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Prospettive per la fisica dei sapori pesanti ad LHC

G. PassalevaINFN-Firenze

Pavia, 19 Pavia, 19 -- 21 Aprile 200621 Aprile 2006 Incontri di Fisica delle Alte EnergieIncontri di Fisica delle Alte Energie 22

Sottotitolo: il gioco vale la candela ?


Il quadro attuale

Abbiamo una serie impressionante di bellissime misure diprecisione relative alla fisica del flavour da PEP-II/BABARe KEKB/Belle ,CLEOc, NA48, Daφne.

CDF e DØ al Tevatron Run II stanno ottenendo splendidirisultati sul Bs mixing, rare decays e b baryons.


Il triangolo di unitarieta’ oggi


Statistica alla partenza di LHC

BABAR e Belle: 2 ab-1 = 2 x 109 coppie di B0

Al Tevatron Run II CDF e DØ avranno raccoltocirca 4-8 fb-1 (~2009)


Precisione su α, β e γ nelprossimo futuro

Attualmente le misure sono ancora limitate dalla statistica ma presto raggiungeranno il limite di precisione teorico

00.0050.01

0.0150.02

0.0250.03

0.0350.04

0 1000 2000 3000 40001

σ(s

in2β

)


Il gioco vale la candela ?

SM da’ per ora un quadro molto consistente della fisica del flavour. La fase CKM sembra essere l’unica fonte di CPV

Ma quanto e’ accurata la descrizione della CKM?

Ci sono delle “correzioni” che nascono da effetti di NP ?


Precisione teorica

Per avere un’idea deglierrori teorici su alcunemisure: tabella presentatada Ligeti al workshop “Flavour in the era of LHC”

Molte misure ancora lontanedal loro limite teorico !


b B0

⎧ ⎨ ⎪

⎩ ⎪ d

t ss } φ

ds } K0

W +

Lo SM probabilmente è una manifestazione effettiva di una teoriafondamentale valida a ~ 1TeV. Questa teoria si manifesta in modicomplementari:

In modo diretto con nuove particelle osservate ad es. ad LHC

In modo indiretto, con particelle virtuali che portano a deviazioniosservabili rispetto alle previsioni dello SM nella fisica del flavour e nellaCPV

B0 → φK0 decay: “Penguin” diagramBs–Bs oscillations: “Box” diagram–

W Wb

Bs0

⎧ ⎨ ⎪

⎩ ⎪ s b

s ⎫ ⎬ ⎪

⎭ ⎪ B s

0t

t

∆msSM ∝ |Vts

2|,φs

SM = –arg(Vts2) = –2λη2

? ???

∆ms ≠φs ≠?

?


Strategie per la ricerca di NPStudio di processi FCNC con contributi importanti da NP, in particolare transizioni in b→s ancora poco vincolatesperimentalmente

Bs oscillations (∆ms) e Bs mixing phase (φs)

b → sγ, b → sl+l– , B(s) → µµ

rare K and D decays, D0 mixing

Spingere al massimo la precisione delle misure su CKMConfronto tra due misure della stessa quantità una indipendente e l’altra sensibile alla NP:

sin(2β) da B0 → J/ψKS e sin(2β) da B0 → φKS

γ da B(s) → D(s)K e γ da B0→π+π– e Bs→K+K–

Misura di tutti gli angoli e i lati del UT in modi diversi:Ogni inconsistenza sarebbe segno di NP

Singole misurecon possibilità

di scoperta

CKMologia diprecisione


B-factories vs b-factoriese+e− → ϒ(4S) →

BBPEPII, KEKB

pp→bbX (√s = 14 TeV, ∆tbunch=25 ns)LHC (LHCb–ATLAS/CMS)

Production σbb 1 nb ~500 µbTypical bb rate 10 Hz 100–1000 kHz ☺

bb purity ~1/4 σbb/σinel = 0.6%Trigger is a major issue !

