Decadimenti semileptonici del B e misura di |V ub | Francesco Gallo Università di Torino & INFN XVI IFAE Torino, 14 Aprile 2004

XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 2 Outline Motivazioni fisiche per la misura di |V ub | Tecniche sperimentali Misure inclusive Misure esclusive Conclusioni

|V ub | e triangolo di unitarietà XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 3 Matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (mixing dei quark): |V ub | pone dei vincoli sul vertice del Triangolo Unitario. HFAG 2004:  (|V cb |) / |V cb |  5 % Misura precisa di |V ub | cruciale per testare il Modello Standard.

Estrazione diretta di |V ub | dai decadimenti semileptonici senza charm del mesone B Fondo dominante da eventi semileptonici contenenti charm - studiare regioni limitate dello spazio delle fasi Diversi approcci sperimentali - endpoint dello spettro del leptone (BaBar, BELLE, CLEO) - ricostruzione cinematica del neutrino (BELLE, CLEO) - tecnica del rinculo (BaBar) |V ub | dai canali semileptonici XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 4 MxMx p lep q2q2  V ub BR(b  c l )  60  BR(b  u l )

Misure inclusive di |V ub |

Estrazione di |V ub | dal BR semileptonico inclusivo charmless: - ampiezza totale di decadimento predetta da HQET e OPE - sviluppo in potenze di 1/m b e operatori locali relativi alle proprietà del quark b:   2 (energia cinetica) e  G 2 (accoppiamento cromomagnetico con spin gluone) - incertezze teoriche da adronizzazione, assunzione dualismo quark-adroni, massa del quark b, moto di Fermi del b nel mesone B Estrazione di |V ub | da BR(b  u l ) XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 6 Uraltsev, Int. J. Mod. Phys. A14:4641 (1999) Bigi, Dikeman, Uraltsev, Eur. Phys. J. C4:453 (1998) Uraltsev, Hoang, Ligeti, Manohar CKM 2002 iiii uiui l  l ub duality 

Endpoint dello spettro del leptone - limite cinematico per eventi con charm ( p lep * > 2.3 GeV) - estrazione eventi di segnale in intervallo di momento  p - shape function (da HQET) descrive proprietà del quark b dentro il mesone B - stessa shape function (al 1° ordine) per tutte le transizioni del b in quark leggeri - frazione f u (  p) dello spettro di p lep * contenuta in  p derivata dallo spettro di energia del fotone in B  X s  - estrapolazione al BR totale: Misure inclusive: ENDPOINT (1) f u (  p)  7.4 % (2.3 < p lep * < 2.6 GeV) CLEO, PRL 88: ,2002  (|V ub |) / |V ub |  15 % XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 7 De Fazio, Neubert JHEP 06, 017 (1999) Leibovich, Low, Rothstein PRD 61, (2000)

Misure inclusive: ENDPOINT (2)  Br(B  X u e ) (  ) |V ub | (  ) 1.43 ± 0.10 ± ± 0.24 exp ± 0.17 OPE ± 0.47 fu ± 0.34 s  1.52 ± 0.14 ± ± 0.29 exp ± 0.25 OPE ± 0.50 fu ± 0.35 s  1.19 ± 0.11 ± ± 0.17 exp ± 0.22 OPE ± 0.45 fu ± 0.32 s  CLEO BaBar BELLE XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 8 BELLE hep-ex/ CLEO PRL 88: (2002) BaBar hep-ex/ BELLE EPS HEP 2003

Ricostruzione cinematica del neutrino: - selezione eventi con leptone di alto momento (p lep * > 1 GeV) - missing momentum (   120 MeV) con B considerato a riposo -  BR in regione di alto q 2 e bassa M x (alta sensitività del fit) Misure inclusive: RICOSTRUZIONE (1) XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 9 q 2 = (p lep + p ) 2 Mx2Mx2 q2q2 cos  Wl q 2 > 11 GeV 2 M x 2 < 2.25 GeV 2 q 2 > 11 GeV 2 M x 2 < 2.25 GeV 2 CLEO |V ub | = (4.05 ± 0.18 exp ± 0.58 syst ± 0.25 b  c ± 0.21 b  u ± 0.56 theo )   (|V ub |) / |V ub |  22 % hep-ex/

Ricostruzione di M x e q 2 con simulated annealing: - selezione candidati con minore m miss 2 e p miss nella regione di accettanza - algoritmo basato su simulated annealing consente la separazione dei prodotti di decadimento dei due B per selezionare la migliore combinazione Xl -  BR da eventi di segnale in M x 8 GeV 2 XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 10 Simulated annealing S. Kirkpatrick et al., Science 220, No (1983) Misure inclusive: RICOSTRUZIONE (2) |V ub | = (4.66 ± 0.28 stat ± 0.35 syst ± 0.17 b  c ± 0.08 b  u ± 0.58 theo )   (|V ub |) / |V ub |  16 % BELLE PRL 92, (2004)

Misure inclusive: RECOIL (1) XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 11 Eventi con un B completamente ricostruito B di rinculo decade semileptonicamente Selezione degli eventi: - leptone di alto momento (p lep * > 1 GeV) - M x < 1.55 GeV (accettanza  70 % ) - m miss 2 < 0.5 GeV 2, veto su K e K s - efficienza di ricostruzione  10 -3, S/B  2 Misura del rapporto di BR: - riduzione incertezze sistematiche - correzioni per efficienza:  sel,  M x (finestra di M x ),  l (taglio su p lep *),  t (ricostruzione adronica del B) B  D(*) X X = n  mK pK s q  0 (n+m+p+q<6) BR(B  X l ) = (10.87 ± 0.18 ± 0.30)% BaBar, PRD 67: (2003) p lep * > 1 GeV N sl

