Physics reach di LHCb

Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (1)

Physics reach di LHCb

Marta CalviUniversità di Milano Bicocca

e INFN Milano

Commissione Scientifica Nazionale I

Frascati 4 Febbraio 2003

To be or not to be ?


Scopi principali di LHCbScopi principali di LHCb

Misure di CP di precisione, con alta statistica Misure di CP in molti canali, anche in canali nuovi, non

possibili altrove (es.Bs) Decadimenti del b rari

Sovra-determinare i parametri dei Triangoli di Unitarietà Evidenziare segnali di Nuova Fisica Distinguere tra diversi modelli oltre lo SM

BdKBdK

BsKK,BsDsK,BsJ/

rapide oscillazioni del Bs

necessità separazione K/

Anche stati finali solo adronici e molti-corpi: Bd , Bd

D


Necessari: Produzione Bs

Alta statistica

Una strategia risolutiva:

· Misure di indipendenti da eventuali contributi di NF nei diagrammi a loop come:

Asimm. CP in Bs DsK e Bs J/

Asimm. CP in Bd D*e B J/KS

+

· Misure di asimmetria in canali particolarmente sensibili a contributi di NF come: Bs J/Bs K*ecc.

Molte estensioni dello SM implicano nuove particelle nei diagrammi a loop

le misure di mixing e di alcune asimm. CP non forniscono direttamente il valore di lati ed angoli dei triangoli CKM.


Vantaggi della fisica del b ad Vantaggi della fisica del b ad LHCbLHCb

bb ~ 500 b bb inel. ~ 0.01

1012 bb / anno con Bd, Bs , barioni, Bc

alta statistica su diversi canali

= 0.4 inter. inel. vis. per bunch crossing

ricostruzione degli eventi più semplice

Rivelatore in avanti 1.9< <4.9

· bb correlati spazialmente b ~ 30 %

· B ad alto momento: 14 c7mm

separazione tra vertici produzione e decadimento

misura del tempo proprio favorita

· Possibile uso di soglie in pT inferiori

pp @ 14 TeV

40 MHz

L = 2x1032 cm–2s-1

Regolata localmente


LHCb: il rivelatoreLHCb: il rivelatore

8 TDR già approvate: Magnete, VErtex LOcator, RICH, Calorimetro, Muon Detector, Outer Tracker, OnLine System

Recente revisione della configurazione di alcune parti del rivelatore (non in discussione le tecnologie) per Sett.03: “Detector Reoptimization TDR” e “Trigger TDR”

Riduzione del materiale davanti a RICH2 (da 0.60 X0 a 0.39 X0) Ottimizzazione della strategia di trigger e di tracking

Punti di forza:

Trigger dedicato, su vari stati finali (leptoni, adroni), adattabile (varie strategie)

Risoluzione di vertice e tempo proprio

Risoluzione in massa

PID: separazione K//p da RICH identificazione da camere MU , e da Calorimetro

Meno interazioni nel rivelatore Trigger livello-1 include la misura del momento

Stato attuale:


VELO: 21stazioni (Rmin= 8mm)Si 220 m, strips R e φ

TT~1.41.2 m2

Si microstrips

~65 m2

3 stazioni Tracking IT : Si strips OT: straw tubes


Il Software di LHCbSimulazione realistica: • Interazioni pp multiple ed effetti di spill-over inclusi• Descrizione del materiale completa, dalle TDRs• Risposta dei rivelatori in dettaglio (efficienze, risoluzioni,

rumore, ecc.), accordata sui risultati dei test-beam• Ricostruzione con patter recognition completo

(mai si ricorre all’informazione originale del Montecarlo)• Pythia 6.2 accordato su dati CDF e UA5• BR’s da PDG2002

Produzione di dati MC con questa simulazione:

• Produzione estate 2002: 3.6 M eventi presso 7 centri

Primi studi di Fisica (solo alcuni canali) risultati preliminari usati per questa

presentazione

• Prossima produzione primavera 2003: ~ 15M eventi ( con sufficienti bb inclusivi per studio fondi )

risultati per le TDRs di settembre

1 M prodotti alla farm LHCb di Bologna-Cnaf

4-5 M saranno prodotti a BO

(110 CPU)


Tracking: simulazione di 1 evento con GEANT3


<N tracce >= 74 ( evento bb )

