Concezio Bozzi 26 Gennaio 2005 Stato di BaBar Concezio Bozzi 26 Gennaio 2005

Sommario Asimmetria materia-antimateria Violazione di CP nel sistema del B: Il modo aureo Requisiti sperimentali Decadimenti semileptonici del B e violazione di CP |Vub| |Vcb|

Asimmetria materia-antimateria Sperimentalmente si osserva che l’universo a tutt’oggi osservabile è composto da sola materia Big-Bang: proporzioni uguali di materia-antimateria Dov’è finita l’antimateria? Violazione della simmetria CP è una delle quattro condizioni (Sakharov) Si può osservare violazione di CP in laboratorio?

Storia della violazione di CP 1964: Violazione di CP nei decadimenti dei Kappa (Nobel) Wolfenstein postula l’esistenza di una nuova forza, chiamata Superdebole, responsabile della violazione di CP nel mixing K0-K0 e praticamente di nient’altro 1973: Kobayashi e Maskawa osservano che CP potrebbe essere violata nelle interazioni deboli dei quark se ci fossero ALMENO 3 famiglie di quark (solo 2 erano note a quel tempo) 1975: scoperta del leptone   terza famiglia di leptoni (Nobel) 1977: Scoperta del quark b  terza famiglia di quark (Nobel) 1981: Scoperta del mesone Bd, con vita media “grande” ~ 1ps 1986: Osservazione di oscillazioni materia-antimateria (mixing) nel sistema dei mesoni Bd 1995: Scoperta del quark t  Completamento della terza famiglia di quark 2000: Scoperta del  a Fermilab, completamento della terza famiglia di leptoni 2001: Gli esperimenti alle B-factories BaBar&Belle pubblicano i primi risultati su sin2b

Violazione di CP nei mesoni B Mesoni B: antiquark b + quark leggero bu = B+ bd = B0d bs = B0s 5 volte più pesanti di un protone Molta energia disponibile nei decadimenti Molti modi di decadimento, alcuni comuni a particella e antiparticella Vita media ~1.5ps Per studiare violazione di CP, ricerchiamo decadimenti comuni a particella e antiparticella e ne studiamo l’evoluzione temporale oscillazioni materia-antimateria

Il modo aureo: B0d → J/y K0s Libero da incertezze teoriche Facilmente rivelabile sperimentalmente J/y → ee o mm K0s → p+ p- ~1 decadimento del B su 10000 “fabbrica” di mesoni B”: macchina ad alta luminosità Rivelatore in grado di fornire: Identificazione delle particelle Etichettatura materia/antimateria del mesone B che decade Misure precise di tempi di decadimento

Produzione di mesoni B0 Collisore elettrone-positrone: e+e-  U(4S)  B0B0 Sperimentalmente “pulito”, produzione B0B0 coerente Possibile identificare (etichettare) se a decadere e’ stato un mesone o antimesone B andando a vedere i decadimenti dell’altro

Sperimentalmente… B B0 particella antiparticella Etichettatura: Materia o Antimateria? B At dt=0 B0 particella antiparticella Separazione spaziale = misura del tempo Ricostruzione del Modo aureo

Misure di tempo Vita media  lunghezza di decadimento L = v•t = v•g t’ relatività ristretta, Einstein 1905 v = b c → L = b g c t’; c = velocità della luce “boost” bg = p/m; p=impulso, m=massa vita media t = 1.5ps → ct = 450mm = 0.45mm B prodotti alla Y(4S): p ~ 300MeV, m ~ 5GeV bg = 0.06 → L ~ 30mm → impossibile da rivelare! Occorre produrre B con impulso più alto Fasci asimmetrici bg = 0.56 → L ~ 250mm → rivelatori di vertice a silicio

PEP-II Asymmetric B Factory Elettroni (e− ) da 9 GeV contro positroni (e+) da 3.1 GeV Energia ECM = 10.58 GeV = massa della U(4S) La risonanza bb più leggera che decade in coppie di mesoni BB Boost bg = 0.56 permette di misurare tempi di decadimento dei B Luminosità di picco 9.2×1033/cm2/s produzione BB ~10 Hz 3 volte migliore della luminosità di disegno!

