Violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar Concezio Bozzi INFN Ferrara 27-28 Maggio 2004 http://www.fe.infn.it/~bozzi/particelle_2004.pdf Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Introduzione alla violazione di CP Indice Introduzione alla violazione di CP Il mesone B0d come laboratorio di CP L’apparato sperimentale:caratteristiche e prestazioni Misure di Sin2b Prospettive future e conclusioni Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar (I) Introduzione alla violazione di CP cf. BaBar Physics Book, SLAC-R-504, Capitolo 1 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Perché la violazione di CP è interessante E’ di importanza fondamentale Necessaria per spiegare l’asimmetria materia-antimateria nell’universo Storicamente, lo studio di violazioni di simmetrie è sempre stato importante per capire proprietà fondamentali Ipotesi corrente: la violazione di CP nel Modello Standard non è abbastanza grande da spiegare l’asimmetria materia-antimateria nell’universo C’è qualcosa oltre il Modello Standard… Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

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 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

La matrice CKM (V) Gli elementi Vij descrivono gli accoppiamenti elettrodeboli del W ai quark. Mescolamento tra gli autostati di massa dei quark a carica -1/3 per dare gli autostati dell’hamiltoniana debole. La matrice CKM è unitaria, con 4 parametri indipendenti (3 angoli e una fase) Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

CP Fasi che violano CP Gli elementi della matrice CKM sono complessi. Le fasi deboli cambiano segno sotto CP. Possibile osservare asimmetrie che violano CP facendo interferire ampiezze. Condizioni necessarie: Almeno 2 ampiezze Le ampiezze differiscono di una fase invariante sotto CP (ad es.: da interazione forte) CP Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Interferenza tra ampiezze Bf Differenza di fase debole: g Differenza di fase forte: d Differenza di fase forte = 0 +g -g d A Bf |A|=|A| A Differenza di fase forte ≠0 Bf Bf |A||A|! A A Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Parametrizzazione di Wolfenstein della matrice CKM 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 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Il triangolo di unitarietà s b u c t Condizione di unitarietà per la prima e terza colonna: Tutti i lati di ordine l3 Violazione di CP  area del triangolo Test di unitarietà: il triangolo si chiude? Le asimmetrie di CP nei decadimenti dei B dipendono dagli angoli del triangolo di unitarietà Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