Tracking Diversi tipi di tracce ricostruiti con diversi

algoritmi, in passi successivi

• TTT : recupera i da KS decaduti dopo il VELO

• Long tracks (VELO+TT+T): la fisica del B• VELO TT: tracce di basso momento: riduzione

fondo nel RICH, K tag, DD

• VELO tracks: ricostruzione vertice primario• T tracks : seeds e secondari

31 % 5 % 36 % 14 % 14 %


““Long” Long” tracks:tracks:

= 95% p>5 GeV/c

“ghosts” rate ~ 8%

@ pT>0.5GeV/c

Parametro d’impatto:

risoluzione tipica per tracce dal B: 20-40

m

Risoluzione sul momento

KS long tracks

BJ/KS

= 75%

p/p ~ 0.43 %

““TTTT” TT” tracks:tracks:

B0J/KSKS T-TT tracks

m(J/KS ) GeV/c2 m() GeV/c2


LHCb Trigger

MU, ECAL, HCAL pile-up VELO, TT evento completo veto

40 MHz 1 MHz 40 kHz 200 Hz (12.4 MHz int. inel.)

Input Livello–0Input Livello–0 Livello–1 Livello–1 HLT HLT su su nastronastro

~310k canali4 s latency 1 ms latency

, h, e, con alto pT (~1-3 GeV/c) ~50k canali

Livello-1 Vertici secondari da tracce

con:· grande parametro d’impatto · alto p T

match con Livello-0 misura di p T dalla curvatura

delle tracce VELO TT nel campo magnetico


Efficienza di Efficienza di Trigger Trigger

Canale L0) L1)

L0*L1)

B0 0.61 0.51 0.31B0 K+K 0.57 0.48 0.27Bs Ds

0.46 0.53 0.24

Bs Ds-K+ 0.44 0.65 0.29

Bs J/ 0.93 0.73 0.68

Bs J/e-e+ 0.52 0.43 0.23

B0J/KS 0.91 0.71 0.65

B0K0 0.82 0.33 0.27

Robustezza L1 verso molteplicità di tracce

Efficienze per eventi di segnale ricostruiti e selezionati

Tutti gli eventi

Bs Ds-K+

Efficienza Livello-1

· High Level Trigger ( sull’evento completo): studio in corso


Identificazione di Identificazione di adroniadroni» Selezioni canali CP ampio spettro momento» Flavour tagging 3 radiatori in 2 RICH

specchi piani fuori accettanza

HPD’s

specchi sferici

schermo in Fe

aerogel

RICH 1 verticale

radiatore aerogel C4F10 CF4

n 1.03 1.0014 1.0005

soglie (GeV/c) K

0.62.0

2.69.3

4.415.6

) (mrad)

1.82 1.26 0.59

N p.e. 6.8 30.3 23.2

RICH 1 RICH2

Separazione K/

<(KK)>=88.%

<( K)>=2.7%

2<p<100 GeV/c

Pixel occupancy media <1% per evento

Risultati da ricostruzione con pattern recognition completo, comprendente fondo


Identificazione di muoni ed elettroni

Identificazione di

<( )>=86. %

<( )>=1. %

In eventi J/

Identificazione di e:

<(e e)>=78. %

<(e)>=1. %

In eventi J/ ee

bJ/

bJ/ee

Identificazione di 0: studio in corso su diversi canali


Risoluzione su vertici e tempo proprio

Vertice Primario

ricostruz>98%

X Y ~ 8.5 m

Z ~ 47m

Vertici secondari:

Mixing Bs0 :

Misura di ms a 5 fino 48 ps-1

Esclusione al 95% CL fino 58 ps-1

Bs0Ds

-

BsDs Ds

KK

Tempo proprio

core=425 fs

core=41831 mcore=16815 m


Risoluzione in massa

Bs0Ds

DsK+K

B0

Fondo dagli altri decadimenti a 2 corpi di B0 , Bs e b

B0K B0s

MB) ~ 18 MeV/c2 (dominata dalla risol. sul momento)

