Ricerca del decadimento raro B0s → m+m- a CMS Roberto Covarelli Università e I.N.F.N. di Perugia Riunione CSN1, Roma - 19/11/2007 19/11/2007 Roberto Covarelli

Indice degli argomenti Il decadimento B0s → m+m-: motivazioni teoriche Limiti esistenti - confronto con altri esperimenti Il rivelatore CMS a LHC Simulazione degli eventi Strategia di trigger e trigger di alto livello (HLT) Selezione degli eventi Studio di fondi da mis-identificazione di adroni Incertezze sistematiche Risultato finale Conclusioni 19/11/2007 Roberto Covarelli

Bs → m+m-: teoria e misure Misure precedenti BR(Bs → m+m-) nello SM: (3.42 ± 0.54) · 10-9 (altamente soppresso) Modelli supersimmetrici: es. MSSM: [G. Isidori e P. Paradisi Phys Lett. B639, 499 (2006)] Grande tanb favorito da b → sg, (g-2)m, B → tn ecc.  limite superiore su BR(Bs → m+m-) è input fondamentale Limite migliore (2007): BR(Bs → m+m-) < 5.8 · 10-8 @ 95% CL (CDF Run-II) 19/11/2007 Roberto Covarelli

Il rivelatore CMS a LHC Muon stations (barrel): Drift Tubes + Resistive Plate Chambers Muon stations (endcaps): Cathode Strip + Resistive Plate Chambers 4T solenoidal magnet Hadronic calorimeter Electromagnetic calorimeter Outer tracker: Silicon strips compared to a man’s size… Inner tracker: Silicon pixels 19/11/2007 Roberto Covarelli

CMS e altri esperimenti LHC 7 LHC running program: Start-up luminosity foreseen as low as 1032 cm-2 s-1 Low luminosity régime: L ~ 2 x 1033 cm-2 s-1 Nominal luminosity régime: L ~ 1 x 1034 cm-2 s-1 Scenario assunto nell’analisi presentata O(1013) coppie bb per anno di presa dati (Bs ~ 10%) 19/11/2007 Roberto Covarelli

Potenzialità di CMS Trigger di-muone: Ricostruzione dei muoni: soglie pT fino a 4 GeV/c a basse luminosità Ricostruzione dei muoni: migliore risoluzione in alcune regioni, es. media rapidità alto campo magnetico grande sistema tracciante al silicio accettanza ~4p (|h| < 2.5, copertura completa in f) Risoluzione nella ricostruzione dei vertici secondari Global tracking efficiency in the silicon tracker (muons) pT resolution in the silicon tracker (muons) Performances of secondary vertex finder (Trimmed Kalman Filter) sl (mm) Perfect alignment Short-term Long-term b-hadrons 203 225 224 c-hadrons 254 273 271 19/11/2007 Roberto Covarelli

Flusso dell’analisi Generazione del segnale e dei fondi (tagli trigger livello 1 in fase di generazione) Applicazione criteri high-level trigger (HLT) Selezione off-line: calcolo delle efficienze segnale / fondo Conteggio eventi rimasti in una finestra di massa di ±2.3s B+ → J/y K+ canale di normalizzazione (BR grande e ben misurato) selezione simile: incertezze sulle efficienze si cancellano al primo ordine permette di correggere lo spettro in pT del B maggiori incertezze rimanenti: rapporto delle probabilità di frammentazione fu /fs e differenze cinematiche fra mm e J/yK 19/11/2007 Roberto Covarelli

Generazione di segnale - fondi Origine degli eventi generati (livello partonico): Gluon splitting Flavor excitation Gluon-gluon fusion Segnale Fondo generico Sample Tagli generazione svis = s x BRSM x egeom Nexp (10 fb-1) Ngen Bs → m+m- pT (m) > 3 GeV, |h(m)| < 2.4 39.0 fb 390 13000 Dec. rari Bs “ 0.58 nb 5.8 · 106 6000 Dec. rari Bd 1.62 nb 1.6 · 107 3000 Dec. rari Bc,u,Lb 0.017 nb 1.7 · 105 5000 QCD generica pT (m) > 3 GeV, |h(m)| < 2.4, pT (mm) > 5 GeV, DR < 1.8, 5 < m (mm) < 6 GeV 17.4 nb 1.7 · 108 150000 19/11/2007 Roberto Covarelli

Principali sorgenti di fondo Composizione del fondo: Due decadimenti semileptonici Cabibbo-favoriti di B indipendenti (B → mX, principalmente da gluon splitting) Muone combinato con adrone mal identificato Decadimenti rari di adroni b (fondo irriducibile, dipendenza da mis-identificazione dei muoni) (,h) (,h) p, e = 0.5% K, e = 1.0% p, e = 0.1% 19/11/2007 Roberto Covarelli

Il trigger di-muone Livello 1 (hardware, solo camere a m)  per bassa luminosità: pT (m) > 3 GeV/c |h (m)| < 2.4 Trigger di alto livello (software, muoni + tracker): pT (m) > 4 GeV/c carica opposta Seed delle tracce dai pixel Ricostruzione parziale delle tracce fino a 6 hit o fino a DpT/pT < 0.02 c2 del vertice secondario < 20 lunghezza di volo l > 150 mm |m (mm) – m (Bs)| < 150 MeV/c2  rate ~ 0.9 kHz  rate fondo < 1.7 Hz Rate prima della richiesta di massa invariante L = 2 x 1033 19/11/2007 Roberto Covarelli

