Misure esclusive ed inclusive di |V cb | nei decadimenti semileptonici dei mesoni B Diego Monorchio Università “Federico II” di Napoli e INFN Incontri.

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1 Misure esclusive ed inclusive di |V cb | nei decadimenti semileptonici dei mesoni B Diego Monorchio Università “Federico II” di Napoli e INFN Incontri di Fisica delle Alte Energie Torino 14-04-04

2 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 2 Sommario Misure esclusive –Framework teorico: HQET –Strategia di analisi –LEP vs. B-factories –|V cb | in B  D* –|V cb | in B  D –Risultati Misure inclusive –Framework teorico: OPE –Strategia di analisi –LEP vs. B-factories –Momenti dello spettro leptonico –Momenti dello spettro in M X –Risultati

3 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 3 V cb nei decadimenti esclusivi B  D ( * ) Fattori di forma della transizione adronica B  D ( * ) :  Non sono noti dalla teoria  Nel limite di Heavy Quark Simmetry F ( ) (1)  1 La HQET fornisce la relazione tra |V cb | e la larghezza di decadimento differenziale d  /dw ( ) * * Funzioni note (spazio delle fasi) si annullano in w=1 *

4 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 4 B  D * v.s. B  D Il decadimento B  D* presenta notevoli vantaggi rispetto a B  D   BR(B d 0  D*  ) ~ 4 BR(B d 0  D  )  K D (w  1) ~ (1-w) 3/2 mentre K D* (w  1) ~ (1-w) 1/2.  Il fondo combinatorio è inferiore.  Correzioni al primo ordine in 1/m Q nulle per F D* (1) ma non per F D (1).  L’estrazione di |V cb | è affetta da una minore incertezza teorica. Lo studio del decadimento B  D  costituisce comunque un importante check di consistenza della HQET. b q c q  w  A partire dalle misure di |V cb |F (*) (w) si ottiene |V cb | estrapolando il valore a w=1 (zero recoil).

5 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 5 B  D*l : B-factories v.s. LEP p B ~ 0.3-1.0 GeV –Efficienza fortemente dipendente da w e dall’impulso del  soft Vincoli dalla cinematica del decadimento a due corpi –Miglior reiezione dei fondi –Miglior risoluzione in w BABAR-BELLE CLEO DELPHI-OPAL-ALEPH p B ~ 30 GeV –Efficienza costante in w – p soft ~1 GeV Energia del B non ben determinata –Più difficile la soppressione dei fondi –Peggior risoluzione in w Y(4S)  BB Z  bb

6 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 6 Selezione degli eventi  Criteri per l’identificazione del leptone  Tagli cinematici per ridurre la contaminazione di eventi di fondo  m= m(D 0  ) -m(D 0 ) D 0 inclusivo O PAL B A B AR D 0 esclusivo B d  D* +  -  B d  D* +  -  D 0  soft 0 K-+K-+ K-++-K-++- K-+(0)K-+(0) Si selezionano candidati D*   K s  +  - inclusivo  m (GeV)

7 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 7 Stima del fondo da B  D*X Alla Y(4S) si fa uso della variabile: topology info events/0.27  data D *  D **  Comb. Bg.DELPHI CLEO In signal In D** background Coda a cos  BY <-1 Alla Z si utilizzano variabili topologiche. La componente di eventi B  D*X determinata simultaneamente a |V cb |F(1) in un maximum likelihood fit. OPAL Muons K  B A B AR D *  (73.5%) D **  (7.5%) Fake lep (0.3%) Uncorr (6.2%) Correlated (1.5%) Contin. (3.2%) Fake D* (7.75%) Numero di eventi di segnale e di fondo D** determinato in ciascun bin di w da un fit in cos  BY

8 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 8 Fit a |V cb |F(w) F(w)=F(1) [1- 8  A 2 z+(53  A 2 -15) z 2 -(231  A 2 - 91)z 3 ] G [R 1 (w),R 2 (w)] Parametrizzazione di Caprini, Neubert, Lellouch [ NPB 530, 153 ‘98 ]: Parametri da determinare tramite il fit a |V cb |F(w) Funzionale noto Misurati da CLEO [PRL 76, 3898 ‘96] z = w+1 - 2 2 w+1 + CLEO B A B AR preliminary

9 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 9 Principali sorgenti di errore Confronto tra gli errori statistici D ELPHI A LEPH C LEO O PAL BABAR  V cb /V cb (%) B ELLE (partial stat.) Principali contributi all’errore sistematico Y(4S)  Br(Y(4S)  BB), Br(D 0 )  Efficienza ricostruzione soft pion  Efficienza ricostruzione altre tracce  Composizione fondo D**  R 1 (1) R 2 (1) Z  B(b  B 0 )  Efficienza di selezione delle tracce  Risoluzione in w  Composizione fondo D**  R 1 (1) R 2 (1)

