Fisica del B: stato e prospettive Sommario: Introduzione Lati e angoli CKM Decadimenti rari Conclusioni Disclaimer: prevalentemente B factories… Concezio Bozzi, INFN Ferrara IFAE, Lecce, 25/4/2003

Stato dell’arte Il meccanismo CKM predice correttamente gli effetti di violazione di CP nei K, charm e B: Violazione di CP piccola nel mixing KK (eK) e nel decadimento K→pp (e’/e) Violazione di CP grande in B→J/y K (sin 2b) ma piccola nel mixing BB (eB) Violazione di CP non rivelata nei decadimenti del charm (sensitività sperimentale non ancora adeguata) eK = 2.271 ± 0.017 × 10-3 |Vub/Vcb| = 3.7 × 10-3 / 40 × 10-3 Dmd = 0.503 ± 0.006 ps-1 Dms > 14.4 ps-1 sin 2b = 0.731 ± 0.055

Successo ed imbarazzo Il modello standard è in ottima forma ma... La rottura della simmetria elettrodebole non è capita MS non spiega l’asimmetria barionica dell’universo Naturale cercare effetti non-MS: Misure di precisione nel settore di gauge (LEP/SLC) Ricerca diretta di nuova fisica (Tevatron2, LHC) Misure di precisione nel settore di sapore (B Factories presenti e future, Tevatron2, LHC) Qualsiasi estensione del MS dovrà sopravvivere a test molto stringenti di CPV (angoli e lati del triangolo CKM) e FCNC (decadimenti rari)

CPV e CKM: i lati Vtd (Vts) Vcb (Vub) b W d (s) t t d (s) W b (u) Pinguino EM Oscillazioni Bd e Bs b W d (s) Vtd (Vts) t t d (s) W b Vcb (Vub) (u) (,…) Decadimenti semileptonici

Semileptonici: Vcb, Vub cf. M. Rotondo, A. Sarti Approccio esclusivo a Vcb: B→Dln, B→D*ln Misura | Vcb | × fattore di forma, conosciuto al 4% Sistematicamente limitata Sistematici altamente correlati (BR(D), D**, fattori di forma) Precisione migliorerà ma impatto sul triangolo ormai trascurabile Approccio esclusivo a Vub: dipendenza dai fattori di forma, calcolabili su reticolo Errore teorico ~5% su una scala di 4-10 anni (conservativo) Approccio inclusivo a Vub. Rimozione fondo da b→cln Tagli in q2, mHad, El. Ricostruzione esclusiva dell’altro B Teoria non ancora sotto completo controllo Combinazione di tagli Sistematico teorico su | Vub | ~5% asintotico? Vcb escl. w CLEO

|Vub| da decadimenti SL sul rinculo cf. A. Sarti Ricostruzione completa di mesoni B e selezione di eventi SL nel B di rinculo Efficienza~10-3 Sistematiche fortemente ridotte Taglio su MX (< MD) ( ~ 60-80%) e altre variabili (P*l, q2) per separare segnale bul da fondo Brecoil n Breco D(*) p Y(4S) l Xu

Fisica più pulita BXln Vcb Vub Analisi inclusiva Analisi su rinculo S/N~1.7 S/N~1/50 Analisi inclusiva Analisi su rinculo

Vub: stato ed estrapolazioni Vub (B factories)=(4.32±0.57) 10-3 Errori estrapolati (analisi Mx): Statistico L(ab-1) = 0.08 0.5 2.0 10 sstat(%) = 7.0 2.8 1.4 0.6 Sistematico sperimentale ~5%  2.5% (bcln bkgd) Teorico ~ 9% (s(mb)=90MeV)  5% (buln, spazio delle fasi) Ottimizzare il punto di lavoro!

Oscillazioni: |Vtd/Vts| Dmd Dms >14.4ps-1@95%CL 0.502  0.006 ps-1 Tanta precisione per nulla... LEP/SLD/CDF: 13 analisi! Dmd/Dms ~ |Vtd/Vts| @ O(5-10%) teorico

Dms: prospettive CDF Decadimenti: Bs  Dsl, Ds*l S. D’Auria Decadimenti: Bs  Dsl, Ds*l (Ds, K*0K, +) ~40K eventi in 2 fb-1 Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs  t  K/K K/K ~ 14% Tagging: D2 = 11.3 % (complessivo) CDF Limite attuale: Xs> 20.6 Sensitività fino a xs  30

A(t) = S sin(Dm t) + C cos(Dm t) CPV e CKM: gli angoli sin 2b: Bd → J/y Ks, f Ks sin 2a: Bd → pp, rp sin(2b+g): Bd → Dp e Bs → DsK g: Bd → pp, Bd → DK A(t) = S sin(Dm t) + C cos(Dm t)