Pileup 0 0.5–5

☺

Event structure BB pair alone Many particles not associated with the two b hadrons

b-hadron types B+B– (50%)B0B0 (50%)

B+ (40%), B0 (40%), Bs (10%)Bc (< 0.1%), b-baryons (10%)

b-hadron boost Small Large (decay vertexes well separated)

Incoherent B0 and Bs mixing(extra flavour-tagging dilution)

Production vertex Not reconstructed Reconstructed (many tracks)

Neutral B mixing Coherent B0B0 pair mixing


Esperimenti ad LHC

ATLAS

ATLAS e CMS: general purpose • Rivelatori centrali, |η|<2.5• B physics sfruttando un trigger di µ ad alto pT

LHCb: dedicato alla fisica del B• Disegnato per massimizzare l’accettanza per coppie bb • Forward, single arm spectrometer, 1.9 < η < 4.9• Trigger a “basso” pT, include modi esclusivi

1

10

10 2

-2 0 2 4 6

eta of B-hadron

pT

of

B-h

adro

n

ATLAS/CMS

LHCb100 µb

230 µb

Pythia production cross section


Luminosità e pileupL = lumiosità istantaneaf = non-empty bunch crossing rateσinel= 80 mb

Pileup: numero di interazioni pp inelastiche in un bunch crossing. Ha una distribuzione Poissonianacon media n = Lσinel/f

ATLAS/CMS (f = 32 MHz)

Puntano alla luminosità più alta possibile. Tuttavia per i primi 3 anni si prevedeL<2×1033 cm–2s–1 (n < 5).

LHCb (f = 30 MHz)

L può essere scelta focheggiando il fascio. La luminosità nominale è <L>~2×1032 cm–2s–1 (max. 5×1032 cm–2s–1)Gli eventi sono “semplici” (n = 0.5)

10 fb–1 / year at low L30 fb–1 total at low L

1

23

4

0

Luminosity [cm−2 s−1]1031 1032 1033

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Pro

babi

lity

pp interactions/crossing

LHCb

n=0

n=1

ATLA

S/CM

S

2 fb–1 / year10 fb–1 in first 5 years


Il trigger di ATLAS

Strategia per il trigger per la fisica del B

Alta luminosità (> 2×1033 cm–2s–1):LVL1: 2 µ, pT > 6 GeV/c

Bassa luminosità e/o fine dei fill:LVL1: single muon, pT > 6–8 GeV/cLVL2: cerca oggetti intorno al µ: − 2o µ (con soglia più bassa) nella muon RoI− Singolo e/γ o coppia e+e– nella EM RoI− Decadimenti adronici del b nella Jet RoI (e.g. Bs → Ds

-π+ )

Trigger level

Total output rate

Output rate for B physics

LVL1 75 kHz 10–15 kHz

LVL2 2 kHz 1–1.5 kHz

EventFilter 200 Hz 10–15 Hz


Il trigger di CMSTrigger per la fisica del B

Level 1: 2 µ con pT> 3 GeV/c ciascuno o singolo µ con pT> 14 GeV/cHLT: ha un time budget limitato

Restringe la ricostruzione dei B a RoI intorno ai µ oppure usa un insiemeridotto di hits/tracce (Dsπ)

Trigger level

Totaloutput rate

(at start-up)

Output rate relevant for B physics

Level 1 50 kHz 14 kHz (1µ)0.9 kHz (2µ)

HLT 100 Hz ~ 5 Hz of incl. b,c→µ+jet+ O(1 Hz) for each excl. B mode


Il trigger di LHCb

Hardware trigger• Fully synchronized (40 MHz), 4 µs fixed latency• “High pT” µ, µµ, e, γ and hadron + pileup info (e.g. pT(µ) > 1.3 GeV/c)

10 MHz (visible bunch crossings)

1 MHz (full detector readout)Outp

ut rate

Event type Physics

200 Hz

Exclusive B candidates

B (core program)