(II) Il mesone B0d come laboratorio di CP Misura della violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar (II) Il mesone B0d come laboratorio di CP Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Perché studiare la violazione di CP nei mesoni B Contenuto in quark dei mesoni B B0 = bd, B0 = bd, B+ = bu, B- = bu Il Modello Standard predice parecchie asimmetrie che violano CP nei mesoni B Alcune di esse possono essere interpretate in modo non ambiguo in termini di elementi della matrice CKM (= parametri della Lagrangiana del Modello Standard) Si prevedono asimmetrie grandi, O(1), cf. 10-3 per i K Mesoni B0 prodotti e rivelati “facilmente” Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Osservabili che violano CP Per generare un’osservabile che violi CP dobbiamo avere Interferenza tra almeno due ampiezze diverse tra loro Nei decadimenti dei B, ci sono due tipi di ampiezze: quelle responsabili del decadimento quelle responsabili del mixing Ciò dà luogo a tre possibili meccanismi di violazione di CP: Violazione di CP indiretta (interferenza tra due ampiezze di mixing) Violazione di CP diretta (interferenza tra due ampiezze di decadimento) Violazione di CP nell’interferenza tra decadimenti con e senza mixing d b W- u p+ p- B0 B0 b d u,c,t W- Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Violazione di CP diretta Si osserva violazione di CP diretta nel decadimento se Nel Modello Standard, la CP coniugata di un’ampiezza può differire solo di una fase: CP ABf = exp(-if) ABf Le condizioni per la violazione di CP nel decadimento: esistono almeno 2 ampiezze di decadimento, per esempio Le ampiezze hanno 2 fasi: CP ABf = e-i (df + ff ) ABf Una fase forte (non cambia segno sotto CP) Una fase debole (cambia segno sotto CP) Le fasi forte e debole devono essere differenti, le ampiezze devono essere simili L’interpretazione CKM di una violazione diretta di CP è complicata I calcoli teorici delle fasi forti sono complicati… G(B ® f) ¹ G(B ® f) G(B  f) = |A1 + A2| Phase factor in SM only. Replace f, by transition Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Misure di violazione diretta di CP Misure statisticamente limitate ancora per anni –0.095±0.028 a 3.4σ effect http://www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/rare/index.html Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Violazione di CP indiretta: il mixing B0-B0 I mesoni B0 e B0 oscillano tra di loro con una frequenza sperimentalmente rivelabile! Gli autostati di sapore sono diversi dagli autostati dell’interazione debole Transizione debole al secondo ordine Frequenza di oscillazione M(B0)-M(B0)  Dmd  0.5 ps-1 Condizione per violazione di CP nel mixing: Mixing dominato dal diagramma con il quark top  grandezza della violazione di CP (mb/mt)2 << 1 Violazione di CP nel mixing piccola nel sistema dei B eB ~ 10-3 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Violazione di CP nell’interferenza tra Mixing e Decadimento Si osservano 2 processi che danno lo stesso autostato di CP attraverso autostati intermedi di sapore: Evoluzione temporale degli autostati di sapore: B0(t) fCP B0 B0(t) fCP B0 Autostato di CP Autostato di sapore Autostato di sapore Autostato di CP Stato iniziale Stato iniziale p/q  1 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Violazione di CP nell’interferenza tra Mixing e Decadimento Probabilità di osservare l’autostato di CP fCP al tempo t: Asimmetria CP osservabile Acp(t)=( F+(t) - F-(t) )/( F+(t) + F-(t) ) Autovalore di CP Rapporto ampiezze B0fcp/B0fcp 1 Se |l|=1 L’asimmetria di CP è dipendente dal tempo o per osservare violazione di CP → violazione di CP diretta Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Il “modo aureo”: b->c c s Ampiezze dominanti per il decadimento b  ccs: Entrambe hanno la stessa fase debole: , nessun’altra ampiezza ha la stessa grandezza Modello Standard: nessuna violazione di CP nel decadimento Violazione di CP nel mixing trascurabile Il Modello Standard prevede che la violazione di CP (se presente) sia dovuta esclusivamente all’interferenza tra le ampiezze dovute al mixing e al decadimento b d c s W- t g “Albero” “Pinguino” Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

L’interpretazione CKM del “modo aureo” Consideriamo B0 g J/y K0S (il mixing del K0 è fondamentale!): B0 mixing Decadim. K0 mixing Acp(t) = Iml sin (Dm t) Acp(t) = hcp sin(2b) sin(Dm t) Vud Vub * a Vtd Vtb * g β Vcd Vcb * Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Altri angoli? Misura di beta: abbiamo sfruttato l’interferenza tra mixing (fase debole: 2b) e una singola ampiezza di decadimento (fase debole: 0) Possiamo misurare gli altri angoli analogamente In generale i decadimenti dei B hanno le seguenti fasi deboli b→c (dominante): 0 b→u (soppresso): g Alfa: interferenza tra mixing e una singola ampiezza b→u In principio: 2(b+g) Chiudiamo il triangolo: a+b+g = p → misura di 2a Gamma: interferenza tra ampiezze b→u e b→c in decadimenti del B+ Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

L’angolo alfa. Acp(t) = hcp sin(2a) sin(Dm t) Occorre un decadimento del B0 in un autostato di CP dominato dalla transizione bu. Si effettua un’analisi dipendente dal tempo Esempio classico: B0  p+p-. Assumendo che il diagramma ad albero bu sia dominante Analisi dipendente dal tempo dà Sfortunatamente, si tratta di una assunzione sbagliata per p+p-. Il contributo dei pinguini potrebbe essere ~30% in p+p-! analisi di isospin Altri canali: B r+r- albero Acp(t) = hcp sin(2a) sin(Dm t) pinguino Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar (II) L’apparato sperimentale: caratteristiche e prestazioni Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Produzione di mesoni B0 Electron-Positron collider: e+e-  U(4s)  B0B0 Coppie di mesoni B solo dalla risonanza 4S Bassa sezione d’urto di produzione B0: ~1 nb Sperimentalmente “pulito”, produzione B0B0 coerente Approccio B-Factory Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Proprietà della produzione B0B0 coerente Incoerente Il sistema B0B0 evolve in maniera coerente fino al decadimento di un mesone L’orologio che misura CP/Mixing entra in funzione all’istante del primo decadimento, tutto dipende da dt: I B hanno sapore opposto a dt=0 Circa metà delle volte dt<0 L’asimmetria integrata nel tempo è 0: Occore fare un’analisi dipendente dal tempo At tcp=0 B0 dt = tCP - tOtherB At dt=0 B0 + + - - Coerente Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Tecniche sperimentali per misurare asimmetrie dipendenti dal tempo Grosso campione di eventi B0B0 in cui un B0 sia ricostruito in autostato di CP Bassi rapporti di decadimento, O(10-4) Occorre un collider ad alta luminosità Determinare il sapore iniziale del B completamente ricostruito A partire dai prodotti di decadimento dell’altro B Buona identificazione delle particelle Misurare il tempo proprio dei decadimenti Impulso del B0 nel riferimento della Y(4s) piccolo (~300 MeV), separazione spaziale dei mesoni B0 trascurabile Collider asimmetrico per produrre Y(4s) con spinta di Lorentz per avere separazione spaziale di ~250 μm Tracciatore a silicio ad alta risoluzione vicino al punto di collisione. Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

