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Stato di BaBar Concezio Bozzi 26 Gennaio 2005. Sommario Asimmetria materia-antimateria Violazione di CP nel sistema del B: –Il modo aureo –Requisiti sperimentali.

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1 Stato di BaBar Concezio Bozzi 26 Gennaio 2005

2 Sommario Asimmetria materia-antimateria Violazione di CP nel sistema del B: –Il modo aureo –Requisiti sperimentali Decadimenti semileptonici del B e violazione di CP |V ub | |V cb |

3 Asimmetria materia-antimateria Sperimentalmente si osserva che luniverso a tuttoggi osservabile è composto da sola materia Big-Bang: proporzioni uguali di materia-antimateria Dovè finita lantimateria? Violazione della simmetria CP è una delle quattro condizioni (Sakharov) Si può osservare violazione di CP in laboratorio?

4 Storia della violazione di CP 1964: Violazione di CP nei decadimenti dei Kappa (Nobel) Wolfenstein postula lesistenza di una nuova forza, chiamata Superdebole, responsabile della violazione di CP nel mixing K 0K 0 e praticamente di nientaltro 1973: Kobayashi e Maskawa osservano che CP potrebbe essere violata nelle interazioni deboli dei quark se ci fossero ALMENO 3 famiglie di quark (solo 2 erano note a quel tempo) 1975: scoperta del leptone terza famiglia di leptoni (Nobel) 1977: Scoperta del quark b terza famiglia di quark (Nobel) 1981: Scoperta del mesone B d, con vita media grande ~ 1ps 1986: Osservazione di oscillazioni materia-antimateria (mixing) nel sistema dei mesoni B d 1995: Scoperta del quark t Completamento della terza famiglia di quark 2000: Scoperta del a Fermilab, completamento della terza famiglia di leptoni 2001: Gli esperimenti alle B-factories BaBar&Belle pubblicano i primi risultati su sin2

5 Violazione di CP nei mesoni B Mesoni B: antiquark b + quark leggero –bu = B + –bd = B 0 d –bs = B 0 s –5 volte più pesanti di un protone Molta energia disponibile nei decadimenti Molti modi di decadimento, alcuni comuni a particella e antiparticella –Vita media ~1.5ps Per studiare violazione di CP, ricerchiamo decadimenti comuni a particella e antiparticella e ne studiamo levoluzione temporale oscillazioni materia-antimateria

6 Il modo aureo: B 0 d J K 0 s Libero da incertezze teoriche Facilmente rivelabile sperimentalmente –J/ ee o –K 0 s + - ~1 decadimento del B su –fabbrica di mesoni B: macchina ad alta luminosità Rivelatore in grado di fornire: –Identificazione delle particelle –Etichettatura materia/antimateria del mesone B che decade –Misure precise di tempi di decadimento

7 Produzione di mesoni B 0 Collisore elettrone-positrone: e + e - (4S) B 0 B 0 Sperimentalmente pulito, produzione B 0 B 0 coerente –Possibile identificare (etichettare) se a decadere e stato un mesone o antimesone B andando a vedere i decadimenti dellaltro

8 Sperimentalmente… At t=0 B0B0 B0B0 particella antiparticella Separazione spaziale = misura del tempo Ricostruzione del Modo aureo Etichettatura: Materia o Antimateria? 0 B 0 B

9 Misure di tempo Vita media lunghezza di decadimento –L = v t = v t relatività ristretta, Einstein 1905 –v = c L = c t; c = velocità della luce –boost = p/m; p=impulso, m=massa –vita media = 1.5ps c = 450 m = 0.45mm B prodotti alla Y(4S): p ~ 300MeV, m ~ 5GeV – = 0.06 L ~ 30 m impossibile da rivelare! Occorre produrre B con impulso più alto –Fasci asimmetrici – = 0.56 L ~ 250 m rivelatori di vertice a silicio

10 Elettroni (e ) da 9 GeV contro positroni (e + ) da 3.1 GeV –Energia E CM = GeV = massa della (4S) La risonanza bb pi ù leggera che decade in coppie di mesoni BB –Boost = 0.56 permette di misurare tempi di decadimento dei B Luminosità di picco 9.2×10 33 /cm 2 /s produzione BB ~10 Hz –3 volte migliore della luminosità di disegno! PEP-II Asymmetric B Factory

11 Luminosità di PEP-II B A B AR ha accumulato 244 fb 1 di dati (256 milioni di coppie BB) –Run 4 (Settembre 03- Luglio 04) particolarmente proficuo Run 4

