Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (1)(1) Physics reach di LHCb Marta Calvi Università di Milano Bicocca e INFN Milano Commissione Scientifica Nazionale I Frascati 4 Febbraio 2003 To be or not to be ?

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (2)(2) Scopi principali di LHCb  Misure di CP di precisione, con alta statistica  Misure di CP in molti canali, anche in canali nuovi, non possibili altrove (es.B s )  Decadimenti del b rari   Sovra-determinare i parametri dei Triangoli di Unitarietà   Evidenziare segnali di Nuova Fisica   Distinguere tra diversi modelli oltre lo SM B d  K   B d  K   B s  KK,B s  D s K,B s  J /  rapide oscillazioni del B s necessità separazione K/  Anche stati finali solo adronici e molti-corpi: B d  , B d  D  

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (3)(3) Necessari: Produzione B s Alta statistica Una strategia risolutiva: · Misure di  indipendenti da eventuali contributi di NF nei diagrammi a loop come: Asimm. CP in B s  D s K e B s  J/      Asimm. CP in B d  D *  e B  J/  K S  +   · Misure di asimmetria in canali particolarmente sensibili a contributi di NF come: B s  J/  B s  K*  ecc. Molte estensioni dello SM implicano nuove particelle nei diagrammi a loop  le misure di mixing e di alcune asimm. CP non forniscono direttamente il valore di lati ed angoli dei triangoli CKM.

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (4)(4) Vantaggi della fisica del b ad LHCb  bb ~ 500  b  bb  inel. ~ 0.01  bb / anno con B d, B s, barioni, B c  alta statistica su diversi canali  = 0.4 inter. inel. vis. per bunch crossing  ricostruzione degli eventi più semplice Rivelatore in avanti 1.9<  <4.9 · bb correlati spazialmente  b ~ 30 % · B ad alto momento:  14  c  7mm  separazione tra vertici produzione e decadimento  misura del tempo proprio favorita · Possibile uso di soglie in p T inferiori 14 TeV 40 MHz L = 2x10 32 cm –2 s -1 Regolata localmente

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (5)(5) LHCb: il rivelatore  8 TDR già approvate: Magnete, VErtex LOcator, RICH, Calorimetro, Muon Detector, Outer Tracker, OnLine System   Recente revisione della configurazione di alcune parti del rivelatore (non in discussione le tecnologie )  per Sett.03: “Detector Reoptimization TDR” e “Trigger TDR”   Riduzione del materiale davanti a RICH2 (da 0.60 X 0 a 0.39 X 0 )   Ottimizzazione della strategia di trigger e di tracking Punti di forza: Trigger dedicato, su vari stati finali (leptoni, adroni), adattabile (varie strategie) Risoluzione di vertice e tempo proprio Risoluzione in massa PID: separazione K/  /p da RICH identificazione   da camere MU, e da Calorimetro Meno interazioni nel rivelatore Trigger livello-1 include la misura del momento Stato attuale:

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (6)(6) VELO: 21stazioni (R min = 8mm) Si 220  m, strips R e φ TT~1.4  1.2 m 2 Si microstrips ~6  5 m 2 3 stazioni Tracking IT : Si strips OT: straw tubes

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (7)(7) Il Software di LHCb Simulazione realistica: Interazioni pp multiple ed effetti di spill-over inclusi Descrizione del materiale completa, dalle TDRs Risposta dei rivelatori in dettaglio (efficienze, risoluzioni, rumore, ecc.), accordata sui risultati dei test-beam Ricostruzione con patter recognition completo (mai si ricorre all’informazione originale del Montecarlo) Pythia 6.2 accordato su dati CDF e UA5 BR’s da PDG2002 Produzione di dati MC con questa simulazione: Produzione estate 2002: 3.6 M eventi presso 7 centri  Primi studi di Fisica (solo alcuni canali) risultati preliminari usati per questa presentazione Prossima produzione primavera 2003: ~ 15M eventi ( con sufficienti bb inclusivi per studio fondi )  risultati per le TDRs di settembre 1 M prodotti alla farm LHCb di Bologna-Cnaf 4-5 M saranno prodotti a BO (110 CPU)

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (8)(8) Tracking: simulazione di 1 evento con GEANT3