L’anello di accumulazione PEP-II PEP-II accelerator schematic and tunnel view Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

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 8.6 x 1033 Boost: bg = 0.56 4ns bunch crossing Correnti alte 100  106 B0/anno Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Luminosità di PEP-II Da Maggio 1999: 183 fb-1 sulla risonanza Y(4s) Altri 17 fb-1 sotto la Y(4s) 192 x 106 coppie BB Assumiamo B0B0:B+B- = 1 L di 1 fb-1 contiene (in media) 1 evento per un processo con una sezione d’urto di 1 fb 1 fb-1 = 106 coppie BB Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

L’esperimento BaBar Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

The BaBar Collaboration Italy [12/101] INFN, Bari INFN, Ferrara Lab. Nazionali di Frascati dell' INFN INFN, Genova & Univ INFN, Milano & Univ INFN, Napoli & Univ INFN, Padova & Univ INFN, Pisa & Univ & ScuolaNormaleSuperiore INFN, Perugia & Univ INFN, Roma & Univ "La Sapienza" INFN, Torino & Univ INFN, Trieste & Univ The Netherlands [1/5] NIKHEF, Amsterdam Norway [1/3] U of Bergen Russia [1/11] Budker Institute, Novosibirsk United Kingdom [10/66] U of Birmingham U of Bristol Brunel U U of Edinburgh U of Liverpool Imperial College Queen Mary , U of London U of London, Royal Holloway U of Manchester Rutherford Appleton Laboratory USA [38/300] California Institute of Technology UC, Irvine UC, Los Angeles UC, Riverside UC, San Diego UC, Santa Barbara UC, Santa Cruz U of Cincinnati U of Colorado Colorado State Florida A&M Harvard U of Iowa Iowa State U LBNL LLNL U of Louisville U of Maryland U of Massachusetts, Amherst MIT U of Mississippi Mount Holyoke College SUNY, Albany U of Notre Dame Ohio State U U of Oregon U of Pennsylvania Prairie View A&M U Princeton U SLAC U of South Carolina Stanford U U of Tennessee U of Texas at Austin U of Texas at Dallas Vanderbilt U of Wisconsin Yale The BaBar Collaboration 10 Countries 77 Institutions 593 Physicists Canada [4/20] U of British Columbia McGill U U de Montréal U of Victoria China [1/5] Inst. of High Energy Physics, Beijing France [5/51] LAPP, Annecy LAL Orsay LPNHE des Universités Paris VI et VII Ecole Polytechnique, Laboratoire Leprince-Ringuet CEA, DAPNIA, CE-Saclay Germany [4/31] Ruhr U Bochum Technische U Dresden Univ Heidelberg U Rostock Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Il rivelatore BaBar Instrumented Flux Return Magnete da 1.5 T 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 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

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 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Tracciatore di vertice a silicio Readout chips Beam bending magnets Beam pipe Layer 1,2 Layer 3 Layer 4 Layer 5 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

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) Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Rivelatore Čerenkov Luce Čerenkov nel quarzo Trasmessa per riflessione interna Anelli proiettivi nella “standoff box” Rivelazione con fotomoltiplicatori Essenziale per identificare K >2 GeV Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