600 Hz

High mass di-muons

J/ψ, b→J/ψX (unbiased)

300 Hz

D* candidates

Charm

900 Hz

Inclusive b (e.g. b→m)

B (data mining)

Software triggerTutta l’informazione disponibile. Limitato solo da CPU time

1st stage: ~1 ms → 40 kHz (could change)Tracks with min. impact param. and pT + (di)muon

High-Level trigger: ~ 10 msFull event reconstruction: excl. and incl. streams

≤ 2 kHz (storage)

Lo splitting tra le varie streams è facilmente ottimizzabile

Larga banda per streams inclusive per calibrazioni e sistematiche (trigger, tracking, PID, tagging)


Tracking performance

Proper time resolutionATLAS: σt ~ 95 fsCMS: σt ~ 100 fsLHCb: σt ~ 40 fs

Mass resolutions in MeV/c2

ATLAS CMS

80 46

–

32

13

43

36

16

Bs → µµ

Bs →Ds π 14

Bs → J/ψ φ 16

Bs → J/ψ φ 8

LHCb

18

Una eccellente risoluzione in tempo proprioè fondamentale ad es. per la misura diasimmetrie time dependent o delleoscillazioni!

without J/ψ mass constraint

with J/ψ mass constraint

Bs→Dsπproper time resolution σt ~ 40 fs

LHCb


Particle ID performance in LHCbUna buona particle ID è di grande importanza per:

• soppressione del fondo ⇒ identificazione di adroni di alto impulso nei decadimenti

del B

• B flavor tagging (K from b→c→s) ⇒ identificazione di adroni di basso impulso

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

Momentum (GeV/c)

Eff

icie

ncy

(%)

Κ → Κ

π → Κ

Kaon ID: ~88%Pion mis-ID: 3%

Simulazione completa della pattern recognition nei due RICH: ottima separazioneπK nel range 2-100 GeV/c


Particle ID performance of LHCb

Bd→ππsignalBs→KK

signal

La capacità di discriminarechiaramente i vari decadimentiB(s) →hh è una proprietà unica diLHCb tra gli esperimenti aicollider adronici

CDF data

Bd→ππsignal


Flavour tagging

LHCb:il tag più efficiente è OS kaon Combinato: εD2 ~ 6% (Bs); ~ 4% (B0)usando una NN si arriva a ~9% per il Bs

Confrontare con:Tevatron: D0 ~2.5% , CDF ~1.5% OS and

~4% SSB factories: ~ 30%

Taggingpower εD2 = ε(1–2w)2 in %

CMS(1999)

(0.6)

(0.5)

−

(2.3)

(2.2)

Tag LHCb ATLAS

Muon 1.0

0.4

2.4

1.0

2.1

Electron

0.7

0.4

−

1.8–2.1

Kaon

Jet/vertex

Same side 2.1–2.4

Qvtx

Bs

B0D

l- K–

K+PV SV

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60

Events

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16IP/σIP

ε(1−2w

)2 (%)

b → K−

b → K+

other K

-cut

Impact parameter significance


Menù• B-mixing:

• “control channel” B0→J/ψ KS• ∆ms con Bs

0 → Dsπφs e ∆Γs con B0

s→ J/ψφ (η)• Decadimenti rari:

• Exclusive b → s µ+µ-

• Bs0 → µ+µ-

• Misura di γ:• Bs→ DsK• B0→ D0K*0

• B± → DK±

• B0→π+π− and Bs→K+K−

• Produzione di b inclusiva• Bc• Charm• …..


sin(2β) da B0→J/ψ KS

• necessario per estrarre γ da B → π π e Bs → K K, o da B → D*π

• nel SM ACPdir~0: un valore non nullo O(0.01) sarebbe segnale di NP

• Prima misura di CPV ad LHC:− serve come benchmark per le analisi

di CP− Studio delle sistematiche sul tagging

• sensibilità:− LHCb: 240k eventi/anno− σstat(sin(2β)) ~ 0.02 (1 anno, 2fb-1)