Luminosità di PEP-II Run 4 Run 4 BABAR ha accumulato 244 fb-1 di dati (256 milioni di coppie BB) Run 4 (Settembre ’03- Luglio ’04) particolarmente proficuo

Rivelatore BABAR Energia dei fotoni e identificazione elettroni: calorimetro CsI(Tl) Impulso di tracce cariche: camera a deriva in un campo di 1.5 T Rivelazione dei muoni: giogo + camere Identificazione di particelle: rivelatore Cerenkov (DIRC) Ricostruzione di vertici: rivelatore di silicio a microstrisce

Tracciatore di vertice a silicio 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

Instrumented Flux return Fino a 21 strati di Resistive Plate Chambers (RPC) alternati a piani di ferro Identificazione di muoni oltre 500 MeV Rivelazione di adroni neutri (KL) RPC nel barrel in corso di sostituzione con tubi di Iarocci

RPC performance… RPC,eff. >10% Tutte le RPC RPC,eff. <10%

Nuovi tubi di Iarocci (LST) al posto delle RPC LST Project Overview Barrel RPC’s replaced with Limited Streamer Tubes (LST’s) An LST is an 8(7)-cell tube ~14cm x 358cm, running at 5500 Volts. Produced at pol.hi.tech company in Italy. Module _A Layer within a sector consists of 6 to 10 LST Modules _Each module contains of 2 or 3 8(7)-cell Tubes At Princeton and OSU, the tubes are glued onto a SLAC-produced “phi-plane” to form modules, with gas, HV, and electronics connections ready for installation into BaBar Transition board by Ferrara

Readout and electronics A completely new electronics has been developed to readout the signals from: - strips (z coordinate – beam line direction) positive signal - wires (phi coordinate – azimuthal angle) negative signal Not amplified signals Daughter board Single ended signals are sent to Front End Cards (outside the detector) and there amplified and discriminated. The new platform for the FEC crates Mother board Designed by Angelo

Bottom sextant: forward view Layer-1 Brass slabs on every other layer Signal cables for wires Layer-18 Gas lines for Tubes

Event Display from Cosmic event

Violazione di CP: effetti sperimentali F(dt) F(dt) ACP(dt) misura del tempo ed etichettatura perfette Misura del tempo perfetta, etichettatura imperfetta Misura del tempo ed etichettatura imperfette sin2b Dsin2b D = (1-2w) in cui w è la frazione di etichettature sbagliate (mistag). Occorre misurare la diluizione. Occorre misurare la risoluzione in dt.

Risultati Evidente differenza materia-antimateria! Ampiezza dell’oscillazione: “sin2b” Sin2b = 0.722 ± 0.040 ± 0.023

Cosa c’è sotto? Nel modello standard delle interazioni elettrodeboli, la matrice CKM (VCKM ) è una matrice unitaria che collega gli autostati di massa agli autostati deboli 3 parametri reali + 1 fase complessa Si tratta di una descrizione completa? è davvero tutto consistente con una singola matrice unitaria? L’unica fonte di violazione di CP !

Parametrizzazione di Wolfenstein Espansione in l=0.22. Si ignorano i termini del 4o ordine in l. 4 parametri: Grandezze relative Fasi d s b u c t

Triangolo di unitarietà Unitarietà di VCKM Ben rappresentata dall’arcinoto triangolo di unitarietà Gli angoli a, b, g si misurano con i decadimenti dei B (es: J/y Ks) Anche i lati possono essere misurati con i decadimenti dei B

Test di consistenza Si confrontano le misure (contours) sul piano (r, h) Se il modello standard è valido, il triangolo si chiude Il blob ci dice che questo è attualmente vero ma è ancora grosso abbastanza per nascondere effetti di nuova fisica La misura di sin2b è più precisa delle altre Dobbiamo migliorare le altre misure per poter fare un test di precisione

Passo successivo: |Vub/Vcb| Zoom della regione di sovrapposizione È ovvio: dobbiamo restringere l’anello verde Lato sinistro del triangolo Misura di |Vub/Vcb| complementare a sin2b Dobbiamo determinare accuratamente sia |Vub/Vcb| che sin2b

Decadimenti semileptonici del B Permettono di vedere dettagliatamente il quark b all’interno dei mesoni B Analogia con la diffusione profondamente inelastica Ottima sonda per studiare |Vcb| e |Vub| Possiamo studiare anche la struttura del mesone B Leptoni disaccoppiati dalla corrente adronica

Approcci sperimentali Inclusivo: B → Xcℓv o Xuℓv Tassi a livello albero Occorre calcolare correzioni QCD Operator Product Expansion (OPE) Come si separa Xu da Xc? Gc = 50 × Gu  la misura di |Vub| è molto più difficile Esclusivo: B → D*ℓv, Dℓv, pℓv, rℓv, etc. Occorrono fattori di forma per estrarre |Vcb|, |Vub|

Come si sopprime un fondo |Vub| inclusivo |Vub| si misura da Problema: decadimento b → cℓv mu << mc  cinematica differente Energia massima del leptone: 2.64 vs. 2.31 GeV Tecnica usata nelle prime misure (CLEO, ARGUS, 1990) Spazio delle fasi accessibile: solo 6% Quanto accuratamente lo conosciamo? Come si sopprime un fondo ~50 x segnale?