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% Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Instrumented Flux return: identificazione μ, KL Fino a 21 strati di RPC alternati a piani di ferro Identificazione di muoni oltre 500 MeV Rivelazione di adroni neutri (KL) Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Prestazioni della particle ID Kappa Efficienza: 70-90% misID pioni: 1-7% Dipendente dall’impulso Elettroni Efficienza: 90% misID pioni:<0.2% Muoni Efficienza: 60-75% misID pioni: <3% Plots too small, mention momentum dependence Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Ricostruzione degli eventi online & offline Tasso di collisioni al punto d’interazione: parecchi MHz BaBar ha un sistema di trigger a due livelli per selezionare solo eventi interessanti: Trigger di livello 1 (hardware), tasso di uscita di ~2 kHz Trigger di livello 3 (software), tasso di uscita di ~100 Hz Dimensioni di un evento ~30 kB  scritti ~10Gb all’ora! La ricostruzione “offline” dei dati avviene entro ~24 ore Effettuata in parallelo da una farm di ~500 calcolatori Linux Circa 2000 calcolatori Linux sono disponibili per ricostruzione, simulazione e analisi dei dati Tutti i dati sono immagazzinati in un database Object Oriented Dimensioni attuali del database ~ 1.2 Pb Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Efficienza di raccolta dei dati Luminosità integrata giornalmente Efficienza giornaliera Valore di disegno Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Misura della violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar (III) Misure di Sin2b Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Schema generale delle misure di sin2b II: Etichettatura del sapore iniziale del B0CP/Mix usando l’altro B Ia: Ricostruzione completa di autostati di CP (p.e. B0 J/y KS) III: Misura precisa del tempo proprio sfruttando Dz ~ bgcDt A bit messy Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Ricostruzione esclusiva Schema generale delle misure di sin2b Etichettatura B tag Fasci asimmetrici: Y(4S) con boost bg~0.55 Ricostruzione esclusiva in autostati di CP Tempo proprio ~1.6ps distanza ~0.25mm! Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Effetti sperimentali sulla misura di CP F(dt) F(dt) ACP(dt) dt vero, etichettatura perfetta dt vero, etichettatura imperfetta dt misurato, etichettatura imperfetta 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. Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Ia: Modi Aurei: J/y KS (p+p-,p0p0), y(2s) KS(p+p-) Si ricostruiscono 2 variabili cinematiche independenti per ciascun candidato B ricostruito mes: B0  y(2s) KS Si sfrutta il vincolo dell’energia dei fasci per migliorare la risoluzione mes: B0  J/y KS mes: B0  J/y KS(p0p0) Taglio a 3s sul DE Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

II: Etichettatura del sapore iniziale del B0CP Determinato dal sapore dell’altro B 4 categorie di etichettatura Etichettatura leptonica: Leptoni da decadimenti b  c l n Si rigettano leptoni da c  s l n con tagli in impulso: p*(l) > 1.GeV Bassa efficienza, basso mistag Etichettatura con kappa: Essenziale una buona identificazione Efficienza più alta, mistag leggermente più alto Etichettatura con reti neurali (2) b c W- n l- b  l- , b  l+ b W- c s b  K- , b  K+ Add diagram of sl decay Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Effetto di una etichettatura imperfetta Sia sul valore che sull’errore dell’asimmetria: Fattore di diluizione Frazione di mistag Valore Efficienza efficace di etichettatura Precisione Efficienza dell’etichettatura Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

III: Misura precisa del tempo dt U(4s) bg = 0.56 Tag B sz ~ 190 mm CP B sz ~ 70 mm J/Y K0 Dz dt @ Dz/gbc gbctB @ 250 mm B0 flavour sample J/y g l+l- domina la precisione del vertice CP. Le tracce non appartenenti al vertice CP sono combinate nel vertice di tag Procedura per eliminare tracce provenienti dal vertice del charm Efficienza per il campione CP 86 %. CP sample Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004 200 400 s Dz (mm)