10 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 10 Media Mondiale |V cb | = (40.1 +/-0.9 exp +/- 1.8 theo )10 -3 Ellissi:  2 = 1 (stat.+syst.) Usando F(1) = 0.91 +/- 0.04 theo F (1)|V cb |=(36.5  0.8)x10  3  A 2 = 1.47  0.13 corr( F (1)|V cb |,  A 2 )=0.49  2 /d.o.f.=2.12 Misura dominata dall’incertezza teorica Scarsa consistenza tra i risultati Misure riscalate agli stessi parametri di input: B(Y(4S)  B 0 B 0 ), B(b  B 0 ), B(D*  D 0  ), B(D 0  K , K3 ,...)

11 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 11 B elle Test HQET Dai risultati di Belle su D* e D +  2 D -  2 D* =-0.23  0.29  0.20 G (  )/ F (  )=1.16  0.14  0.12 Compatibile con le previsioni teoriche |V cb | da B  D Stessa tecnica di D* Fondo combinatorio e da D* Soppressione di elicità a w  1 G (1)|V cb |=(42.4  3.7) x10  3  G 2 = 1.16  0.16 Con G (1)=1.04  0.6  2 /d.o.f.=0.1 |V cb |=(40.8  3.6 exp  2.4 theo )x10  3 Compatibile con B  D* Errore del 10% B elle World average

12 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 12 Misure inclusive di |V cb | |V cb | può essere determinato a partire dalla misura della larghezza di decadimento inclusiva: Coefficiente teorico. Fino al 2002 rappresentava il principale contributo all’errore su |V cb |. Assunzione dualità quark-adrone S j G (B  X c l n )= G( b  cl n ) j Kinetic mass scheme Correzioni perturbative di QCD Sviluppo in  s All’ordine (1/m b ) 3 6 parametri non noti Necessità di trovare vincoli sperimentali….. L’origine dell’errore teorico su  th resa esplicita dalla Espansione OPE (Operator Product Expansion) Fattore di spazio delle fasi Determinato sperimentalmente al 1%.  th |V cb | 2 =

13 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 13 Parametri OPE e ruolo dei momenti Parametri da determinare:  m b (1GeV), m c (1GeV) masse cinetiche dei quark  Ad O( 1/m 2 b )    energia cinetica del quark b all’interno del mesone   G accoppiamento cromomagnetico dello spin del quark b al campo gluonico  Ad O(1/m 3 b )   D termine di Darwin   LS termine di spin-orbita Strategia  Misura dei momenti:  Fit dei parametri sfruttando le relazioni ricavate dalla OPE Distribuzione di massa adronica M X o spettro in energia del leptone E nei decadimenti inclusivi B  X c

14 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 14 Analisi dei momenti: BaBar vs. Delphi  Vincoli cinematici utili nella reiezione dei fondi.  Informazioni dall’altro B dell’evento  Taglio minimo sull’impulso del leptone necessario per una buona identificazione.  Peggior risoluzione nel ricostruire il sistema dei B  Il boost del mesone B (p B ~30GeV) offre la possibilità di esplorare l’intero spettro leptonico  Uso di formule non troncate per i momenti |V cb | Risultati recenti

15 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 15 Delphi: Momenti dello spettro leptonico Risultati della misura dei primi 3 momenti:  E  =1.383  0.012 stat  0.009 sys GeV  (E  E  ) 2  =0.192  0.005 stat  0.008 sys GeV 2  (E  E  ) 3  =  0.029  0.005 stat  0.006 sys GeV 3 Taglio p Lab > 2.5 GeV :  Ottima reiezione del fondo fake-lepton  Sensibilità a tutto lo spettro di energia del leptone nel sistema di riferimento del B Ricostruzione completa del sistema adronico X c e del neutrino (missing energy). background subtracted unfolded spectrum e+  Risoluzione su p* ~250 MeV Fondo principale: eventi b  c 

16 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 16 Delphi: Momenti dello spettro in M X Signal: Ricostruzione esclusiva dei decadimenti B 0  D** - con la D** che decade nei canali: D**  D 0    D**  D +    D**  D* +    Una variabile discriminante costruita a partire dalle informazioni topologiche dell’evento separa il segnale dal fondo. D *+  - Fit in  M = M(D (*)  )-M(D (*) ) in cui si tiene conto dei contributi degli stati risonanti e non.