Selezione degli eventi Variabili usate: Di-muon separation: cosa (angolo tra l’impulso del Bs e il vettore che punta dal vertice secondario al primario) Significanza della lunghezza di volo c2 del vertice secondario Isolamento: dove trk varia tra tutte le tracce con pT > 0.9 GeV/c e in un cono di semiapertura r = 1.0 cosa I (isolamento) (Distribuzioni normalizzate all’unità) DR 19/11/2007 Roberto Covarelli

Efficienze segnale - fondo 5 < m (mm) < 6 GeV/c2 1.4 A causa della statistica insufficiente per i fondi (0 eventi rimasti dopo la selezione) l’efficienza è calcolata fattorizzando il contributo dei tagli di isolamento e c2: E’ stato verificato che il potere di reiezione dei due tagli fattorizzati rimane costante al variare della pre-selezione 19/11/2007 Roberto Covarelli

Risoluzione in massa Fit con doppia Gaussiana: (normalizzazione totale arbitraria) Risoluzione determinata da: s = (43 ± 1) MeV/c2 19/11/2007 Roberto Covarelli

Fondo da decadimenti rari Modi esclusivi (non presenti nella QCD generica) generati espressamente: Bs,d → p+p- Bs,d → K+p- Bs → K+K- Bd → p+m-v Bs → K+m-v Bs → m+m- g , p0 Bu,c+ → m+m-m+v Bc+ → J/y m+v Lb → pp- , pK- Bs decays B decays 19/11/2007 Roberto Covarelli

Selezione di B + → J/y K + O(104) eventi selezionati su 10 pb-1 Vertexing con tecnica identica Aggiunta di una traccia carica Determinazione delle efficienze dai dati quanto più possibile. Es.: Muoni L1: Selezione di J/y con un solo muone L1 e una traccia Controllo dell’efficienza muone L1 per la traccia  divisione Muoni HLT: Stessa procedura dopo determinazione L1 …ecc. 19/11/2007 Roberto Covarelli

Studi sistematici Tracking efficiency, tracking resolution, muon identification (< 1%) Impatto del disallineamento stimato sul campione di controllo confrontando: Allineamento perfetto Scenario atteso usando informazioni di LAS + raggi cosmici + 100 pb-1 iniziali di dati (principalmente tracce da minimum bias) Altre incertezze dominanti: fattorizzazione efficienze (bassa statistica MC) efficienza L1 fu /fs 19/11/2007 Roberto Covarelli

CMS BR(Bs → m+m-) projection Risultato finale 10 fb-1 in uno scenario di L ~ 2 x 1033 cm-2 s-1 Conteggio degli eventi in una finestra di massa di ±2.3s (100 MeV/c2): nS = 6.1 ± 0.6(syst). nB = 13.8 +22.0–12.8 (syst). Inclusione delle sistematiche trattando la loro varianza come statistica: mB = nB + G(0, ssyst) Limite risultante atteso (dominato da incertezza sul fondo): CMS BR(Bs → m+m-) projection with systematics no systematics SM BR(Bs → m+m-) < 1.4 · 10-8 @ 90% CL 19/11/2007 Roberto Covarelli

Conclusioni BR(Bs → m+m-) < 1.4 · 10-8 @ 90% CL Risultati competitivi di fisica dei sapori pesanti possono essere ottenuti all’esperimento CMS in virtù di: ottima risoluzione ed efficienza per muoni (campo magnetico, tracker) performance molto buone nella determinazione di vertici secondari BR(Bs → m+m-): analisi ben delineata, basata su selezione a tagli e conteggio Variabili chiave: isolamento, c2 del fit di vertice, massa invariante Studio di canali di fondo specifici (adroni da decadimenti B) Studi sistematici Limite atteso a 10 fb-1: BR(Bs → m+m-) < 1.4 · 10-8 @ 90% CL competitivo con previsioni combinate Tevatron a pari luminosità 19/11/2007 Roberto Covarelli

Back-up 19/11/2007 Roberto Covarelli

Heavy flavor physics a CMS Heavy flavor physics a CMS  gruppo di analisi dedicato Due aree di interesse: produzione e decadimenti Risultati competitivi già in scenari di bassa luminosità Da processi alla scala O(mb), test di Nuova Fisica ad alte scale Ambiente adronico: limitazione a canali con segnatura adatta ai trigger buona risoluzione controllo dei fondi Bs mass in Bs → J/y f t mass in t → mmm Bs → m+m- 19/11/2007 Roberto Covarelli

Piani per CMS (2007-2008) Startup di LHC previsto nel 2008  assemblaggio di CMS si avvicina al completamento Muoni: Ultime due ruote (YB-1 e -2) del barrel calate nel pozzo in novembre Installazione dei Drift Tubes nel barrel completato Tracciatori: SST: pronto per installazione in YB0 (novembre) Pixel: restante 50% del forward spedito al CERN . 19/11/2007 Roberto Covarelli

Prospettive per il futuro Analisi dominata dalla sistematica derivante dagli studi MonteCarlo: Contributo dalla statistica del fondo insufficiente (es. fattorizzazione dei tagli): Può essere ridotta di molto con i dati reali (uso delle sidebands per avere grandi campioni di fondo) Contributo del disallineamento: A 10 fb-1 aspettato un miglioramento di un fattore ~ 2-3 rispetto alla precisione dello scenario “a breve termine” (100 pb-1) Altri contributi: Studio di canali a bassissima luminosità (es. J/y → mm, B → J/y K) permetteranno migliore comprensione della ricostruzione dei muoni Misure di sezione d’urto fin dallo start-up La sistematica reale arriverà con i dati reali 19/11/2007 Roberto Covarelli