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

Programma Lezione 1: introduzione Lezione 2: vite medie e oscillazioni Lezione 3: decadimenti semileptonici e rari Lezione 4: violazione di CP e sin2b Lezione 5: misure di a Lezione 6: misure di g

Mesoni B: perché ? Mesoni B: antiquark b + quark Decadimenti deboli bu = B+ bc = B+c bd = B0d bs = B0s Decadimenti deboli quark b pesante (~5 GeV/c2) Vita media “lunga” (tB~1.5 ps) Oscillazioni di sapore (Dmd~0.5 ps-1) Violazione di CP Sensibilità a nuova fisica L’unico mesone composto da 2 quark pesanti! oscillazioni materia-antimateria

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

e+e- sulla Y(4S), nel continuo e sulla Z0 Where to B ? Bersagli fissi e+e- sulla Y(4S), nel continuo e sulla Z0 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. ~√Efascio Sezione d’urto sbb~ 10nb per pfascio 800 GeV  Luminosità alta. Tipicamente ~1010 particelle s-1 su bersaglio di densità ~1024 cm-2 → L~1034 cm-2 s-1  Fondi alti e non sempre tollerabili S/N ~ 3×10-7, strategia di trigger fondamentale ad esempio, si richiede J/Y → m+m- inefficienza sul segnale: Br(B→J/YX)*Br(J/Y→m+m-)~ 0.6% …oppure si cercano vertici separati Ad esempio, per pfascio=920GeV, il B viaggia in media 8mm NB: 1barn = 1b = 10-24cm2; 1nb = 10-9b = 10-33cm2

Acceleratori e+e-

e+e-→ (4S) → BB Sezione d’urto BB: ~1nb, continuo (e+e- → qq): 3.5nb (4S) sopra la soglia di produzione BB → solo B+ e B0d Produzione coerente, JPC=1-- → importante per oscillazioni e violazione di CP! G ~ 24MeV G ~ O(10keV)

Cinematica (4S) → BB m(4S)=10.580Gev; 2mB=10.557 GeV pB=340MeV; bgct~30mm 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 qq BB Thrust Sfericità Fox-Wolfram Si può costruire un discriminante di Fisher

Variabili cinematiche 2 Si sfrutta il vincolo dell’energia dei fasci per migliorare la risoluzione Tipicamente: mes  3 MeV s DE  15 MeV

CLEO a CESR, Cornell L ~ 1032 cm-2 s-1 Presa dati: 1979-2002 Integrati ~ 9 fb-1 alla (4S) L ~ 1032 cm-2 s-1 Ora: Y(3770) → DD (charm factory)

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

Parametri di PEP-II Parameter Disegno Raggiunti Energia LER 3.1 GeV Energia HER 9.0 GeV N. di bunch 1658 1561 Corrente LER 2140 mA 2430 mA Corrente HER 750 mA 1380 mA Vita media LER 240 min. 200 min. Vita media HER 660 min. Beam size x 222 mm 190 mm Beam size y 6.7 mm 6.0 mm Luminosità 3 x 1033 1.2 x 1034 Boost: bg = 0.56 4ns bunch crossing Correnti alte 130  106 B0/anno

Fabbriche di B asimmetriche: KEK-B Energia dei fasci: 8 GeV (e-) 3.5 GeV (e+) Correnti: 2.00 A (e+) 1.40 A (e-)

Prestazioni delle 2 fabbriche Ottimo funzionamento sia di PEP-2 che di KEK-B… Disegno: 30 fb-1/anno… design BaBar Belle Lmax (1033/cm2/s) 12.1 17.1 best 24h (pb-1) 891 1243 totale (fb-1) 422 710

Il rivelatore Babar Instrumented Flux Return Magnete da 1.5 T 19 strati di RPC/LST 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 dz e- beam e+ beam 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 00

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

DCH: Camera a deriva 40 strati di fili all’interno del campo magnetico da 1.5 Tesla Misura dell’impulso 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: g/p0/e ID 6580 cristalli di CsI(Tl), con lettura tramite fotodiodi Circa 18 X0, dentro il solenoide Eccellente risoluzione in energia, essenziale per p0  gg 0 s = 5.0%

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

Belle a KEK-B

10% barioni/stati eccitati e+e- nel continuo I quark b adronizzano 75% B0d/B+; 15% B0s 10% barioni/stati eccitati  I B viaggiano (pB~70% Efascio) Misure dipendenti dal tempo!  s ~ 1/s ~ (87nb)/(4E2fascio) 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 d’impatto vertici secondari …ampio uso in LEP/SLC

e+e- al picco della Z0 Adronizzazione Boost bgct ~ 2mm G(Z0→ff)~GFM3Z(g2V+g2A) sbb ~ 5nb S/B ~ 1/5 Fermione gV gA GZ (MeV) n ½ 166 ℓ - ½ + 2 sin2qw - ½ 83.5 u, c - ½ - 4/3 sin2qw 285 d, s, b - ½ + 2/3 sin2qw 369

LEP (1989-2000) ALEPH L3 DELPHI CERN OPAL L ~ 1031 cm-2 s-1

ALEPH (1989-2000)

Reiezione del fondo (1) b→cℓn (BR~20%) b→c→sℓn c→sℓn Eℓmax~ ½ mb ~ 2.5 GeV b→c→sℓn c→sℓn Eℓmax ~ ½ mc ~ 0.9 GeV p invariante relativistico p duro (frammentazione) Altri leptoni da: K →m, p →m g →e+e- Misidentificazioni p>3GeV, p>1GeV 80% bb 15% cc 5% altro