17 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 17 Delphi: Momenti dello spettro in M X Dal fit si ottengono:  la misura del branching ratio complessivo BR(B 0  D ** - )=(2.6  0.5  0.4)%  Contributo dominante dalla risonanza D 1 *.  Le masse e le larghezze dei diversi stati risonanti e la slope della componente non risonante = p D m n D +p D* m n D* + (1-p D -p D* ) = p D m n D +p D* m n D* + (1-p D -p D* ) Dalla relazione: si determinano i momenti dello spettro in M X : M 1 = = 0.647±0.046±0.093 (GeV/c 2 ) 2 M 2 = =1.98±0.23±0.29 (GeV/c 2 ) 4 M 2 ’= ) 2 >=1.56±0.18±0.17 (GeV/c 2 ) 4 M 3 ’= ) 3 >=4.05±0.74±0.31 (GeV/c 2 ) 6

18 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 18 Delphi: Fit ai parametri OPE |V cb | = 42.4  (1 ± 0.015 expt. ± 0.019 fit. ± 0.010 theo. )  10 -3  s (m b /2, 2m b ) m b, m c,  ,  D,  G,  LS 2233 LEP  b, m b (1GeV) = 4.570  0.082  0.010  0.005 GeV m c (1GeV) = 1.133  0.134  0.019  0.020 GeV   = 0.382  0.070  0.031  0.020 GeV 2  D = 0.089  0.039  0.004  0.010 GeV 3 2 3 kin Value  error fit  sys. mom.  sys. theo. m b = 4.57  0.10 GeV m c = 1.05  0.30 GeV kin  G = 0.35  0.05 GeV 2  LS = - 0.15  0.15 GeV 3 2 3 Da un fit simultaneo ai momenti dello spettro leptonico e dello spettro in M X vengono determinati i 4 parametri OPE: m b (1 GeV), m c (1 GeV),    D Nel fit sono fissati i parametri: ed imposti i vincoli:  2 /d.o.f.=0.96

19 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 19 BaBar: Momenti dell’impulso del leptone Selezione basata sull’identificazione di un elettrone di tag altamente energetico (p*>1.4GeV) e di un elettrone di segnale con p*>0.5 GeV. Campione di eventi suddiviso nei sottocampioni unlike-sign e like-sign. Lo spettro dell’elettrone in eventi di segnale si ottiene dalla formula ed applicando correzioni agli effetti di Bremsstrahlung

20 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 20 BaBar: Momenti dello spettro in M X Ricostruzione completa del decadimento adronico di uno dei due mesoni B dell’evento. Decadimento semileptonico dell’altro B:  Identificazione del leptone  Ricostruzione del sistema adronico X c.  p miss assegnata al neutrino. M X determinata da un fit cinematico:  Imponendo conservazione del quadrimpulso, m =0, m B  Risoluzione su M X ~ 350 MeV Simulazione MC utilizzata per:  stima delle efficienze  stima dei fondi  Definizione di una procedura di calibrazione della scala di massa che ha consentito la determinazione diretta dei momenti n p*> 0.9 GeV Contributo D** risonante e non

21 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 21 BaBar: Fit ai parametri OPE  Misura dei Momenti per diversi valori di E cut  Fit simultaneo lasciando tutti i parametri liberi  Punti altamente correlati (utilizzati nel fit solo i punti pieni)    d.o.f.=15/20 Risultati:

22 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 22 Risultati |Vcb| inclusivo Ottima consistenza tra le misure Significativo aumento della precisione con l’introduzione delle analisi dei momenti Errore teorico dal 5% al 2% negli ultimi 2 anni!

23 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 23 Conclusioni Misure esclusive –Limitate dalla sistematica e dalla teoria –Numerose sistematiche comuni ai vari esperimenti B(b  B 0 ), B(  (4S)  B 0 B 0 ), D BR’s, contributo D **, fattori di forma R 1 R 2... –Attesa riduzione dell’errore teorico su F(1) Misure inclusive –Grosso successo delle analisi dei momenti nella riduzione dell’errore teorico –Nessuna evidenza di violazione dualità quark-adrone Determinante ruolo delle B-factories nella misura di precisione di |V cb | ma notevole contributo in quest’area anche dagli esperimenti al LEP (Delphi in particolare). |V cb | = (40.1 +/-0.9 exp +/- 1.8 theo )10 -3 media |V cb | = (41.4 +/-0.4 exp +/-0.4 OPE +/- 0.6 th )10 -3 babar

24 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 24 Backup slides

25 D.Monorchio IFAE, Torino 14 Aprile 2004 Misure inclusive ed Esclusive di |Vcb| 25 Ricostruzione della variabile w B   D* 0  B d 0  D *+   CLEO Measured From missing energy E, p conservation, vertex info... From decay products

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