− ( σ(β)∼0.6°)−ATLAS: stessa sensibilità in 3 anni

(30fb-1)

• Ricerca del termine di CPV diretta0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

ACP

Proper time (ps)

ACP(t) (background subtracted)

LHCb


Oscillazioni del Bs

]−1

[pssm∆40 60 80 100 120

Ασ

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9 = 1.0 ± 0.1simulatedτ∆/τ∆

LHCb

LHCb:

• Misura a 5σ in 1 mese,0.25fb–1

• σ(∆ms) = 0.01 ps−1 (1 anno, 2fb-1)

ATLAS/CMS:

• misura a 5σin (3years, 30fb-1)


φs e ∆Γs da Bs→J/ψφ (η,η’…)E’ l’analogo di B→J/ψKs per il Bs

• nello SM fs = –arg(Vts2) = –2λη2 ~ –0.04 molto sensibile a New Physics

• serve anche per estrarre γ from Bs → Ds K o da B→ ππ e Bs → K K

J/ψφ non è un autostato di CP ma la sovrapposizione di 2 ampiezze CP even e 1 CP odd⇒ È necessario fittare le distribuzioni angolari degli stati finali in funzione del tempo proprio. La misura richiede come input esterno ∆ms e richiede una eccellente risoluzionein tempo proprio.

proper time residual [ps]-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

Even

ts / (

0.0

03 )

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

proper time residual [ps]-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

Even

ts / (

0.0

03 )

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

στ= 38 fs LHCb


φs e ∆Γs da Bs→J/ψφ (η,η’…)

Previsione sulla sensibilità (@ ∆ms = 20 ps–1)

LHCb: 125k Bs→J/ψφ eventi di segnale/anno• σstat(sin φs)~0.031, σstat(∆Γs/Γs)~ 0.011 /(1year, 2fb–1)• σstat(sin φs)~0.013 dopo i primi 5 anni; si possono aggiungere canali

con autostati finali di CP come ad es. J/ψη, J/ψη’

ATLAS: ha un event rate simile ad LHCb ma con minore sensibilità• σstat(sin φs)~0.08 (1year, 10fb–1)

CMS: 100k eventi/anno (10fb-1). Dedicated HLT algorithmσstat(∆Γs/Γs)~ 0.018 (Magini Parma workshop)


Exclusive b → s µ+µ−

s = (mµµ)2 [GeV2]

AFB(s) for B0→K*0µµ

s = (mµµ/mΛb)2^

AFB(s) for Λb→Λµ+µ–^

MSSM C7eff>0

ATLAS expectation for (3yrs, 30 fb–1)

SM

Sensibilità•LHCb:

4400 B0→K*0µ+µ− evts/(yr,2fb–1), S/B>0.4 →si determina C7

eff/C9eff al 13% (SM)

•ATLAS:1000 B0 → K*0µ+µ− evts/(yr,10fb–1), S/B>1

•Other exclusive b → sµµ feasible (Bs, Λb)

Decadimenti soppressi (∆B=1 FCNC), SM BR ~ 10–6

Forward-backward asymmetry AFB(s) nel cms µµ èsensibile a New Physics [A.Ali et al., Phys. Lett. B273,505 (1991)]

Lo zero point può essere calcolato al livello del 5% in SM ed è sensibile NP via valori non-standard deicoefficienti di Wilson


Bs → µ+µ–

Decadimento molto raro, sensibile a NP: BR ~ 3.5 × 10–9 in SM, molto enhanced in SUSY

Best limit dal Tevatron: − D0: 2.3×10–7 at 95% CL − CDF: 0.8×10–7 at 95% CL

LHC ha statistica sufficiente per una misura diretta. Tuttavia è difficile avere una stimaaccurata del fondo:

• LHCb: Full simulation: 10M incl. bb events + 10M b→µ, b→µ events (all rejected)• ATLAS: 80k eventi bb→µµ tagli @generatore, efficienza stimata fattorizzando i tagli• CMS: 10k eventi b→µ, b→µ tagli @generatore, trigger simulato @ generator level,

efficienza come sopra.