MDs) ~ 3.5 MeV

MBs) ~ 12.6 MeV

KK

purezza 92%

purezza 96%

purezza 98%


Event yields

untagged

Canale efficienza

yield

B0 0.78 % 27 k

B0 K 0.85 % 115 k

Bs KK 0.94 % 35 k

Bs Ds 0.26 % 72 k

Bs Ds-K+ 0.34 % 8 k

Bs J/ 1.66 % 109 k

Bs J/e-e 0.29 % 19 k

B0

J/KS

0.76 % 119 k

B0K0 0.09 % 20 k

L’ efficienza comprende:

Accettanza geometrica: normalizzazione a 4

Pile up atteso (eventi con qualunque numero di interazioni)

Efficienza di trigger: Livello-0 + Livello-1 (con output rate fissata)

Efficienza di rivelazione, effetti di interazioni nel materiale

Efficienza di ricostruzione (tracking, calorimetri, PID con pat.rec. completo)

Efficienza di selezione off-line (ricostruzione stati finali e reiezione fondo)

L = 2x1032 cm–2s-1

1 anno = 2 fb -1


S/BStudi preliminari indicano livelli di S/B simili a quelli quotati nella TP.

Fondo fisico, con topologia simile al segnale, rigettato da tagli su PID e m(B)

La statistica di eventi inclusivi disponibile oggi (106 bb) non consente di determinare con precisione il livello del fondo combinatorio, cosa che verrà fatta con la prossima produzione MC per la TDR.

Altri metodi che saranno aggiunti:

Bs tag con K “same side”

Bd tag con “same side” Analisi in corso

jet charge

studi preliminari sul nuovo MC danno un valore simile

Tagging NON compreso nelle efficienze quotate

LHCb TP: = 0.40 D= 0.40 D 2 = 6.4%

usando SOLO e, , K dal decadimento del b opposto a quello di segnale


Reiezione del fondo combinatorio esempio: B0

d

Fondo combinatorio dominato da eventi bb

Rigettato completamente, anche rilasciando i tagli su m(B)

Il contributo di tracce mal ricostruite resta trascurabile

S/B>1 (TP~1)


Dalla misura di 4 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava (e fissato da B0

sJ/

2 ampiezze albero di ordine simile (3) : asimmetrie grandi, contributi di NF poco probabili

Fondo importante da Ds

da da BB00ss D D--

s s KK+ + , D, D++s s

KK-- Necessari:

Trigger adronico

Separazione K/

Buona risoluzione in tempo proprio

Sensitività in è funzione di:

rapporto delle ampiezze

Differenza di fase forte

Valori di , ms s s

Per ms=20 ps–1:

10oIn 1 anno: 3200 eventi B0

dDsK

triggerati, ricostruiti e taggati


da da BBss J/ J/

SM prevede S 10-

2 Sensibile a contributi di NF nel mixing Bs

0-Bs0

In 1 anno:

43.6 k eventi Bs0

J/

7.6 k eventi Bs0 J/e+e

Triggerati, ricostruiti e taggati

Misura di s :

ss 0.03

per ss =0.15

Bs J/non è stato finale di CP definita: necessario fit a distribuzioni angolari dei prodotti di decadimento

e vite medie

Per ms=20 ps–1:

3o

core36±1 fs


dada BB00dd e e BB00

ss KK++KK

(proposto da R. Fleischer )

• Fit di ACP(t) = Adircos(m t) + Amixsin(m t) per B0

d e B0s K+K

• Basato sulla simmetria di “U-spin” (ds): unica fonte di incertezza teorica

• Misura di se fissato da Bs J/ e fissato da B J/Ks

• Sensibile a contributi di NF che possono essere evidenziati dal confronto con da DsK

Adir, Amix ~ 0.05

~ 3o

per ms =20 ps-1

Necessari:

Trigger adronico

Separazione K/

Buona risoluzione in tempo proprio

In 1 anno:

10.8 k eventi B0d

14. k eventi B0s

K+K

Triggerati, ricostruiti e taggati

With RICH

No RICH

B


Studio preliminare

Bc J/BR ~10-2)

~ 2% 12 k eventi/anno

Fondo da b J/X e prompt J/ridotto da tagli su distanza vertice primario-vertice Bc

Mesoni Mesoni BBcc mBc= 6.4 0.4 GeV

Bc~ 0.5 ps

( ppBc) ~300 nb

109 Bc/ anno

Accettanza in LHCb ~30%

M( J/GeV/c2

Possibili:

Misure di precisione su massa, vita media

Misure di CP con Bc J/D, Bc DsD, DD ecc.