12 Rivelatore B A B AR Ricostruzione di vertici: rivelatore di silicio a microstrisce Impulso di tracce cariche: camera a deriva in un campo di 1.5 T Energia dei fotoni e identificazione elettroni: calorimetro CsI(Tl) Identificazione di particelle: rivelatore Cerenkov (DIRC) Rivelazione dei muoni: giogo + camere

13 Tracciatore di vertice a silicio 5 strati di rivelatori a doppia faccia accoppiati in AC SVT situato in zona ad alta radiazione Elettronica resistente alle radiazioni (2Mrad) Efficienza di ricostruzione degli hit ~98% Risoluzione ~15 μm at 0 0 e - beame + beam

14 Tracciatore di vertice a silicio Beam pipe Layer 1,2 Layer 3 Layer 4 Layer 5 Beam bending magnets Readout chips

15 Instrumented Flux return Fino a 21 strati di Resistive Plate Chambers (RPC) alternati a piani di ferro Identificazione di muoni oltre 500 MeV Rivelazione di adroni neutri (K L ) RPC nel barrel in corso di sostituzione con tubi di Iarocci

16 RPC performance… RPC,eff. >10% Tutte le RPC RPC,eff. <10%

17 Nuovi tubi di Iarocci (LST) al posto delle RPC LST Project Overview Barrel RPCs replaced with Limited Streamer Tubes (LSTs) –An LST is an 8(7)-cell tube ~14cm x 358cm, running at 5500 Volts. –Produced at pol.hi.tech company in Italy. Module _ A Layer within a sector consists of 6 to 10 LST Modules _Each module contains of 2 or 3 8(7)-cell Tubes –At Princeton and OSU, the tubes are glued onto a SLAC-produced phi-plane to form modules, with gas, HV, and electronics connections ready for installation into BaBar Transition board by Ferrara

18 Readout and electronics Single ended signals are sent to Front End Cards (outside the detector) and there amplified and discriminated. A completely new electronics has been developed to readout the signals from: - strips (z coordinate – beam line direction) positive signal - wires (phi coordinate – azimuthal angle) negative signal Not amplified signals Daughter board Mother board The new platform for the FEC crates Designed by Angelo

19 Bottom sextant: forward view Brass slabs on every other layer Layer-1 Layer-18 Signal cables for wires Gas lines for Tubes

20 Event Display from Cosmic event

21 Violazione di CP: effetti sperimentali misura del tempo ed etichettatura perfette Misura del tempo perfetta, etichettatura imperfetta Misura del tempo ed etichettatura imperfette F(t) A CP (t) D = (1-2) in cui w è la frazione di etichettature sbagliate (mistag). Occorre misurare la risoluzione in t. sin2 Dsin2 Occorre misurare la diluizione.

22 Risultati Evidente differenza materia-antimateria! Ampiezza delloscillazione: sin2 Sin2 = ± ± 0.023

23 Cosa cè sotto? Nel modello standard delle interazioni elettrodeboli, la matrice CKM (V CKM ) è una matrice unitaria che collega gli autostati di massa agli autostati deboli 3 parametri reali + 1 fase complessa Si tratta di una descrizione completa? –è davvero tutto consistente con una singola matrice unitaria? Lunica fonte di violazione di CP !

24 Parametrizzazione di Wolfenstein Fasi u d t c bs Grandezze relative Espansione in =0.22. Si ignorano i termini del 4 o ordine in. 4 parametri:

25 Triangolo di unitarietà Unitarietà di V CKM –Ben rappresentata dallarcinoto triangolo di unitarietà –Gli angoli si misurano con i decadimenti dei B (es: J/ K s ) –Anche i lati possono essere misurati con i decadimenti dei B

26 Test di consistenza Si confrontano le misure (contours) sul piano (, ) –Se il modello standard è valido, il triangolo si chiude Il blob ci dice che questo è attualmente vero –ma è ancora grosso abbastanza per nascondere effetti di nuova fisica La misura di sin2 è più precisa delle altre –Dobbiamo migliorare le altre misure per poter fare un test di precisione

27 Passo successivo: |V ub /V cb | Zoom della regione di sovrapposizione –È ovvio: dobbiamo restringere l anello verde Lato sinistro del triangolo Misura di |V ub /V cb | complementare a sin2 Dobbiamo determinare accuratamente sia |V ub /V cb | che sin2

28 Decadimenti semileptonici del B Permettono di vedere dettagliatamente il quark b allinterno dei mesoni B Analogia con la diffusione profondamente inelastica Ottima sonda per studiare |V cb | e |V ub | Possiamo studiare anche la struttura del mesone B Leptoni disaccoppiati dalla corrente adronica

29 Approcci sperimentali Inclusivo: B X c v o X u v –Tassi a livello albero –Occorre calcolare correzioni QCD Operator Product Expansion (OPE) –Come si separa X u da X c ? c = 50 × u la misura di |V ub | è molto pi ù difficile Esclusivo: B D * v, Dv, v, v, etc. –Occorrono fattori di forma per estrarre |V cb |, |V ub |

30 |V ub | inclusivo |V ub | si misura da Problema: decadimento b cv m u << m c cinematica differente –Energia massima del leptone: 2.64 vs GeV –Tecnica usata nelle prime misure (CLEO, ARGUS, 1990) Spazio delle fasi accessibile: solo 6% Quanto accuratamente lo conosciamo? Come si sopprime un fondo ~50 x segnale?