Misure di b Charmonio+Ks (canali aurei) D(*)D(*) e J/y p0 fKs e h(‘)Ks cf. M. Pierini Misure di b Charmonio+Ks (canali aurei) Stessa fase per alberi e pinguini, no incertezze teoriche Segnale abbondante e puro Sistematiche sotto controllo D(*)D(*) e J/y p0 Fasi differenti, asimmetria non necessariamente sin2b Necessitano di analisi piu’ complesse fKs e h(‘)Ks Prevalentemente pinguini, misurano sin2b nel MS ma sono particolarmente sensibili a nuova fisica

Modi con charmonio Belle BaBar cf. M. Pierini N(BB)= 88 106 PRD 66 (2002) 071102 N(BB)= 85 106 PRL 89 (2002) 201802 N(BB)= 88 106 Belle BaBar

Modello Standard: SfKs=SyKs=sin2b sin2b: fKs cf. M. Pierini Belle BaBar Modello Standard: SfKs=SyKs=sin2b SUSY: DF ~ 0.01 – 0.7 tasso(fK) ~ 10-2 tasso(J/yK) → Misura statisticamente limitata!

Sommario sin2b Fit di CP dipendenti dal tempo oramai maturi Misure con charmonio solide, consistenti con vincoli da misure indirette, non piu’ fattore limitante nelle analisi CKM Modi con pinguini ancora con statistica limitata fKs a 2.8s dal valore atteso (0.74) → nuova fisica? h‘ Ks 1.6s piu’ bassa → valore inatteso per la “contaminazone” dell’albero? http://www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/triangle/winter2003/index.shtml

sin2b: prospettive Misure ridondanti ↔ sensibilità a nuova fisica Errore sistematico Sistematico tag leptonico (Statistico aumenta ~70% ) B Factories Super B Factories Canale B-Factories 0.1 ab-1 0.5 ab-1 LHCb/BTeV 107 s Super-B 10 ab-1 J/Y Ks 0.0670.033 0.03 0.017 0.008 fKs 0.51  0.009 0.23 0.14 0.056 Misure ridondanti ↔ sensibilità a nuova fisica

Sin2a(eff) da B→ pp p- p+ B0 P: -b,d p+ p- B0 b+g cf. M. Bona Sin2a(eff) da B→ pp b d u p- p+ t B0 P: -b,d b d u p+ p- B0 Mixing + T: b+g Fase debole –b, fase forte d e |P/T| modificano a: da analisi di isospin A(t) = Sppsin(Dm t) + Cppcos(Dm t)

sin2(eff) : stato e prospettive cf. M. Bona Oggi: 0.08 ab-1 Differenza a livello di 2.2s. Valore di Belle fuori dalla regione fisica… Speculazioni teoriche sulla media. Troppo presto per tirare conclusioni… Estrapolazioni Super BFactory: s(sin2aeff) ~ 0.03 in 10 ab-1 Stesso ordine di grandezza per LHCb/BTeV

( triangolo invertito e fp-f) Analisi di isospin? Occorre misurare: k f f’ … ambiguità quadrupla! ( triangolo invertito e fp-f) Toy MC: BR(p+ p-) = 4.7x10-6, BR(p- p0 ) = 4.1x10-6 BR(p0 p0) 1.0 x10-6 L = 10 ab-1 L = 2 ab-1 L = 0.5 ab-1 k Alta statistica e/o Br(p0p0)~0

sin2a da rp? Analisi dipendente dal tempo, flavor-tagged, delle interferenze di stati finali p+p-p0 tramite plot di Dalitz, misura a Dipendenza da BR(r0p0) Ambiguità dovute a bassa statistica S/N basso (0.3) contributi non risonanti e/o riflessioni da risonanze superiori dipendenza da fattori di forma, fasi, … B0+ – - B00 0 Interference Region B0+ – - B0 – + …difficile!

sin2a: quando? Misura di precisione esclusivamente a super-B factory

Il ruolo di g Esiste nuova fisica nel mixing Non è rivelata da misure di Dm, sin2b, sin2a Si può rivelare da processi “ad albero” che coinvolgono g Errori anche grossi sarebbero sufficienti per dare evidenza di nuova fisica se si trovasse g>90°. b+nuova fisica g (1-r)2+h2+nuova fisica r2+h2

cf. G. Marchiori Metodi per  Interferenza tra mixing e decadimento di B  D(*) ricostruito parzialmente o completamente: sin(2) un’ampiezza è Cabibbo soppressa: difficile sperimentalmente e teoricamente! errore di ~10° con 1-2ab-1 analizzando anche B0D(*)r,a1,Ks Analogamente: BsD(*)sK Ampiezze dello stesso ordine di grandezza Dms >> Dmd Solo collider adronici, PID necessaria (LHCb/BTeV) Precisione dell’ordine di 8° Caveat: Errore dipende da valore misurato Rapporto tra ampiezze incognito oppure piccolo e impreciso b c W d p+ u B0 D(*)- p- D(*)+