1 year Bs → µ+ µ–

signal (SM)b→µ, b→µbackground

Otherbackgrounds

2 fb–1 < 100

< 20

< 1

10 fb–1

10 fb–1

Inclusive bb background

LHCb 30 < 7500

7

7

ATLAS

CMS (1999)

Nuova stima di ATLAS/CMS reach a 1034 cm–2s–1 in progress


γ da Bs → DsK

s sb c

us

B s0 { }D s

−}K +

}K –s sb u

cs

B s0 {

}D s+

Bs→DsK

Bs→Dsπ

• 2 asimmetrie time dependent da 4 decay rates: Bs (Bs) → D-s K+ , D+

s K-

• 2 tree decays (b→c and b→u) della stessa ampiezza (~λ3) interferiscono viaBs mixing

indipendente da NPinterferenza grande

• si misura (γ+ φs), con φs ottenuto da Bs → J/ψ φ • fondo da Bs→ Dsπ (BR~12 più alto)

Rate e fondo ad LHCb

• 5400 eventi in (1year, 2fb-1)

• fondo residuo di Bs→ Dsπ ~ 10%

• S/Bbb > 1 at 90% CL (stimato da 1 MC bb event)


γ da Bs → DsKSi fittano i 4 rates tagged, time-dependent:

• fase di D-s K+ = ∆ + (γ + φσ)

• fase di D+s K- = ∆ − (γ + φσ)

Si estraggono ∆ e (γ + φσ)

DsK asymmetries (5 years, ∆ms=20 ps–1)

−0.5

−0.25

0

0.25

0.5

Asy

m (

Ds −

K+)

t [ps]

Asy

m (

Ds +

K− )

−0.5

−0.25

0

0.25

0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Ds–K+

Ds+K–

• Sensibilità prevista per LHCb (@ ∆ms = 20ps-1 , -20°<∆<20°)

σ(γ) ~ 14° in (1year, 2fb-1) (misurastatisticamente limitata)

• ci sono delle ambiguità su γ che sipossono risolvere sotto opportune ipotesi


γ da B0 → D0K*0

d

b

ds uc

B0⎧ ⎨ ⎩

}D 0

}K*0

}D0

d

b

ds cu

B0⎧ ⎨ ⎩ }K*0

Metodo Dunietz-Gronau-Wyler [Phys. Lett. B270, 75 (1991)]

Due diagrammi colour-suppressed interferisconovia D0 mixing

6 decay rates, self-tagged e time-integrated

rates e fondo (1year, 2fb-1), γ=65o, ∆=0

Mode (+ CP conjugates) Yield S/Bbb (90%CL)

B0 → D0 (K+π-) K*0 (K+π-) 3.4 k

0.5 k

0.6 k

B0 → D0 (K-π+) K*0 (K+π-)

> 2.0

> 0.3

B0 → D0CP (K+K-) K*0 (K+π-) > 0.3

Sensibilità ad LHCb: σ(γ) ~ 8° in (1year, 2fb-1) per 55°<γ<105°, -20°<∆<20°


γ da B± → DK±

Metodo Atwood-Dunietz-Soni [Phys. Rev. Lett. 78, 3257 (1997)]

Si misurano le larghezze parziali B- → D(Kπ) K- and B+ → D(Kπ) K+

Interferenza tra 2 tree B-diagrams, 1 colour-suppressed (rB ~0.15)Interferenza tra 2 tree D-diagrams, 1 Double Cabibbo-suppressed (rD

Kπ ~0.06)