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (9)(9) = 74 ( evento bb ) Tracking Diversi tipi di tracce ricostruiti con diversi algoritmi, in passi successivi T  TT : recupera i  da K S decaduti dopo il VELO Long tracks (VELO+TT+T): la fisica del B VELO  TT: tracce di basso momento: riduzione fondo nel RICH, K tag, D   D  VELO tracks: ricostruzione vertice primario T tracks : seeds e secondari 31 % 5 % 36 % 14 % 14 %

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (10) “Long” tracks:     = 95% p>5 GeV/c   “ghosts” rate ~ p T >0.5GeV/c   Parametro d’impatto: risoluzione tipica per tracce dal B:  m Risoluzione sul momento K S long tracks B  J/  K S    = 75%    p/p ~ 0.43 % “T  TT” tracks: B 0  J/  K S K S T-TT tracks m(J/  K S  ) GeV/c 2 m(  ) GeV/c 2

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (11) LHCb Trigger MU, ECAL, HCAL pile-up VELO, TT evento completo veto 40 MHz 1 MHz 40 kHz 200 Hz (12.4 MHz int. inel.) Input Livello–0Livello–1 HLT su nastro Input Livello–0 Livello–1 HLT su nastro ~310k canali 4  s latency 1 ms latency , h, e,  con alto p T (~1-3 GeV/c) ~50k canali Livello-1 Vertici secondari da tracce con: · grande parametro d’impatto · alto p T match con Livello-0 misura di p T dalla curvatura delle tracce VELO  TT nel campo magnetico

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (12) Efficienza di Trigger Canale  L0)  L1)  L0*L1) B0  B0   B0  K+KB0  K+K Bs DsBs Ds Bs Ds-K+Bs Ds-K B s  J /      B s  J /  e - e +  B 0  J /      K S B 0  K 0   Robustezza L1 verso molteplicità di tracce Efficienze per eventi di segnale ricostruiti e selezionati Tutti gli eventi Bs Ds-K+Bs Ds-K+ Efficienza Livello-1 · High Level Trigger ( sull’evento completo): studio in corso

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (13) Identificazione di adroni Identificazione di adroni » Selezioni canali CP ampio spettro momento » Flavour tagging 3 radiatori in 2 RICH specchi piani fuori accettanza HPD’s specchi sferici schermo in Fe aerogel RICH 1 verticale radiatore aerogelC 4 F 10 CF 4 n soglie  (GeV/c) K  ) (mrad) N p.e RICH 1RICH2 Separazione K/  =88.% =2.7% 2<p<100 GeV/c Pixel occupancy media <1% per evento Risultati da ricostruzione con pattern recognition completo, comprendente fondo

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (14) Identificazione di muoni ed elettroni Identificazione di  =86. % =1. % In eventi J/    Identificazione di e: =78. % =1. % In eventi J/   ee b  J /    b  J /   ee Identificazione di  0 : studio in corso su diversi canali

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (15) Risoluzione su vertici e tempo proprio Vertice Primario  ricostruz   >98%  X  Y ~ 8.5  m  Z ~ 47  m Vertici secondari: Mixing B s 0 : Misura di  m s a 5  fino 48 ps -1 Esclusione al 95% CL fino 58 ps -1 Bs0Ds-Bs0Ds- BsDsBsDs DsKKDsKK Tempo proprio  core =42  5 fs  core =418  31  m  core =168  15  m

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (16) Risoluzione in massa B s 0  D s     D s   K + K    B0B0 Fondo dagli altri decadimenti a 2 corpi di B 0, B s e  b B0KB0K B0sB0s  M B ) ~ 18 MeV/c 2 (dominata dalla risol. sul momento)  M Ds ) ~ 3.5 MeV  M Bs ) ~ 12.6 MeV KKKK purezza 92% purezza 96% purezza 98%

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (17) Event yields untagged Canaleefficienzayield B0  B0   0.78 %27 k B 0  K    0.85 %115 k B s  K  K  0.94 %35 k Bs DsBs Ds 0.26 %72 k Bs Ds-K+Bs Ds-K %8 k B s  J /      1.66 %109 k B s  J /  e - e   0.29 %19 k B 0  J /      K  S 0.76 %119 k B 0  K 0   0.09 %20 k L’ efficienza comprende:   Accettanza geometrica: normalizzazione a 4    Pile up atteso (eventi con qualunque numero di interazioni)   Efficienza di trigger: Livello-0 + Livello-1 (con output rate fissata)   Efficienza di rivelazione, effetti di interazioni nel materiale   Efficienza di ricostruzione (tracking, calorimetri, PID con pat.rec. completo)   Efficienza di selezione off-line (ricostruzione stati finali e reiezione fondo) L = 2x10 32 cm –2 s -1 1 anno = 2 fb -1

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (18) S/B Studi preliminari indicano livelli di S/B simili a quelli quotati nella TP. Fondo fisico, con topologia simile al segnale, rigettato da tagli su PID e m(B) La statistica di eventi inclusivi disponibile oggi (10 6 bb) non consente di determinare con precisione il livello del fondo combinatorio, cosa che verrà fatta con la prossima produzione MC per la TDR. Altri metodi che saranno aggiunti: B s tag con K “same side” B d tag con  “same side” Analisi in corso jet charge studi preliminari sul nuovo MC danno un valore simile Tagging NON compreso nelle efficienze quotate LHCb TP:  = 0.40  D= 0.40    D 2 = 6.4% usando SOLO e, , K dal decadimento del b opposto a quello di segnale

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (19) Reiezione del fondo combinatorio esempio: B 0 d        Fondo combinatorio dominato da eventi bb   Rigettato completamente, anche rilasciando i tagli su m(B)   Il contributo di tracce mal ricostruite resta trascurabile S/B>1 (TP~1)

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (20)   Dalla misura di 4 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava  (e  fissato da B 0 s  J/    2 ampiezze albero di ordine simile (  3 ) : asimmetrie grandi, contributi di NF poco probabili   Fondo importante da D s   da B 0 s  D - s K +, D + s K -  da B 0 s  D - s K +, D + s K - Necessari: Trigger adronico Separazione K/  Buona risoluzione in tempo proprio Sensitività in  è funzione di: rapporto delle ampiezze Differenza di fase forte Valori di ,  m s  s  s Per  m s =20 ps –1 :  10 o In 1 anno: 3200 eventi B 0 d  D s  K  triggerati, ricostruiti e taggati

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (21)  da B s   J/   da B s   J/    SM prevede  S      Sensibile a contributi di NF nel mixing B s 0 -B s 0 In 1 anno: 43.6 k eventi B s 0  J/      7.6 k eventi B s 0  J/  e + e    Triggerati, ricostruiti e taggati Misura di  s :   s  s  0.03 per  s  s =0.15 B s  J/  non è stato finale di CP definita: necessario fit a distribuzioni angolari dei prodotti di decadimento e vite medie Per  m s =20 ps –1 :  3 o  core  36±1 fs

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (22)  da B 0 d        e B 0 s  K + K    da B 0 d        e B 0 s  K + K   (proposto da R. Fleischer ) Fit di A CP (t) = A dir cos(  m t) + A mix sin(  m t) per B 0 d      e B 0 s  K + K  Basato sulla simmetria di “U-spin” (d  s): unica fonte di incertezza teorica Misura di  se  fissato da B s  J/  e  fissato da B  J/  K s Sensibile a contributi di NF che possono essere evidenziati dal confronto con  da D s K  A dir,  A mix ~  0.05   ~ 3 o   per  m s =20 ps -1 Necessari: Trigger adronico Separazione K/  Buona risoluzione in tempo proprio In 1 anno: 10.8 k eventi B 0 d      14. k eventi B 0 s  K + K  Triggerati, ricostruiti e taggati With RICH No RICH BB

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (23) Studio preliminare B c  J /  BR ~10 -2 )  ~ 2% 12 k eventi/anno Fondo da b  J /  X e prompt J /  ridotto da tagli su distanza vertice primario-vertice B c  Mesoni B c  Mesoni B c m Bc = 6.4  0.4 GeV  Bc ~ 0.5 ps  ( pp  B c ) ~300 nb    10 9 B c / anno   Accettanza in LHCb ~30% M( J /  GeV/c 2 Possibili:   Misure di precisione su massa, vita media   Misure di CP con B c  J /   D , B c  D s D, D  D ecc.

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (24) Decadimenti rari:  B   K     BR(B   K   )=(4.3  0.4) x10  5   Violazione di CP diretta nello SM<2%  Sensibile a contributi di NF In 1 anno: 20 k eventi B   K  (K    )  triggerati e ricostruiti Risoluzione in massa ~  80 MeV Fondo B   K    rigettato grazie a diverse elicità K   W b u,c,t s

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (25) Physics reach LHCb 1 year (2fb –1 ) osservabilecanaleYield (*) tagged   =0.40 Precisione   Bd J/KsBd J/Ks 48 k *  sin  0.02    B s  D s K B d  D   B d  , B s  KK B d  DK* 3.2k * 73k+460k * 10.8k,14k * 0.4k  10 o  3 o  4 o -18 o  B d      B d   10.8k * 1.3k * dipendente da teoria  5 o – 10 o  B s  J /  51.2k *  3 o |V td |/|V ts  B s  D s  B  X s,d  29 k * 17k  m s fino 58 ps   |V td |/|V ts  11% B d  K   20k B d  K   4.5k In blu se relativi alla TP

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (26) Sistematiche nelle misure di CP Possibili fonti di errori sistematici: Efficienze del rivelatore dipendenti dalla carica possono indurre false asimmetrie possono falsare il mistag Fondi con asimmetrie di CP  0 Asimmetria nella produzione di b e b   Runs alternati cambiando il segno del campo magnetico (magnete caldo)   Uso di campioni di controllo disponibili con alta statistica: B d 0  J/  K * 600k eventi/anno B   J/  K  600k eventi/anno  B s 0  D s  72 k eventi/anno   Studio delle asimmetrie CP negli intervalli di massa adiacenti il B

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (27) Event yields untagged (10 7 s) confronto* con BTeV CanaleBRLHCb oggi Yield LHCb TP Yield BTeV Yield B0  B0   4.4 x10  6 27 k 11 k 14.3 k B 0  K    1.74x10  k 38 k 57.5 k B s  K  K  1.74x10  5 35 k - Bs DsBs Ds 3.0x10  3 72 k 86 k 59 k Bs Ds-K+Bs Ds-K+ 2.5x10  4 8 k 6 k 6.3 k B s  J /      6.3x10  k 81 k B s  J /  e - e   6.3x10  5 19 k 32 k B 0  J /      K  S 4.4x10  k101 k168 k B 0  K 0   4.3x10  5 20 k 22 k * CAVEAT: per LHCb sono risultati di simulazione e pattern recognition completi, BTeV usa anche Mcfast e rivelatore a livello “ideale”

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (28) Conclusioni LHCb è il rivelatore dedicato in grado di effettuare misure di fisica del b in molti canali fin dal primo giorno di funzionamento di LHC Le prestazioni del rivelatore, nella riottimizzazione attualmente in corso, sono al livello di quelle indicate nella TP, ma valutate ora con un Montecarlo realistico e completo. LHCb fornisce ampie possibilità per evidenziare eventuali contributi di fisica oltre il Modello Standard Hamlet: “ There are more things in heaven and earth, Horatio, then are dreamt of in your phylosophy” (Act I,scene V) “Very likely the CKM mechanism is the dominant source of CP violation in FC processes... but rather large corrections are still possible in  m s, in CP asymmetries in B s decays, and in CP asymmetries related to b  sss transtions” (Y.Nir, plenary ICHEP02)

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (29) Back-up Slides

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (30) LHC vs Tevatron >2006 LHC(IP8) Tevatron  s 14 TeV 2 TeV  bb 500  b 100  b  inelelastic 80 mb 50 mb L (cm –2 s -1 ) 2 x x10 32 W bunch crossing 40 MHz 7.6 MHz t bunch spacing 25 ns 132 ns  z regione luminosa 5 cm 30 cm  interazioni pp inel./bco  0.4 2

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (31) BR’s utilizzati BR(B 0      )(4.4  0.9) x10  6 PDG2002 BR(B 0  K    )(1.74  0.15) x10  5 PDG2002 BR(B s  K  K  )(1.74  0.15) x10  5 = BR(B 0  K    ) BR(B s    K  )(4.4  0.9) x10  6 = BR(B 0      ) BR(B s  D s    )(3.0  0.4) x10  3 = BR(B 0  D    ) BR(B s  D s K  )(2.5  0.6) x10  4 calcolato BR(B s  J /  )(9.3  3.3) x10  4 PDG2002 BR(B 0  K 0   )(4.3  0.4) x10  5 PDG2002 