Reiezione del fondo (2) Parametro d’impatto vertici secondari

Collisori adronici Sezione d’urto molto alta Tevatron, √s=1.8 TeV sbb~ 18mb sbb /stot ~ 10-3 LHC √s=14 TeV sbb~ 100mb sbb /stot ~ 2×10-3 B0d, B0s, B+, Lb, b, B(s)*, B(s)** Trigger essenziale B→ J/y → m+m- 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 (1992-1996) L ~ 1031 cm-2 s-1 Integrati ~ 150 pb-1 Run2 (2001-2009) L > 1032 cm-2 s-1 Integrati ~ 2 fb-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 m tracciamento in avanti

@CERN b b b b CERN LHCb ATLAS CMS ALICE √s = 7 TeV LHCb: L=2-5 x 1032 cm-2 s-1 sbb = 500 mb inel / s bb = 160 => 1 “year” = 2 fb-1 June 18th, 2008

Lo spettrometro LHCb Requisiti: tracciatura & vertexing eccellenti particle ID (e/m/p/K/p) eccellente Trigger Flessibile & Efficiente Lo spettrometro LHCb June 18th, 2008 37

Parametri d’impatto tracce Requisiti: tracciatura & vertexing eccellenti particle ID (e/m/p/K/p) eccellente Trigger Flessibile & Efficiente Lo spettrometro LHCb Vertici Parametri d’impatto tracce Vertex Locator (Velo) 21 moduli di silicio a microstrisce, risoluzione puntuale ~ 5 mm Pileup veto Trigger L0 / HLT trigger June 18th, 2008 38

Tracciamento + campo magnetico Requisiti: tracciatura & vertexing eccellenti particle ID (e/m/p/K/p) eccellente Trigger Flessibile & Efficiente Lo spettrometro LHCb Tracciamento + campo magnetico Impulso & masse 2 sistemi di tracciatura: TT T1/T2/T3 & campo magnetico di 4Tm Silicio a microstrisce e straw tubes; Trigger HLT June 18th, 2008 39

Selezione segnale, reiezione fondo, etichettatura sapore Requisiti: tracciatura & vertexing eccellenti particle ID (e/m/p/K/p) eccellente Trigger Flessibile & Efficiente Lo spettrometro LHCb Identificazione p/K Selezione segnale, reiezione fondo, etichettatura sapore p/K PID: 2 sistemi RICH RICH1: aerogel n=1.03 & C4F10n=1.0014 RICH2: CF4n=1.0005 June 18th, 2008 40

Lo spettrometro LHCb Identificazione e/h/neutri Requisiti: tracciatura & vertexing eccellenti particle ID (e/m/p/K/p) eccellente Trigger Flessibile & Efficiente Lo spettrometro LHCb Identificazione e/h/neutri Selezione segnale, reiezione fondo, etichettatura sapore Calorimetri: SPD/PS ECAL HCAL 2.5X0 (PS) + 25 X0 (ECAL) + 5.6 l0 (HCAL) Trigger L0 su adroni ed electroni ad “alta” ET June 18th, 2008 41

Requisiti: tracciatura & vertexing eccellenti particle ID (e/m/p/K/p) eccellente Trigger Flessibile & Efficiente Lo spettrometro LHCb Identificazione m Selezione segnale, reiezione fondo, etichettatura sapore Rivelatore per muoni: 5 stazioni/ 4 Filtri (E-HCAL+MF) Trigger L0 di muoni ad “alto” pT June 18th, 2008 42

Il trigger di LHCb HLT: tracce ad alto IP e “alto” pT [software] e ricostruzione completa dell’evento 40 MHz 1 MHz 2 kHz L0: “alto” pT(m, e, g, h) Pileup-VETO [hardware] 4ms Disco/nastro (~30 kB per evento) Rivelatore Elettronica dedicata Batteria di PC efficienze L0, HLT e L0×HLT (normalizzate sugli eventi selezionati) HLT rate Tipo di evento Processo fisico 200 Hz Decadimenti esclusivi del B B (programma principale) 600 Hz Coppie di muoni ad alta massa J/, bJ/X (senza bias temporale) 300 Hz Eventi con D* Charm (mixing & CPV) 900 Hz Decadimenti b inclusivi (e.g. bm) B (alla ricerca di “sorprese") Selezioni inclusive per calibrare il rivelatore e stimare le sistematiche (trigger/tracciatura /etichettatura/PID) ma anche per misure di fisica June 18th, 2008 43

Evento “tipico”… ~75 tracce L ~ 2 x 1032 cm-2 s-1 1012 bb/anno !

Where to B? Sommario L Acceleratore √s sbb sbb/ shad Nbb/107s Commenti cm-2 s-1 sbb sbb/ shad Nbb/107s Commenti CESR 10 GeV 2 x 1032 1.05 nb 1/4 2 x106 + (4S); -a riposo; - solo B0d, B+ TRISTAN 60 GeV 1 x 1031 0.008 nb 1/11 800 +tutti gli adroni; +time-dep. -rate piccolissimo LEP 90 GeV 5 nb 1/5 5 x 105 -basso rate Tevatron 1.9 TeV 1 x 1032 ~50mb 1/1000 5 x 1010 -trigger, fondi. accettanza, LHCb 14 TeV ~200mb 1/2000 4 x 1011 -trigger, fondi, accettanza PEP-II, KEKB ~1034 108 + (4S); +time-dep.