Decadimenti rari: Decadimenti rari: BB K K

BR(B K )=(4.30.4) x105

Violazione di CP diretta nello SM<2%

Sensibile a contributi di NF

In 1 anno:

20 k eventi B K(K)

triggerati e ricostruiti

Risoluzione in massa ~80 MeV

Fondo BKrigettato grazie a diverse elicità K

W

b u,c,t s


Physics reach LHCb 1 year (2fb–1)

osservabile

canale Yield (*) tagged

=0.40

Precisione

Bd J/Ks 48 k * sin 0.02

Bs DsK

Bd D

Bd , Bs KK

Bd DK*

3.2k *73k+460k *10.8k,14k *

0.4k

10o

10o

3o

4o-18o

Bd

Bd

10.8k *1.3k *

dipendente da teoria

5o –10o

Bs J/ 51.2k * 3o

|Vtd|/|Vts Bs Ds

B Xs,d

29 k *17k

ms fino 58 ps

|Vtd|/|Vts 11%

BdK 20k

Bd K 4.5k In blu se relativi alla TP


Sistematiche nelle misure di CPPossibili fonti di errori sistematici:• Efficienze del rivelatore dipendenti dalla carica possono indurre false asimmetrie possono falsare il mistag• Fondi con asimmetrie di CP 0• Asimmetria nella produzione di b e b

Runs alternati cambiando il segno del campo magnetico (magnete caldo)

Uso di campioni di controllo disponibili con alta statistica: Bd

0 J/ K* 600k eventi/anno

B J/ K600k eventi/annoBs

0 Ds72 k eventi/anno Studio delle asimmetrie CP negli intervalli di massa adiacenti il

B


Event yields untagged (107s)confronto* con BTeV

Canale BR LHCb oggi

Yield

LHCb TP

Yield

BTeVYield

B0 4.4 x106 27 k 11 k 14.3 k

B0 K 1.74x105 115 k 38 k 57.5 k

Bs KK 1.74x105 35 k -

Bs Ds 3.0x103 72 k 86 k 59 k

Bs Ds-K+ 2.5x104 8 k 6 k 6.3 k

Bs J/ 6.3x105 109 k 81 k

Bs J/e-e 6.3x105 19 k 32 k

B0 J/K

S

4.4x104 119 k 101 k 168 k

B0K0 4.3x105 20 k 22 k * CAVEAT: per LHCb sono risultati di simulazione e pattern recognition

completi, BTeV usa anche Mcfast e rivelatore a livello “ideale”


Conclusioni LHCb è il rivelatore dedicato in grado di effettuare misure

di fisica del b in molti canali fin dal primo giorno di funzionamento di LHC

Le prestazioni del rivelatore, nella riottimizzazione attualmente in corso, sono al livello di quelle indicate nella

TP, ma valutate ora con un Montecarlo realistico e completo.

LHCb fornisce ampie possibilità per evidenziare eventuali contributi di fisica oltre il Modello Standard

Hamlet: “ There are more things in heaven and earth , Horatio, then are dreamt of in

your phylosophy” (Act I,scene V)

“Very likely the CKM mechanism is the dominant source of CP violation in FC processes ... but rather large corrections are still possible in ms , in CP asymmetries in Bs decays, and in CP asymmetries related to bsss transtions” (Y.Nir, plenary ICHEP02)


Back-up Slides


LHC vs Tevatron >2006

LHC(IP8) Tevatrons 14 TeV 2 TeVbb 500 b 100 b

inelelastic 80 mb 50 mb

L (cm–2s-1) 2 x1032 2 x1032

W bunch crossing 40 MHz 7.6 MHz

t bunch spacing 25 ns 132 ns

z regione luminosa 5 cm 30 cm

interazioni pp inel./bco 0.4 2


BR’s utilizzati

BR(B0 ) (4.40.9) x106 PDG2002

BR(B0 K) (1.740.15) x105

PDG2002

BR(Bs KK) (1.740.15) x105

= BR(B0K)

BR(Bs K) (4.40.9) x106 = BR(B0 )

BR(Bs Ds) (3.00.4) x103 = BR(B0D)