Un “evento aureo” dz III: misura del:dt I:autostato CP Y(4s) B0  J/y KS (p+p-)  B0  K- X II:etichettatura del sapore Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Eventi selezionati Campione di circa ~1500 candidati Ks (purezza ~94%) a partire da 88 x 106 coppie BB Circa 500 eventi KL con purezza 55% Variabili cinematiche: ES Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Distribuzioni Dt e Asimmetrie CP=+1 CP=-1 Eventi con KS Eventi con KL Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Distribuzioni Dt per campione con etichettatura leptonica Purezza 98% Mistag 3.3% sDt 20% meglio che nelle altre categorie …il meglio del meglio! 220 eventi, sin2b = 0.79  0.11 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Interpretazione dei risultati Test di precisione del triangolo di unitarietà Accordo eccellente con le misure indirette per I “modi aurei” sin(2b) = 0.741 ± 0.067(stat) ± 0.034(syst) |Vub/Vcd|: Vub decadimenti semileptonici del B senza charm Dms/Dmd: Bs e Bd mixing Le incertezze teoriche si cancellano nel rapporto Dmd: B0 mixing Dmd  |VtdV*tb|2 eK : violazione di CP nel K0-K0 Diagrammi a scatola con quark t e c Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Sin2b: altri modi di decadimento? Modi aurei: il modello CKM per la violazione di CP ha superato i primi test di precisione! J/y KS, J/y KL, altro charmonio Per consistenza, S=sin2b e C=0 per tutti i decadimenti del B0 in cui Tutte le ampiezze contribuiscono con la stessa fase debole. La fase del decadimento è zero. Consideriamo i modi di decadimento dominati dai pinguini bs Sensibilità a nuova fisica: particelle virtuali non-SM (supersimmetriche?) nei loop? Occorre valutare con precisione eventuali contributi SM soppressi con diverse fasi deboli f K0, h’K0 , p0 K0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

sin2b dai pinguini… B0  fKs , B0  h’ Ks , B0  p0 Ks sono dominati da pinguini b  s Pinguino col quark u ha fase debole diversa (g) ma è soppresso (0.02) Domina il diagramma Vts Vtb* allora: S = sin2b, C = 0 Limiti sul contributo dovuto al diagramma ad albero , p0 “Naïve” flavor symmetry T/P |-hfSf – sin2b| fKs 0.0 < 0.3 (<0.04) h’ Ks ~0.02 < 0.4 (<0.09) p0 Ks ~0.04 < 0.2 , p0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

…misure difficili: B0  f Ks BABAR 110 fb-1 eventi Sf Ks = 0.45 ± 0.43(stat) ± 0.07(syst) Cf Ks = -0.38 ± 0.37(stat) ± 0.12(syst) Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Sin2b: riepilogo dei risultati Risultati interessanti ma non ancora definitivi! Media pinguini b  s sin2b = 0.27  0.22 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

(IV) Risultati e prospettive per a e g Misura della violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar (IV) Risultati e prospettive per a e g Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

…e qualche incertezza teorica… What’s next… B.R. ~ qualche 10- 6 …e qualche incertezza teorica… (r,h) a B0d B→Xuln B.R.~10-4 Oscillazioni, Dmd ~ 0.5 ps-1 B0dDK B0dJ/K0S g b Gamma can also be done with Bs modes (0,0) (1,0) B.R. ~10- 7, difficile!! Molto pulito, B.R. ~ 10- 4 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

L’angolo alfa. Acp(t) = hcp sin(2a) sin(Dm t) Occorre un decadimento del B0 in un autostato di CP dominato dalla transizione bu. Si effettua un’analisi dipendente dal tempo Esempio classico: B0  p+p-. Assumendo che il diagramma ad albero bu sia dominante Analisi dipendente dal tempo dà Sfortunatamente, si tratta di una assunzione sbagliata per p+p-. Il contributo dei pinguini potrebbe essere ~30% in p+p-! analisi di isospin Altri canali: B r+r- albero Acp(t) = hcp sin(2a) sin(Dm t) pinguino Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

“Penguin pollution” Includendo la componente dovuta ai pinguini (P) in l Il rapporto tra le ampiezze |P/T| e la differenza di fase forte d non sono calcolabili accuratamente! I coefficienti per l’analisi time-dependent diventano L’interpretazione teorica dei termini (S,C) diventa più complicata! Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Analisi di isospin Si possono scrivere relazioni triangolari sfruttando simmetria di isospin (Gronau e London) Limite di Grossman e Quinn: 2 - Occorre misurare i decadimenti del B e del B in stati finali pp. Utile se il decadimento in p0p0 ha branching ratio piccolo. Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Il decadimento B→ p0p0 r+p0 p0p0 Babar hep-ex/0307087 Combine a p0 from each quark jet. Fight continuum with event shape information neural network with rest of event as input (leptons, kaons). Some overlap if p+ at rest in B frame We measured the branching fraction p0p0 Babar hep-ex/0307087 r+p0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