31 Cinematica b uv Ci sono 3 variabili independenti in B Xv – E, q 2 (massa 2 leptone-neutrino), m X (massa adronica) 6% 20% 70% DifficoltàEfficienzaErrore teorico E SempliceBassaGrande q2q2 ComplicataModerataModerato mXmX ComplicataAltaGrande Da dove viene fuori?

32 Questioni teoriche Bisogna fare correzioni QCD al livello albero Operator Product Expansion d à il tasso inclusivo –Espansione in s (m b ) (perturbativa) e 1/m b (non-perturbativa) –Incertezza maggiore (±10%) da m b 5 ±5% su |V ub | Il vero problema è determinare la frazione accessibile (ad esempio, E > 2.3 GeV) di decadimenti conosciuto O ( s 2 ) soppresso 1/m b 2

33 Funzione di struttura OPE non funziona sull intero spazio delle fasi –non converge ad esempio vicino l endpoint di E –Calcolo delle accettanze diventa problematico Si risommano termini non perturbativi in una funzione di struttura (Shape Function) –Parametrizza il moto di Fermi del quark b all interno del mesone B –Distribuzioni a livello di quark spettri osservabili Caratteristiche basilari (media, deviazione standard) conosciute Dettagli, specialmente la coda, sconosciuti

34 Shape Function – che fare? Si misura! La stessa SF entra (al prim ordine) nei decadimenti b s –Caveat: occorre l intero spettro E Si misura solo E > 1.8 GeV Troppo fondo a energie minori –Compromesso: si assumono forme funzionali per f(k + ) Esempio: Fit allo spettro b s per deteminare i parametri Sistematica: si fitta con altre forme funzionali f(k+)f(k+) Spettro E in b uv parametri (, a) da fittare Spettro E in b uv

35 SF da b s CLEO e Belle hano misurato lo spettro b s –B A B AR lo sta facendo CLEO hep-ex/ Belle hep-ex/ Belle Fit 3 modelli

36 Misure B A B AR ha misurato |V ub | con quattro diversi approcci –Correlazioni piccole –Sistematiche indipendenti, errori teorici quasi indipendenti TecnicaReferenza E > 2.0 GeV hep-ex/ E vs. q 2 hep-ex/ m X < 1.55 GeV hep-ex/ m X vs. q 2 Campione B Xev inclusivo. Statistica alta, purezza bassa. Rinculo di B ricostruite completa- mente. Purezza alta, stat.moderata.

37 Misure con m X e q 2 Dati B A B AR, 81 fb -1 sulla risonanza (4S) Eventi con un mesone B completamente ricostruito –~1000 modi di decadimento adronici –Il resto dellevento contiene un B di rinculo Sapore e impulso noti Leptone (p > 1GeV) nel B di rinculo –Carica del leptone consistente col sapore del B –m miss consistente con un neutrino Tutte le altre particelle appartengono a X –Miglioramento della misura di m X con fit cinematico –Calcolo del q 2 di lepton-neutrino Fin qui il campione è in prevalenza b cv –Criteri di reiezione del fondo B adroni ricostruito completamente lepton v X B A B AR hep-ex/

38 Reiezione del fondo b cv soppresso vetando i decadimenti del D (*) –I decadimenti del D producono tipicamente almeno un kappa si rigettano eventi con K ± e K S –B 0 D *+ ( D 0 + ) v hanno una cinematica caratteristica + quasi a riposo rispetto al D *+ impulso del D *+ calcolato solo col + Si Calcola per tutti i + si eliminano gli eventi consistenti con m v = 0 Gli eventi scartati non contengono b uv –Si usano per validare le simulazioni delle distribuzioni del fondo Si ottiene una distribuzione in (m X, q 2 ) su un campione arricchito di eventi di segnale B A B AR hep-ex/

39 Fit a m X Dati B A B AR, 80 fb -1 sulla risonanza (4S) –Segnale chiaro di b uv dal fit in m X –BF inclusiva: B A B AR hep-ex/ B A B AR