Metodi per g Misure ridondanti ↔ riduzione di errori e ambiguità cf. G. Marchiori Misure di processi B±  D(*)X (violazione di CP nel decadimento)  g, es. B±D(*)K Soppressione di colore Ambiguità x8 non risolvibile con la statistica delle B factories attuali Studio effettuato con 600fb-1 Riscalando a 10 ab-1, si risolvono ambiguità e si ottiene una precisione di 1°-2.5° su Dg Rates e asimmetrie in B   K, KK Dipendenza da modelli teorici non ancora giunti a maturità Sviluppi promettenti: decadimenti a 3 corpi, analisi Dalitz B  D(*)K(*), D(*)Ks, DKs, D(*)K(*), … Misure ridondanti ↔ riduzione di errori e ambiguità

Sommario angoli CKM Una parola chiave: ridondanza Angolo Babar (0.5ab-1) SuperBabar (10 ab-1) CDF RunII BTeV/ LHCb* Atlas/ CMS* sin2b (J/y Ks) 0.03 0.008 0.05 0.02 sin2b(fKs) 0.25 0.06 0.15 0.14 ? sin2aeff (p+p-) 0.1 aeff-a (p0p0) <18° <7° - 5° (rp) g(DK, D*p, DsK) ~<10° <2.5° <10° * 1 anno di run Una parola chiave: ridondanza (nuova fisica, ambiguità discrete, incertezze e input teorici) b: la fase meglio misurata, B factories a: la misura più difficile e a lungo termine, (S)B Factories g: LHCb/BTeV la misura migliore, B Factories concorrenziali

Scenario CKM tra 10 anni? BaBar, Belle, LHC-b e BTeV: s(sin2b)~0.01, s(sin2a(eff))~0.03, s(g)~5o s(lati) ~ 5% Se non si saranno viste deviazioni dal meccanismo CKM, sarà la fine dei test di precisione sulla violazione di CP Ma la ricerca di nuova fisica deve procedere anche attraverso lo studio di processi FCNC, cioé di...

Decadimenti rari Pinguino EM Pinguino EW Decadimenti leptonici

Pinguini EW (BaBar) Preliminare Signal Box Sideband cf. F. Bucci Misure esclusive: 85M coppie BB B(Xsll, inclusivo) =(6.1±1.4+1.4-1.1) 10-6 Preliminare Remaining neutral Energy (GeV) m(D0)Rec-m(D0)PDG (m(D0)) Signal Box Sideband Teoria (SM): B(B+K+)  3.8 x 10-6 56M coppie BB, completamente ricostruito tag SL 2 eventi osservati (2.2 bkgd atteso) B(B+K+)  9.410-5 (90% CL)

Decadimenti leptonici (BaBar) cf. F. Bucci Decadimenti leptonici (BaBar) Già pubblicato, da aggiornare (Run1+2) BF(B  ) < 1.7 10-6 (90% CL); int.lumi. 19.4 fb-1 ICHEP 2002 (Run1+2): BF(B  e+e-) < 3.3 10-7 , BF(B  +-) < 2.0 10-7 , BF(B  +e-) < 2.1 10-7 (90% CL) Nuove analisi B+ + (Run1+2), con: Tag semileptonico o adronico completamente ricostruiti Miglior limite disponibile (<4.1  10-4 @90% CL)

Decadimenti radiativi e nuova fisica bsg inclusivo: BR sensibile ai bosoni di Higgs carichi e alle particelle supersimmetriche; asimmetria di CP diretta è anche sensibile a nuova fisica Br/wg, BK*g asimmetria di CP diretta e rapporto Br(rg)/Br(K*g) sensibili a MSSM Rapporto sensibile anche a Vtd/Vts, con incertezza teorica ~10%. Cross-check con oscillazioni

Decadimenti BXsll e nuova fisica B Factories: Misura di distribuzioni di decadimento oltre che di BR Asimmetrie piccole in MS, grandi in MSSM L’attraversamento a 0 dell’asimmetria FB di K*ll permette di discriminare tra vari modelli Anche I decadimenti in Xsnn sono particolarmente sensibili a nuova fisica.