4.2 s Il decadimento B→ p0p0 r+p0 Branching ratio molto piccolo: ~10-6 Fondo principale da eventi di continuo. Altro fondo: B+ r+p0 ,(r+p+p0) p0p0 4.2 s r+p0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

p0 p0 Un candidato Bp0p0 mes = 5.277 GeV/c2 DE = -0.006 GeV Il fotone meno energetico ha energia di 290 MeV. L’altro B nell’evento ha un K e un p± da decadimento di un D*±. p0 p0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

p0p0 e il limite di Grossman-Quinn Medie mondiali: p0p0: (1.9±0.5)x10-6 p±p0: (5.3±0.8)x10-6 Limite praticamente inutile, dato che il BR(B→p0p0) è relativamente “grande”. Necessaria l’analisi completa di isospin! +2s -2s Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Considerazioni sull’analisi di isospin pp Estrapolazioni usando i valori attuali dei BR Attenzione alle ambiguità: L’inevitabile 2aeff vs p-2aeff I triangoli di isospin sono orientabili tra loro in 4 modi (→4 valori per 2a-2aeff) Scenari con B(p0p0) ai limiti attuali inferiore e superiore I pinguini nei decadimenti in pp system rendono difficile la misura di a hidden, anche in futuro… atrue=p/2

Stato finale vettore-vettore (CP misto) Il sistema rr? Stato finale vettore-vettore (CP misto) Analisi in onde parziali (oppure autostati di elicità): CP=+1 (onde S,D), CP=-1 (onda P) oppure polarizzazioni longitudinale (CP=+1) e trasverse (2, CP mista) Misura sperimentale: domina la componente longitudinale a CP=+1 (come previsto dai teorici*)! Si può applicare a r+r- lo stesso formalismo del p+p-! Babar hep-ex/0308024 hep-ex/0307026 *G.Kramer, W.F.Palmer, PRD 45, 193 (1992). R.Aleksan et al., PLB 356, 95 (1995). Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

“Penguin pollution” nel sistema rr Limite di Grossman-Quinn per il sistema rr Si assume solo componente longitudinale (a CP=+1) 90% CL Babar hep-ex/0307026 Belle hep-ex/0306007 Molto meglio del sistema pp! Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Misura dipendente dal tempo di B0  r+ r- 113 fb-1 S NB: analisi di isospin con parecchie assunzioni C Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004 PRELIMINARY

Prospettive per a da Bpp,rr Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Gamma – Missione impossibile? Si misura direttamente la fase di bu (g) relativa alla fase bc (0). Canale più immediato: BDK Per fare interferire queste ampiezze, occorre prendere decadimenti accessibili sia dal D0 che dal D0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Gamma da BDK Contributo relativo delle 2 ampiezze Auspicabile rb grande per avere più interferenza. Ru è il lato sinistro del triangolo di unitarietà (~0.4) Fcs è un fattore sconosciuto dovuto alla soppressione di colore. Presumibilmente nell’intervallo [0.2,0.5]. Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Gamma da BDK: metodo GLW Gronau, London e Wyler: si usano decadimenti del D in autostati di CP. Decadimenti D autostati di CP hanno BR piccolo ( da ~0.1 a 1 %). rb potrebbe essere piccolo. Ambiguità discrete… Le ampiezze di decadimento di D0 e D0 sono uguali per costruzione CP=+1: p+p-,K+K- CP=-1: Ksp0, Ksr0 Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Gamma da BDK: metodo ADS Atwood, Dunietz e Soni: interferenza tra ampiezze simili Complementare al metodo GLW BR complessivo più piccolo. Interferenza maggiore. soppresso favorito soppresso favorito GLW ADS Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004

Conclusioni L’interpretazione CKM della violazione di CP ha superato un primo test (sin2b). L’anomalia nella misura di sin2b tramite pinguini bs sarà risolvibile accumulando dati alle B Factories. Il sistema rr sembra al momento più promettente di pp per la misura di a. Si iniziano analisi per misurare g E’ ancora presto per prevedere cosa succederà: Non esistono “modi aurei” Occorre combinare più metodi e più misure Occorre alta statistica BaBar misura anche i lati del triangolo di unitarietà (decadimenti semileptonici con e senza charm, oscillazioni). Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004