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 ?
Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (2)
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
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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.
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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
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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:
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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
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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)
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Tracking: simulazione di 1 evento con GEANT3
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<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 %
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““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
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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
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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
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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
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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
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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
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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%
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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
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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
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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)
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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
Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (21)
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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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”
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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)
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Back-up Slides
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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
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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
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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%
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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
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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
Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (35)
RICH
RICH 1
RICH 2
Fotoelettroni da tracce fisiche
Fotoelettroni da fondo (principalmente secondari)
1 evento “tipico”:
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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
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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
Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (38)
(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)
Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (39)
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
Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (40)
|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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