Eventi di segnale estratti dal fit a M x BR semileptonico inclusivo charmless: Misure inclusive: RECOIL (2) XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 12 PRL 92, (2004) |V ub | = (4.62 ± 0.28 stat ± 0.27 syst ± 0.40 theo ± 0.09 pert ± /m b 3 )   (|V ub |) / |V ub |  13 %

Misure inclusive di |V ub | XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 13 Media mondiale inclusiva: - diverse tecniche sperimentali - correlazione errori - misure scalate ad un set comune di parametri e relativi errori Media calcolata solo con risultati delle B-factories: |V ub | = (4.57 ± 0.61)   (|V ub |) / |V ub |  13 %

Misure esclusive di |V ub |

Estrazione di |V ub | dai BR esclusivi charmless - ampiezza di decadimento differenziale con Fattori di Forma (corrente adronica) - 1 solo Fattore di Forma necessario per decadimenti in pseudoscalari (  l,  l ), 3 per decadimenti in pseudovettoriali (  l ) - integrare su tutto il range di q 2 - incertezze da normalizzazione dei Fattori di Forma (  FF ) - solo alcuni canali misurati Estrazione di |V ub | da B  ( , , , ,…) l XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 15 y = q 2 / M B 2  Wl = angolo (W*, l) k s = impulso , , , ,… f 1 (q 2 ) = Fattore di Forma |V ub | 2 = BR(B  ( , , , ,…) l ) / (  FF  B )  ± l  ± l

Misure esclusive: ENDPOINT XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 16 Endpoint spettro del leptone: - selezione eventi con un leptone di alto momento (p lep * > 2 GeV) - segnale in 2.3 < p lep * < 2.7 GeV, fondo V cb in 2 < p lep * < 2.3 GeV - ricostruzione esclusiva della risonanza (e.g.     0   ) - missing momentum, estrazione segnale da fit a M x |V ub | = (3.64 ± 0.22 stat ± 0.25 syst theo )   (|V ub |) / |V ub |  18 % BaBar PRL 90, (2003) B 0    e +

Ricostruzione cinematica del neutrino: - selezione eventi con un leptone di alto momento (p lep * > 1 GeV) - ricostruzione stato finale risonanza (e.g.  +  -  0 ) - missing momentum (   150 MeV) compatibile con ipotesi neutrino Misure esclusive: RICOSTRUZIONE (1) XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 17 BR(B +  l + ) = (1.3 ± 0.4 stat ± 0.2 syst ± 0.3 fu )  BELLE hep-ex/

Estrazione del BR in intervalli di q 2 - riduce la dipendenza del fit dai modelli - estrazione di |V ub | su tutto il range di q 2 XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 18 Misure esclusive: RICOSTRUZIONE (2) CLEO |V ub | = (3.32 ± 0.21 stat ± 0.19 syst ± 0.55  l ± 0.12  l ± b  u )  B 0   - l  (|V ub |) / |V ub |  18 % CLEO ICHEP2002

Misure esclusive: RECOIL XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 19 ”  0 ” is  +  - with 0.65 < m  +  - < 0.95 GeV 00 00  BaBar LP2003

DecayBaBar (  ) BELLE (  ) CLEO (  ) B 0   - l  0.15  0.30 (2002 – Ricostruzione ) 1.33  0.18  0.13 (2003 – Ricostruzione ) B +   0 l  0.32  0.13 (2003 – Recoil) -- B 0   - l  0.42  0.47 ± 0.55 ( endpoint)  – 0.54 (2003 – Ricostruzione ) B +   0 l  0.37  0.19 (2003 – Recoil) 1.44  0.18  0.23 (2002 – Ricostruzione ) - B +   l  0.92  0.57 (2003 – Recoil) 1.3  0.4  0.2  0.3 (2004 – Ricostruzione ) - B +   l  0.31  0.16 (2003 – Ricostruzione ) Altri mesoni leggeri ( ,a 0,a 1,b 1,f 0,f 1,h 1,…) --- Overview dei BR esclusivi XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 20

Misure inclusive ed esclusive di |V ub | XVI IFAE – 14/04/2004 Francesco Gallo 21 B 0   - l + B 0   - l + B +   - l + Misure inclusive Accordo tra le misure inclusive entro gli errori Misure esclusive al di sotto della media inclusiva Discussioni in corso per calcolo della media esclusiva

Conclusioni Molte misure risultano oramai limitate da incertezze sistematiche e teoriche. Elevata luminosità raggiunta dalle B-factories rende promettente lo studio dei canali esclusivi. - estate 2004: BaBar  200 fb -1, BELLE  250 fb -1 A breve nuovi studi dei BR di B  ( , , , ,  ’,a 0,…) l permetteranno nuove misure di |V ub | e inoltre l’estrazione di informazioni sui fattori di forma. |V ub | = (4.57 ± 0.61)   (|V ub |) / |V ub |  13 %

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Shape function (da LCSR) descrive smearing dello spettro osservato (a livello adronico) rispetto allo spettro a livello partonico. Al 1° ordine in  QCD /m b STESSA shape function per tutte le transizioni b  light quark (b  s   B  X s  e b  u l  B  X u l ). Shape Function b  s  B  X s  b  u l B  X u l CONVOLUZIONE con shape function Frazione di spettro b  u l sopra 2.2 GeV: 0.13  0.03

Simulated annealing (BELLE)

Recoil Tecnique (BaBar)  (4S) B recoil B reco D*D*  ss D XuXu l B   0 l B   0 l B   l B  q l