Magnitude ratio: rDKπ

Strong phase diff.: δDKπ

Weak phase diff.: γMagnitude ratio: rBStrong phase diff.: δB

u

b

u sc u

B–⎧ ⎨ ⎩

}D 0

}K–

colour-suppressedu u b c

u s

B–{ }D0}K–

colour-allowed

}K−

}π+

Cabibbo-favouredD0{c

u

udsu

}K−

}π+

Double Cabibbo-suppressedD0{c

u

usdu

Sarà probabilmente la misura di γ più precisa ad LHCbSensibilità: σ(γ) ~ 5° in (1year, 2fb-1)


γ da B0→π+π− e Bs→K+K−

• grossi contributi dai pinguini in entrambi I decadimenti misura sensibile a NP

• si misura l’asimmetria di CP time-dependent per B0→π+π− e Bs→K+K−

• ACP(t) = Adir cos(∆mt) + Amix sin(∆mt)

• Adir e Amix dipendono da γ, mixing phases e rapporto penguin/tree = d eiθ

• si sfrutta la simmetria di “U-spin” (d↔s) [R.Fleischer, Phys.Lett. B459, 306 (1999)]

− dππ = dKK and θππ = θΚΚ

γ (°)

dBs → K+K−

(95% CL)

B0 → π+π−

(95% CL)Bd/s

Bd/sπ/K

π/K

π/K

π/K

Sensibilità:• 26k B0→π+π− , 37k Bs→K+K−, 135k B0→K+π−

• σ(γ) ~ 5° in (1year, 2fb-1)


LHCb performance with 2fb-1 (1 year)Channel Yield* Bbb/S Precision B-factories 2ab-1

<1.0<0.70.3

<0.3<2.0<0.30.50.5

σ(γ) ≈ 14°

σ(γ) ≈ 6°

σ(γ) ≈ 8°

σ(γ) ≈ 5°

σ(α) ≈ 10°

σ(φs) ≈ 2°

0.01 ps-1

σ(sin2β) ≈ 0.022

C7eff/C9

eff with 13% errorNP search

σ(ACPdir) ≈ 0.01

0.8

σ(γ) ≈ 6.5°

σ(α) ≈ 7-15°

CDF17.33±0.35 ps-1

σ(sin2β) ≈ 0.018

0.32-30.7

0.3

β Bd → J/ΨKS 216k 0.8

<2.6<5.7<0.7

γ Bs → DsKBd → ππBs → KKBd → D0(K-π+)K*0

Bd → D0(K+π-)K*0

Bd → DCP(K+K-)K*0

B-→ D0(K-π+)K-

B-→ D0(K+π-)K-

5.4k26k37k0.5k2.4k0.6k60k2k

α Bd→π0π–π+ 14k

φs Bs → J/ΨΦBs → J/ΨηBs → ηcΦ

125k12k3k

∆ms Bs → Dsπ 80k

rare decays Bd → K*µ+µ−

Bs → µ+µ−

Bd → K*γ

4.4k1735k

GLW+D

ADS

Fleischer

Snyder Quinn


LHC performance after 5 years

After 5 years: σ SM expectation

φs(Bs→ ccss) ~0.013 ∼0.035

Br(Bs→ µ+µ−) ~0.7×10−9 ~3.5×10−9

γ (DsK, DK) ~1° ~60° (tree only)

γ (ΚΚ+ππ) ~2° ~60° (tree + penguin)


Conclusioni e … auspiciLHC ha una “potenza di fuoco” enorme riguardo alla fisica del flavour:

Alta statisticaAccesso a decadimenti molto sensibili a NP (b → sµµ, B→µµ etc.)Esperimento dedicato: LHCb

Se NP scoperta ad LHC, la fisica dei quark pesanti darà una descrizione precisa della struttura di flavourSe NP non viene scoperta, le misure di precisione daranno accesso (tramite i loop) a scale di energia più alte e potranno evidenziare effetti di NP in modo indirettoLHC sarà l’unico posto dove si farà fisica dei sapori pesanti nei prossimi 10 (15?) anni: La mole di misure (di precisione) prodotta costituirà una sfida formidabile per i modelli teorici e per le tecniche di calcolo

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