Cinematica b → uℓv Ci sono 3 variabili independenti in B → Xℓv Eℓ, q2 (massa2 leptone-neutrino), mX (massa adronica) 6% 20% 70% Difficoltà Efficienza Errore teorico Eℓ Semplice Bassa Grande q2 Complicata Moderata Moderato mX Alta Da dove viene fuori?

Questioni teoriche Bisogna fare correzioni QCD al livello albero Operator Product Expansion dà il tasso inclusivo Espansione in as(mb) (perturbativa) e 1/mb (non-perturbativa) Incertezza maggiore (±10%) da mb5  ±5% su |Vub| Il vero problema è determinare la frazione accessibile (ad esempio, Eℓ > 2.3 GeV) di decadimenti conosciuto O(as2) soppresso 1/mb2

Funzione di struttura OPE non funziona sull’intero spazio delle fasi non converge ad esempio vicino l’endpoint di Eℓ Calcolo delle accettanze diventa problematico Si risommano termini non perturbativi in una funzione di struttura (Shape Function) Parametrizza il moto di Fermi del quark b all’interno del mesone B Distribuzioni a livello di quark  spettri osservabili Caratteristiche basilari (media, deviazione standard) conosciute Dettagli, specialmente la coda, sconosciuti

Shape Function – che fare? Si misura! La stessa SF entra (al prim’ordine) nei decadimenti b → sg Caveat: occorre l’intero spettro Eg Si misura solo Eg > 1.8 GeV Troppo fondo a energie minori Compromesso: si assumono forme funzionali per f(k+) Esempio: Fit allo spettro b → sg per deteminare i parametri Sistematica: si fitta con altre forme funzionali Spettro Eℓ in b → uℓv Spettro Eℓ in b → uℓv f(k+) 1.8 2 parametri (L, a) da fittare

SF da b → sg CLEO e Belle hano misurato lo spettro b → sg CLEO hep-ex/0402009 SF da b → sg Belle hep-ex/0407052 CLEO e Belle hano misurato lo spettro b → sg BABAR lo sta facendo Belle 3 modelli Fit

Misure BABAR ha misurato |Vub| con quattro diversi approcci Tecnica Correlazioni piccole Sistematiche indipendenti, errori teorici quasi indipendenti Tecnica Referenza Eℓ > 2.0 GeV hep-ex/0408075 Eℓ vs. q2 hep-ex/0408045 mX < 1.55 GeV hep-ex/0408068 mX vs. q2 Campione B → Xev inclusivo. Statistica alta, purezza bassa. Rinculo di B ricostruite completa- mente. Purezza alta, stat.moderata.

Misure con mX e q2 Dati BABAR, 81 fb-1 sulla risonanza U(4S) BABAR hep-ex/0408068 Misure con mX e q2 Dati BABAR, 81 fb-1 sulla risonanza U(4S) Eventi con un mesone B completamente ricostruito ~1000 modi di decadimento adronici Il resto dell’evento contiene un B “di rinculo” Sapore e impulso noti Leptone (pℓ > 1GeV) nel B di rinculo Carica del leptone consistente col sapore del B mmiss consistente con un neutrino Tutte le altre particelle appartengono a X Miglioramento della misura di mX con fit cinematico Calcolo del q2 di lepton-neutrino Fin qui il campione è in prevalenza b → cℓv Criteri di reiezione del fondo B  adroni ricostruito completamente v lepton X

Reiezione del fondo b → cℓv soppresso vetando i decadimenti del D(*) BABAR hep-ex/0408068 Reiezione del fondo b → cℓv soppresso vetando i decadimenti del D(*) I decadimenti del D producono tipicamente almeno un kappa  si rigettano eventi con K± e KS B0 → D*+(→ D0p +)ℓ−v hanno una cinematica caratteristica p + quasi a riposo rispetto al D*+ impulso del D*+ calcolato solo col p + Si Calcola per tutti i p +  si eliminano gli eventi consistenti con mv = 0 Gli eventi scartati non contengono b → uℓv Si usano per validare le simulazioni delle distribuzioni del fondo Si ottiene una distribuzione in (mX, q2) su un campione arricchito di eventi di segnale