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (32) Molteplicità cariche  s=14 TeV, 1.8<  <4.9 calcolate con PYTHIA 6.2 (p T min delle collisioni pp determinato dal fit dei dati UA5 e CDF a diverse energie) LHCb standard: = 33.9 =21.3 LHCb (p T min =p T min -3  + 26% +19% CDF 2002 Tuning: -20%

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (33) Robustezza del tracking Dipendenza dell’efficienza dalla moltiplicità “relativa”: 1 N VELO N IT N OT N rel = - ( ) 3 Debole anche la dipendenza da: numero di interazioni efficienza di IT e OT N rel

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (34) Trigger Livello-0: pile up veto Per L = 2x10 32 cm –2 s 40MHz (30 MHz effettivi) 9.3MHz bco con 1 interazione, 3MHz >1 interazione Pile-up veto 4 piani Si strips -4.2<  <-2.9 Scopo: ridurre il numero di eventi con >1 interazione per facilitare ricostruzione del vertice primario, B flavour tagging ecc. Misura posizione e molteplicità di 2 vertici di interazione Rigetta eventi con >2 tracce provenienti dal 2 o vertice Nessun taglio su eventi con 2  con p T sopra soglia

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (35) RICH RICH 1 RICH 2 Fotoelettroni da tracce fisiche Fotoelettroni da fondo (principalmente secondari) 1 evento “tipico”:

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (36) VErtexLOcator 21 stazioni, dentro il tubo a vuoto 8 mm<R< 42 mm dal fascio Si strips: 220  m n-on-n double metal layer, risoluzione ~6  m Strips segmentate in R e  Irradiazione massima: ~1.3x10 14 n eq /cm 2 /anno ~200 k canali Occupazione: sempre <1%   Trigger Livello-0: pileup veto (2 stazioni) Livello-1: vertici secondari   Tracker

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (37) Calorimetri PreShower (scintillatore+Pb+scintillatore) 2X 0 ECAL (Pb+scintillatore “shashlik”) 25X 0  (E)/E=10 % /  E  1.5 % HCAL (Fe+scintillatore) 5.6 int  (E)/E=80 % /  E  10 % Purezza ~20% per 0.1<m <0.17 GeV/c 2 Ricostruzione di  0

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (38)  (2  +  ) in degrees 1 year5 years  da B 0 d  D *-  , D *+    da B 0 d  D *-  , D *+     Dalla misura di 2 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava  e  strong (e  fissato da J/  K S )   Effetto piccolo di interferenza tra 2 decadimeti albero con o senza mixing: indipendente da effetti di NF nel mixing Ricostruzione esclusiva: ~ 73 k eventi/anno S/B ~ 5.6 Ricostruzione parziale (  lento): ~ 460 k eventi/anno S/B ~ 4.4 triggerati ricostruiti e taggati  10 o Necessari: Alta statistica Trigger adronico 10% errore su |  0 errore Assumendo il rapporto delle ampiezze |  e  strong  Not updated Dipendente da 2  e   strong   (degrees)

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (39) La misura di  da B d 0      è affetta da incertezze dovute al contributo dei diagrammi a pinguino.  da B 0 d    da B 0 d   L’ analisi completa del decadimento a tre corpi ( analisi dipendente dal tempo del Dalitz plot) B 0 d  (    ,    ,             permette di estrarre  ed i termini albero e pinguino M(    0  M(    0  In 1 anno: ~1200 eventi B 0 d     ,     ~100 eventi B 0 d      triggerati, ricostruiti e taggati  (M)~35 MeV (con   constr.) Sensitività prevista:  5 o -10 o Not updated

Marta CalviCSN1 Frascati, 4 Feb 03 (40) |V td |/|V ts  da B  X s,d  +  - Not updated BR(B      X d ) |V td | 2  BR(B      X s  |V ts  2 · Regione delle risonanze J/  e  esclusa · |V td |/|V ts  con incertezza teorica O(1%) (A.Ali,G.Hiller) 16 k eventi/anno B , B 0      X s S/B~ k eventi/anno B , B 0      X d S/B~1 Errore relativo su |V td |/|V ts  ~11% (assumendo |V td | 2 /|V ts  2  =1/30) Con alta statistica metodo competitivo con  m d /  m s ~ ·