BR(Bs Ds K) (2.50.6) x104 calcolato

BR(Bs J/) (9.33.3) x104 PDG2002

BR(B0 K0) (4.30.4) x105 PDG2002


Molteplicità cariche s=14 TeV, 1.8< <4.9 calcolate con PYTHIA 6.2

(pTmin delle collisioni pp determinato dal fit dei dati UA5 e CDF a diverse

energie)

LHCb standard: <N(bb)>= 33.9 <N(Min.bias)>=21.3

LHCb (pTmin=pT

min-3+ 26% +19%

CDF 2002 Tuning: -20%


Robustezza deltracking

• Dipendenza dell’efficienza dalla moltiplicità “relativa”:

1 NVELO NIT NOT

Nrel= - ( ----- + ---- + ---- )

3 <NVELO> <NIT> <NOT>

Debole anche la dipendenza da:

• numero di interazioni

• efficienza di IT e OT Nrel


Trigger Livello-0: pile up vetoPer L = 2x1032cm–2s-1 @ 40MHz (30 MHz effettivi)

9.3MHz bco con 1 interazione, 3MHz >1 interazione

Pile-up veto 4 piani Si strips -4.2<<-2.9

Scopo: ridurre il numero di eventi con >1 interazione per facilitare ricostruzione del vertice primario, B flavour tagging ecc.

Misura posizione e molteplicità di 2 vertici di interazione

Rigetta eventi con >2 tracce provenienti dal 2o vertice

Nessun taglio su eventi con 2 con pT sopra soglia


RICH

RICH 1

RICH 2

Fotoelettroni da tracce fisiche

Fotoelettroni da fondo (principalmente secondari)

1 evento “tipico”:


VErtexLOcator

• 21 stazioni, dentro il tubo a vuoto 8 mm<R< 42 mm dal fascio

• Si strips: 220 m n-on-n double metal layer, risoluzione ~6m

• Strips segmentate in R e • Irradiazione massima: ~1.3x1014 neq/cm2/anno

• ~200 k canali• Occupazione: sempre <1%

Trigger Livello-0: pileup veto (2 stazioni) Livello-1: vertici secondari

Tracker


Calorimetri•PreShower (scintillatore+Pb+scintillatore) 2X0

•ECAL (Pb+scintillatore “shashlik”) 25X0 (E)/E=10 % /E 1.5 %

•HCAL (Fe+scintillatore) 5.6 int (E)/E=80 % /E 10 %

Purezza ~20% per 0.1<m <0.17 GeV/c2

Ricostruzione di 0


(2

+

)

in d

egre

es

1 year 5 years

da da BB00dd D D*-*-, ,

DD*+*+

Dalla misura di 2 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava e strong (e fissato da J/KS)

Effetto piccolo di interferenza tra 2 decadimeti albero con o senza mixing: indipendente da effetti di NF nel mixing

Ricostruzione esclusiva: ~ 73 k eventi/anno S/B ~ 5.6

Ricostruzione parziale ( lento): ~ 460 k eventi/anno S/B ~ 4.4

triggerati ricostruiti e taggati

10o

Necessari:

Alta statistica

Trigger adronico

10% errore su |0 errore

Assumendo il rapporto delle ampiezze |e strong

Not updated

Dipendente da 2e strong

(degrees)


La misura di da Bd0 è affetta da incertezze dovute al

contributo dei diagrammi a pinguino.

dada BB00dd

L’ analisi completa del decadimento a tre corpi ( analisi dipendente dal tempo del Dalitz plot) B0

d ( , ,

permette di estrarre ed i termini albero e pinguino

M(0

M(

0

In 1 anno:

~1200 eventi B0d ,

~100 eventi B0d

triggerati, ricostruiti e taggati

(M)~35 MeV (con constr.)

Sensitività prevista: 5o-10o

Not updated


|V|Vtdtd|/|V|/|Vtstsda da B B X Xs,ds,d + +

- -

Not updated

BR(B Xd ) |Vtd|2

BR(B Xs |Vts2

· Regione delle risonanze J/ e esclusa

· |Vtd|/|Vts con incertezza teorica O(1%) (A.Ali,G.Hiller)

16 k eventi/anno B, B0 Xs S/B~15

0.6 k eventi/anno B, B0 Xd S/B~1

Errore relativo su |Vtd|/|Vts~11%

(assumendo |Vtd|2/|Vts2=1/30)

Con alta statistica metodo competitivo con md/ ms

~·

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