Fit a mX Dati BABAR, 80 fb-1 sulla risonanza U(4S) BABAR hep-ex/0408068 Fit a mX BABAR Dati BABAR, 80 fb-1 sulla risonanza U(4S) Segnale chiaro di b → uℓv dal fit in mX BF inclusiva:

Fit a mX, q2 Fit 2-D per misurare DB in {mX < 1.7, q2 > 8} BABAR hep-ex/0408068 Fit a mX, q2 Fit 2-D per misurare DB in {mX < 1.7, q2 > 8} Buona risoluzione, misura pulita di DB Accettanza calcolata da Bauer et al. hep-ph/0111387 G = 0.282 ± 0.053

Risultati |Vub| inclusivi BABAR hep-ex/0408075 Risultati |Vub| inclusivi BABAR hep-ex/0408045 BABAR hep-ex/0408068 Riepilogo dei risultati |Vub| di BaBar Correlazione statistica tra le misure con mX e mX-q2 = 72%. Trascurabile per le altre Errore teorico della misura mX-q2 diverso dalle altre  dipendenza dalla SF trascurabile Tecnica |Vub| × 103 D(SF) × 103 Eℓ > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo 0.46 Eℓ vs. q2 4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo 0.42 mX < 1.55 GeV 5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo 0.45 mX vs. q2 4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo 0.06 Quanto varia |Vub| se si usa la SF misurata da CLEO

|Vub| inclusivo: prospettive Eℓ endpoint mX fit mX vs. q2 Eℓ vs. q2 Risultati “omogeneizzati” dallo Heavy Flavor Averaging Group Misura di |Vub| al ±9%?

Caveats + Outlook Per migliorare la precisione nella misura d |Vub| occorre ricalcolare le incertezze teoriche Il calcolo OPE non converge per mX piccoli Sono ora disponibili calcoli usando la SCET Le correzioni non-perturbative NLO(1/mb) per b → uℓv e b → sg sono diverse Le stime disponibili in letteratura sono più o meno equivalenti I diagrammi di annichilazione debole possono contribuire significativamente (20%?) vicino all’endpoint di Eℓ Occorre misurare separatamente per B0 e B+ C’è uno sforzo congiunto tra gruppi sperimentali e teorici per migliorare la situazione

boost g del D* nel sistema del B |Vcb| Esclusivo Il tasso B  D*ℓv è F(w) calcolabile a w = 1, cioè a D* fermo F(1) = 1 nel limite di quark infinitamente pesanti (mb = mc = ∞) Calcoli su reticolo danno Forma funzionale di F(w) sconosciuta Parametrizzata con r2 (derivata a w = 1) e R1, R2 R1 and R2 misurabili sperimentalmente, es. CLEO, PRL 76 (1996) 3898 Misura di dG/dw per determinare F(1)|Vcb| e r2 Fattore di forma Spazio delle fasi F boost g del D* nel sistema del B F Hashimoto et al, PRD 66 (2002) 014503

Misure esclusive di |Vcb| Usando F(1) = 0.91 ± 0.04, si ottiene In accordo con le misure inclusive precisione ±5%, ±2% se si includono le misure inclusive

Una nuova tecnica sperimentale Ricostruzione parziale di D*ℓn tramite leptone e pione Si sfrutta la cinematica caratteristica del D*+→ D0p + Efficienza alta (non si ricostruisce il D0) Su rinculo di decadimenti adronici del B completamente ricostruiti Si elimina il fondo dovuto al secondo B Efficienza di ricostruzione bassa Sistematiche ridotte rispetto ad un’analisi più esclusiva (ricostruzione completa del decadimento semileptonico) Normalizazione (BF della Y(4S)).  BF del D0 Efficienza di ricostruzione delle tracce Efficienza/errori di identificazione delle particelle Fondi fisici da D** Work in progress…

Conclusioni BaBar è un esperimento che produce risultati fondamentali nel settore di sapore del modello standard delle interazioni elettrodebolie Violazione di CP nella fisica del B I decadimenti semileptonici costituiscono sonde eccellenti per le interazioni forti e deboli dei mesoni B |Vcb| e |Vub|  complementari a sin2b per la violazione di CP Determinazione delle masse dei quark pesanti e di parametri non-perturbativi |Vcb| noto al ±2% Misure inclusive ed esclusive (B  D*ℓv) in accordo

Conclusioni Progressi significativi nella misura di |Vub| Quattro (!) misure di |Vub| ottenute in BABAR con b → uℓv inclusivo Precisione complessiva su |Vub| attorno al 10% Technique |Vub| × 103 Eℓ > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo Eℓ vs. q2 4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo mX < 1.55 GeV 5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo mX vs. q2 4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo