Fisica con i mesoni B [ossia: test di sapore del Modello Standard] CB, INFN-FE 9-20 Maggio 2005

Programma Lezione 1: introduzione Lezione 2: vite medie e oscillazioni Lezione 3: decadimenti semileptonici e rari Lezione 4: violazione di CP e sin2 Lezione 5: Lezione 6:

Mesoni B: perché ? Mesoni B: antiquark b + quark –bu = B + –bc = B + c –bd = B 0 d –bs = B 0 s Decadimenti deboli quark b pesante (~5 GeV/c 2 ) Vita media lunga ( B ~1.5 ps) Oscillazioni di sapore ( m d ~0.5 ps -1 ) Violazione di CP Sensibilità a nuova fisica oscillazioni materia-antimateria Lunico mesone composto da 2 quark pesanti!

Decadimenti deboli nello SM Corrente carica debole non conserva il sapore –Autostati deboli autostati di sapore –Trasformazione unitaria: matrice CKM –3 generazioni di quark: 4 parametri indipendenti (3 angoli e una fase), violazione di CP –Non esistono correnti neutre con variazione del sapore (FCNC) a livello albero

Decadimenti dei B nello SM TREE LOOP u d c s t b

Where to B ? Bersagli fissi e + e - sulla Y(4S), nel continuo e sulla Z 0 Collisori adronici

1977: scoperta della risonanza Esperimento a Fermilab (Lederman et al.) Protoni da 400 GeV su bersaglio nucleare ~9000 muoni con massa invariante >5GeV Eccesso a ~9.5 GeV

Commenti su bersagli fissi Energia nel c.m. ~E fascio Sezione durto bb ~ 10nb per p fascio 800 GeV Luminosità alta. Tipicamente ~10 10 particelle s -1 su bersaglio di densità ~10 24 cm -2 L ~10 34 cm -2 s -1 Fondi alti e non sempre tollerabili S/N ~ 3×10 -7, strategia di trigger fondamentale ad esempio, si richiede J/ inefficienza sul segnale: Br(BJ/ X)*Br(J/ )~ 0.6% …oppure si cercano vertici separati Ad esempio, per p fascio =920GeV, il B viaggia in media 8mm NB: 1barn = 1b = cm -2 ; 1nb = b = cm -2

Un esempio (sfortunato) Desy, Hamburg, Germany Esperimento ambizioso: Br(BJ/ K s )~10 -4 S/B ~ !!!

Le ragioni di un insuccesso ~150 particelle/evento a 10MHz –Richieste pesanti su tracciamento e trigger (100Hz su nastro) Danneggiamento da radiazione e alti rate –Problemi con rivelatori (MSGC) –Inefficienze nella tracciatura inefficienze di trigger

Ma nonostante tutto… Sezione durto bb totale Produzione di

Acceleratori e + e -

e + e - (4S) BB Sezione durto BB: ~1nb, continuo (e + e - qq): 3.5nb (4S) sopra la soglia di produzione BB solo B + e B 0 d Produzione coerente, J PC =1 -- importante per oscillazioni e violazione di CP! ~ 24MeV ~ O(10keV)

Cinematica (4S) BB m (4S) =10.580Gev; 2m B = GeV p B =340MeV; c ~30 m –Decadimento a riposo –Impossibile effettuare misure temporali con fasci simmetrici 5 tracce cariche, 5 fotoni per decadimento: –Complicato distinguere i 2 decadimenti (combinatorio) Discriminazione del continuo: –Event shape –Cinematica –Presa dati al difuori del picco CLEO a CESR, Cornell, USA

Variabili di event shape Thrust Sfericità Fox-Wolfram Si può costruire un discriminante di Fisher qq BB

2 Variabili cinematiche Si sfrutta il vincolo dellenergia dei fasci per migliorare la risoluzione Tipicamente: m es 3 MeV E 15 MeV

CLEO a CESR, Cornell L ~ cm -2 s -1 Presa dati: Integrati ~ 9 fb -1 alla (4S) Ora: (3770) DD (charm factory)

Fabbriche di B asimmetriche: PEP2 PEP-II accelerator schematic and tunnel view

Parametri di PEP-II ParameterDisegnoRaggiunti Energia LER3.1 GeV Energia HER9.0 GeV N. di bunch Corrente LER2140 mA2430 mA Corrente HER750 mA1380 mA Vita media LER240 min.200 min. Vita media HER240 min.660 min. Beam size x 222 m190 m Beam size y 6.7 m6.0 m Luminosità3 x x Correnti alte 4ns bunch crossing B 0 /anno Boost: = 0.56

Fabbriche di B asimmetriche: KEK-B Energia dei fasci: 8 GeV (e - ) 3.5 GeV (e + ) Correnti: 1.86 A (e + ) 1.29 A (e - )

Prestazioni delle 2 fabbriche Ottimo funzionamento sia di PEP-2 che di KEK-B… Disegno: 30 fb -1 /anno… BaBar Belle L max (10 33 /cm 2 /s) best day (pb -1 ) totale (fb -1 ) design

Il rivelatore Babar Instrumented Flux Return 19 strati di RPC Magnete da 1.5 T Rivelatore Čerenkov 144 barre di quarzo Camera a deriva Calorimetro EM 5680 cristalli di CsI Tracciatore di vertice a silicio 5 strati di silicio a doppia faccia

Tracciatore di vertice a silicio: misura precisa del z 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

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

DCH: Camera a deriva 40 strati di fili allinterno del campo magnetico da 1.5 Tesla Misura dellimpulso delle particelle cariche Misura della perdita di energia per ionizzazione (particle ID)

DIRC: Rivelatore Čerenkov Luce Čerenkov nel quarzo –Trasmessa per riflessione interna –Anelli proiettivi nella standoff box –Rivelazione con fotomoltiplicatori –Essenziale per identificare K >2 GeV

EMC: Calorimetro elettromagnetico: / 0 /e ID 6580 cristalli di CsI(Tl), con lettura tramite fotodiodi Circa 18 X 0, dentro il solenoide Eccellente risoluzione in energia, essenziale per 0 = 5.0% 0

Instrumented Flux return: identificazione μ, K L Fino a 21 strati di RPC alternati a piani di ferro Identificazione di muoni oltre 500 MeV Rivelazione di adroni neutri (K L ) RPC poco efficienti Sostituzione con tubi di Iarocci

Belle a KEK-B

I quark b adronizzano 75% B 0 d /B + ; 15% B 0 s 10% barioni/stati eccitati e + e - nel continuo I B viaggiano –(p B ~70% E fascio ) –Misure dipendenti dal tempo! ~ 1/s ~ (87nb)/(4E 2 fascio ) –35 pb a s = 29GeV – 8 pb a s = 60GeV –S/B ~ 1/10 Reiezione del fondo: –leptoni ad alto impulso (1-2GeV) –Boosted sphericity product –Parametri dimpatto –vertici secondari …ampio uso in LEP/SLC

e + e - al picco della Z 0 Adronizzazione Boost c ~ 2mm (Z 0 ff)~G F M 3 Z (g 2 V +g 2 A ) – bb ~ 5nb –S/B ~ 1/5 FermionegVgV gAgA Z (MeV) ½½166 - ½ + 2 sin 2 w - ½83.5 u, c - ½ - 4/3 sin 2 w ½285 d, s, b - ½ + 2/3 sin 2 w ½369

LEP ( ) L ~ cm -2 s -1

ALEPH ( )

Reiezione del fondo (1) bc (BR~20%) –E max ~ ½ m b ~ 2.5 GeV bcs cs –E max ~ ½ m c ~ 0.9 GeV p invariante relativistico p duro (frammentazione) Altri leptoni da: –K, – e + e - –Misidentificazioni p>3GeV, p >1GeV –80% bb –15% cc – 5% altro

Reiezione del fondo (2) Parametro dimpattovertici secondari

Collisori adronici Sezione durto molto alta Tevatron, s=1.8 TeV bb ~ 18 b bb / tot ~ LHC s=14 TeV bb ~ 100 b bb / tot ~ 2×10 -3 B 0 d, B 0 s, B +, b, b, B (s) *, B (s) ** Trigger essenziale –B J/ + - –Decadimenti semileptonici –Decadimenti adronici con vertice secondario Rate disponibile dipende da programma di fisica Molte tracce di fondo: –Tracciatore di vertice ad alta precisione –Algoritmi di ricostruzione dedicati

Tevatron a Fermilab, Chicago Run1 ( ) L ~ cm -2 s -1 Integrati ~ 150 pb -1 Run2 ( ) L > cm -2 s -1 Integrati ~ 350 pb -1 Nel 2009 ~ 4-8 fb -1

CDF & D0 CDF: trigger con tracce e vertici secondari PID: TOF e dE/dx ottima risoluzione in massa invariante D0: accettanza per tracciamento in avanti

~75 tracce LHCb al CERN L ~ 2 x cm -2 s bb/anno !

Where to B? Sommario Acceleratores L cm-2 s-1 bb bb / had N bb /10 7 s Commenti CESR10 GeV2 x nb1/42 x (4S); -a riposo; - solo B 0 d, B + TRISTAN60 GeV1 x nb1/11800+tutti gli adroni; +time-dep. -rate piccolissimo LEP90 GeV1 x nb1/55 x tutti gli adroni; +time-dep. -basso rate Tevatron1.9 TeV1 x ~50 b 1/10005 x tutti gli adroni; +time-dep. -trigger, fondi. accettanza, LHCb14 TeV2 x ~200 b 1/20004 x tutti gli adroni; +time-dep. -trigger, fondi, accettanza PEP-II, KEKB 10 GeV~ nb1/ (4S); +time-dep. - solo B 0 d, B +