) + L2 secondo μ pT>4 GeV/c

CMS: pT>7 GeV/c (14) o 2μ pT>4 (3) GeV/c

B0

d J/ Ks



δsin2β - prospettiveδsin2β - prospettive

AnnoBaBar

+Belle

CDF ATLAS CMS LHCb

2002 0.06

2006 0.03 0.06

>2007 (1

anno di run)

0.02 0.04 0.02 0.02 0.03

ATLAS e CMS sono competitivi

Media mondiale: sin2β=0.734±0.055 [δs/s=7.5%]



Decadimenti radiativi: Decadimenti radiativi: BBddKK**

b s,d

W-

u,c,t

•Nuovi vincoli sui parametri della matrice CKM (Vts,Vtd):

x R x Br (B

K*)

Br (B

) =|Vtd|

|Vts|

2

2

Form factors ratio

Phase space factor

•Vincoli su parametri di QCD (fattori di forma, mb) da misure di Branching Ratio:

Br (BdK*) = (7.2±1.1) x 10-5 x

1.6ps

mb4.65

2(K

*)0.35

2

x x

Form factor

B quark mass

•Asimmetrie di CP in B, violazione di isospin in BK* e B.



BBddKK** - selezione (ATLAS) - selezione (ATLAS)

• L1 singolo muone– ATLAS: μ pT

μ>6 GeV/c (si assume 85% efficienza)

• HLT– L2:

• cluster ET>4 GeV

• selezione nel calorimetro (/π0 rejection)

• Offline• K0*K+π- (fit vertice)

• Massa invariante Bd

S.Viret,S.Ohlsson-Mahlek

4th ATLAS Physics Workshop Athens 2003

“Radiative b-decays with ATLAS (preliminary)”

PRELIMINARY

(Bd)=80 MeV/c2

reco(Bd)=8.5%

N(Sig)/y = 143k

N(Bkg)/y = 55x106

Bd purity=60%

S

B~ 19



LHCb

BBddKK** - confronto - confronto

• Valore misurato:Br(BdK*)=(4.23±0.40±0.22)x

10-5

• Eventi/1 anno:– ATLAS: 143k– LHCb: 20k– b-factories: 6k[confronti difficili, S/N]

LHCb: Risoluzione in massa ~80 MeV/c2

Fondo B0K*π0 rigettato grazie a diverse elicità K*



B Trigger e tabella HLTB Trigger e tabella HLT• La banda di trigger dedicata alla fisica

del B allo startup di LHC dipenderà da:1. Luminosità

– Minore luminosità maggiore banda B trigger

2. Rate del fondo– Il “fattore di sicurezza”…

3. ₤€ r¥$or$€ f¥nanz¥ar¥€– Per acquistare trigger processors

Inoltre è allo studio la possibilità di abbassare le soglie per il trigger di B quando la luminosità sarà più bassa durante il fill di LHC



σ(ppσ(ppbX) e σ(eebX) e σ(eebbX)bbX)

Le sezioni d’urto osservate sono più alte di quella attese (QCD): fattore 2 TeVatron TeVatron fattore 3 LEPLEP

Statistica ed energia più alte a LHC: sfida per la QCD perturbativa (anche NLO)



ConclusioniConclusioni ATLAS e CMS sono competitivi nello studio della

fisica del B, anche se non sono progettati per questo

Sono fondamentali per la selezione di B (High Level Trigger) sia la regionalità (RoI) che la tracciatura veloce

Risultati promettenti, ma c’è ancora molto lavoro da fare

Molto dipenderà dalle condizioni iniziali di LHC: Minore luminosità Maggior fisica del B

Trigger (ATLAS) e Physics (CMS) TDR tratteranno più in dettaglio questo argomento

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