Decadimenti leptonici Bll BR molto piccoli, ma potrebbero diventare misurabili grazie a contributi di nuova fisica (leptoquarks, nuovi bosoni di gauge, SUSY con violazione dell’R-parità) Nessun evento SM atteso in 10ab-1, livelli di sensibilità ~10-9 – 10-7, corrispondente a masse di ~10TeV per nuove particelle in alcuni modelli Bln poca sensibilità a nuova fisica, ma sensibile a |Vub|fB, importante per calcoli su reticolo e cross-check per |Vub| Precisione del 5% su tn e 8% su mn in 10ab-1

Sommario decadimenti rari Collider ~BFact Solo (S)BFact Solo collider Solo (S)BFact CAVEAT: nuova fisica a LHC dovrebbe manifestarsi soprattutto in altri canali...

Conclusioni I test di precisione di CPV e FCNC in fisica del B saranno un campo di ricerca avvincente nei prossimi anni Non esiste un canale d’oro Necessario interpretare misure di diversi processi, effettuate in condizioni sperimentali differenti La sensibilità sperimentale va confrontata con la chiarezza teorica Non esiste un rivelatore vincente Le B factories hanno scoperto la violazione di CP nei decadimenti dei B sin2~misura di precisione. Luminosità attuale ~0.1ab-1; 0.5ab-1 nel 2006; almeno 2ab-1 per esperimento per la fine del decennio Super-B factory (~10ab-1) per misure esclusive (a, decadimenti rari con neutrini) o concorrenziali con collider adronici nel settore della fisica del sapore esclusive Collider adronici competitivi per b,g, Dms, canali rari in 2 leptoni

Ringraziamenti: M. Bona, F. Bucci, G. Cavoto, S. D’Auria, R. Faccini, F. Ferroni, L. Lanceri, M. Pierini, M. Rotondo, A. Sarti, F. Simonetto

Backup

PEP-II without upgrades 1.1 ab-1 peak 1.6 x 1034 integrated 0.5 ab-1 2006 2009

PEP-II upgrade scenarios From J.Seeman/SLAC NO (Super-KEKB?) Minimal upgrade Feasible from 2005 Shut-down  3 months 0.40.5 ab-1/year Limited cost 2ab-1 in 2009 SuperPEP/SuperBaBar Year 20...? New collider, (and new detector…) Snowmass: 370M$

What about KEK-B/Belle upgrades ? EoI (January 2002): Super KEK-B, L = 1035cm-2s-1 - LER: e- , I = 10A; HER: e+, I = 3A Linac upgrade (e-  e+) - Vacuum system (ante chambers); RF system (52 cavities, 12SC) - 15 mrad crossing, final focussing Total cost (KEK-B + Belle):  400 M$ EoI preliminary plan:

Grossman-Quinn bound: Vincolo su k cf. M. Bona k sin2aeff = -0.02`0.34`0.05 with 2aeff = 2a + k Grossman-Quinn bound: F BR(B0→p0p0) < 3.610-6 (81 /fb) _k/2=|aeff-a| < 51o F’’ UL corrente |aeff – a | < 190 con 10 ab-1 Luminosità ~ininfluente Metodo funziona meglio signal BR = 0.5e-6

Quasi-2-body B0  Acp Violazione diretta di CP? hep-ex/0207068 81.9 fb-1 Violazione diretta di CP?

 da B-gD0(CP)K- g Osservabili: n1, p1, n2, p2 cf. G. Marchiori g (Gronau-London-Wyler) Osservabili: n1, p1, n2, p2 Gronau, Wyler, London Problema: rapporto r, misura non praticabile se r<<1 (0.1) Si fa ricorso ad un metodo modificato Parametri teorici: , r, 

 da B-gD0(CP)K-: proiezioni Risultati sperimentali recenti (BaBar) Proiezioni da Toy MC: (Fit non stabile per r = 0.1) r=0.3 (0.5 ab-1), sin2g = 0.75  fit: sin2g = 0.720.23, g = (59.910.2)o r=0.2 (2ab-1), sin2g = 0.75  fit: sin2g = 0.710.14, g = (58.57.4)o r=0.2 g=60o Dd=30o (2ab-1) ACP=0.174 0.031 CPV diretta accessibile anche a statistica “moderata”

Charmless decays: Direct CP violation? Time-integrated CP asymmetries: No evidence for direct CPV yet Theoretical expectations: Tree + Penguin: ACP  10% Pure Penguin: ACP  1% Present sensitivity (most channels) statACP  10% systACP  12% Charge asym.