40 Fit a m X, q 2 Fit 2-D per misurare B in {m X 8} –Buona risoluzione, misura pulita di B Accettanza calcolata da Bauer et al. –hep-ph/ G = ± B A B AR hep-ex/

41 Risultati |V ub | inclusivi Riepilogo dei risultati |V ub | di BaBar –Correlazione statistica tra le misure con m X e m X -q 2 = 72%. Trascurabile per le altre –Errore teorico della misura m X -q 2 diverso dalle altre dipendenza dalla SF trascurabile Tecnica|V ub | × 10 3 (SF) × 10 3 E > 2.0 GeV4.40 ± 0.13 stat ± 0.25 sys ± 0.38 theo 0.46 E vs. q ± 0.23 stat ± 0.42 sys ± 0.32 theo 0.42 m X < 1.55 GeV5.22 ± 0.30 stat ± 0.31 sys ± 0.43 theo 0.45 m X vs. q ± 0.40 stat ± 0.39 sys ± 0.47 theo 0.06 Quanto varia |V ub | se si usa la SF misurata da CLEO B A B AR hep-ex/ B A B AR hep-ex/ B A B AR hep-ex/

42 m X vs. q 2 |V ub | inclusivo: prospettive –Misura di |V ub | al ±9%? E endpoint m X fit E vs. q 2 Risultati omogeneizzati dallo Heavy Flavor Averaging Group

43 Caveats + Outlook Per migliorare la precisione nella misura d |V ub | occorre ricalcolare le incertezze teoriche –Il calcolo OPE non converge per m X piccoli Sono ora disponibili calcoli usando la SCET –Le correzioni non-perturbative NLO(1/m b ) per b uv e b s sono diverse Le stime disponibili in letteratura sono pi ù o meno equivalenti –I diagrammi di annichilazione debole possono contribuire significativamente (20%?) vicino all endpoint di E Occorre misurare separatamente per B 0 e B + C è uno sforzo congiunto tra gruppi sperimentali e teorici per migliorare la situazione

44 |V cb | Esclusivo Il tasso B D *v è – F(w) calcolabile a w = 1, cioè a D* fermo F(1) = 1 nel limite di quark infinitamente pesanti (m b = m c = ) Calcoli su reticolo danno –Forma funzionale di F(w) sconosciuta Parametrizzata con 2 (derivata a w = 1) e R 1, R 2 R 1 and R 2 misurabili sperimentalmente, es. CLEO, PRL 76 (1996) 3898 Misura di d /dw per determinare F(1)|V cb | e 2 Spazio delle fasi Fattore di forma boost del D * nel sistema del B Hashimoto et al, PRD 66 (2002)

45 Misure esclusive di |V cb | Usando F(1) = 0.91 ± 0.04, si ottiene –In accordo con le misure inclusive –precisione ±5%, ±2% se si includono le misure inclusive

46 Una nuova tecnica sperimentale Ricostruzione parziale di D* tramite leptone e pione –Si sfrutta la cinematica caratteristica del D *+ D 0 + –Efficienza alta (non si ricostruisce il D 0 ) Su rinculo di decadimenti adronici del B completamente ricostruiti –Si elimina il fondo dovuto al secondo B –Efficienza di ricostruzione bassa Sistematiche ridotte rispetto ad unanalisi più esclusiva (ricostruzione completa del decadimento semileptonico) –Normalizazione (BF della Y(4S)). –BF del D 0 –Efficienza di ricostruzione delle tracce –Efficienza/errori di identificazione delle particelle –Fondi fisici da D** Work in progress…

47 Conclusioni BaBar è un esperimento che produce risultati fondamentali nel settore di sapore del modello standard delle interazioni elettrodebolie –Violazione di CP nella fisica del B I decadimenti semileptonici costituiscono sonde eccellenti per le interazioni forti e deboli dei mesoni B –|V cb | e |V ub | complementari a sin2 per la violazione di CP –Determinazione delle masse dei quark pesanti e di parametri non-perturbativi |V cb | noto al ±2% –Misure inclusive ed esclusive (B D *v) in accordo

48 Conclusioni Progressi significativi nella misura di |V ub | –Quattro (!) misure di |V ub | ottenute in B A B AR con b uv inclusivo Precisione complessiva su |V ub | attorno al 10% Technique|V ub | × 10 3 E > 2.0 GeV4.40 ± 0.13 stat ± 0.25 sys ± 0.38 theo E vs. q ± 0.23 stat ± 0.42 sys ± 0.32 theo m X < 1.55 GeV5.22 ± 0.30 stat ± 0.31 sys ± 0.43 theo m X vs. q ± 0.40 stat ± 0.39 sys ± 0.47 theo


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