Fisica del B con i rivelatori ATLAS e CMS Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze Primo Workshop italiano sulla fisica di ATLAS e CMS - Pisa Giugno 2003

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 2 Fisica del B a LHC Programma Decadimenti rari violazione di CP mixing B 0 s Produzione di b a LHC luminosità: 2x10 33 cm -2 s -1 ( cm -2 s -1 ) 0.5 mb O( ) bb/s 0.5 mb O( ) bb/s O (100) ev/s su nastro per tutti i canali di fisica interessanti La strategia di trigger è fondamentale La strategia di trigger è fondamentale

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 3Trigger 40 MHZ 50 kHz 100 Hz CMS 40 MHZ 25 kHz * 2 kHz 200 Hz [Event Filter] HLT ATLAS [Region of Interest] Le soglie del Trigger di L1 sono ottimizzate per la fisica di scoperta selezione di processi ad alto p T selezione di processi ad alto p T b-jet selezionati con il trigger di muoni (1μ o 2μ) Riduzione del DAQ allinizio di LHC (problemi di budget) * scenario più severo possibile

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 4 L1 Trigger – Bassa Luminosità Selection Threshold [GeV or GeV/c] Expected Rate [kHz] MU MU66,6 0.2 EM25i EM15i J J J J60 + xE TAU25 + xE MU10 + EM15I Others (pre- scales,calibration,…) 5.0 Total ~25 * Selection Threshold [GeV or GeV/c] Expected Rate [kHz] Inclusive e/ ee/ Inclusive μ μμ3 0.9 Single jet Two jet jet ,4 jets86, jet + E T miss e + jet Minimum Bias (calibration) 0.9 Total 16.0 ATLAS CMS * scenario più severo possibile

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 5 L1 Trigger – Alta Luminosità Selection Threshold [GeV or GeV/c] Expected Rate [kHz] MU MU66,6 1.0 EM25i EM15i J J J J60 + xE TAU25 + xE MU10 + EM15I Others (pre- scales,calibration,…) 5.0 Total ~40 Selection Threshold [GeV or GeV/c] Expected Rate [kHz] Inclusive e/ ee/ Inclusive μ μμ5 1.7 Single jet Two jet jet ,4 jets110, jet + E T miss e + jet μ + jet Minimum Bias (calibration) 1.0 Total 33.5 ATLAS CMS

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 6 L1 Trigger (muoni) Low Lumi < kHz DAQ 3.6 kHz for 14 ; 3, =3.6 kHz W =90% Z =99% Bs =15% ATLAS singolo μ: p T >20 GeV/c 0.8 kHz 2μ: p T >6,6 GeV/c 0.2 kHz è allo studio la possibilità di scendere fino a 3-4 GeV/c (totale L1: 25 kHz, fattore di sicurezza non incluso) CMS singolo μ: p T >14 GeV/c 2.7 kHz 2μ: p T >3,3 GeV/c 0.9 kHz (totale L1: 50 kHz fattore di sicurezza 1/3) CMS

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 7 High-Level Trigger Selection Threshold [GeV or GeV/c] Expected Rate [Hz] Electron e25i,2e15i 25;(15,15) ~40 Photon 60 i,2 20i 60;(20,20) ~40 Muon μ20i,2μ10 20;(10,10) ~40 Jets j400,3j165,4j ,165,110 ~25 Jets + E t miss j70 + xE ~20 + E t miss 35 + xE ~5 b-physics 2μ6 with m B /m J/ 6,6,b-mass ~10 others (pre- scales,calibration,…) ~20 Total ~200 Selection Threshold [GeV or GeV/c] Expected Rate [Hz] Inclusive e29 33 ee17,17 1 Inclusive ,25 5 Inclusive μ19 25 μμ7,7 4 Inclusive jet86 3 Two jet59, jet + E T miss ,3,4 jets657,247,113 9 e + jet Inclusive b-jets237 5 Calibration and other events (10%) 10 Total 105 ATLAS CMS

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 8 Low Luminosity CMS High-Level Trigger (muoni) Banda riservata al trigger di muoni: ATLAS: 50 Hz (40 Hz μ20i+2μ10 e 10 Hz 2μ6 con m B,J/ ) CMS: 29 Hz (25 Hz μ 19 e 4 Hz μ 7,7 con isolamento) 30 Hz

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 9 Singolo muone – HLT stream 25 Hz b/c W Solo ~5 Hz sono eventi b/c: 1 Hz 10 7 ev/y a bassa luminosità Non è abbastanza per decadimenti con BR<10 -4 e ε sel <10% CMS

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 10 High-Level Trigger I risultati precedenti si possono migliorare –utilizzo dei sistemi di tracciatura –algoritmi che richiedano solo una frazione di dati Region of Interest (RoI) ricostruzione tracce –quasi offline –condizioni di stop velocità di esecuzione –misure di timing degli algoritmi Gli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie: 1.Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,,jet,…) Trigger elements 2.Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti) Hypothesis algorithm

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 11 ATLAS & CMS startup Pixel Vertex detector: 2+1 layer invece di 3+2 ? Camere μ: Trigger L1 limitato a |η|<2.1 (< elettronica) Pixel Vertex detector: 2 layer invece di 3 TRT (straw tubes): accettanza limitata |η|<2 Riduzione dei trigger processors

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 12 Canali di benchmark Di-muon Trigger L1: –B s μμ –B s J/ ( μμ) ( KK) Canali adronici (Trigger L1 di singolo muone sul secondo b μ): –B s D s ( π ( KK) ) π[a 1 ]

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 13 Decadimenti rari: B s μμ FCNC b s o b d a livello di loop nel Modello Standard –BR(B s μμ)=(3.5±1.0)x10 -9 –correzioni MSSM (alto tanβ) nuova fisica »Br(B s μμ)=3x10 -6 (tanβ/50) 6 (200 GeV/m A ) 4 loop Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità) sono favoriti rispetto a LHCb

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 14 B s μμ – trigger (CMS) L1: 2μ p T >3 GeV/c, =15.2% Rate=900 Hz HLT: –Seed nei pixel: p T > 4 GeV/c intorno ai muoni –Propagazione tracce: -stop se p T <4 5σ o N hit =6 o σ(p T )/p T <0.02 -Ricostruzione B s se e solo se 2 tracce di carica opposta in m Bs ±150 MeV/c 2 -Vertice 20 e d rφ > 150 μm Tempo di CPU richiesto = 240 msec [1 GHz PIII] CERN/LHCC CMS TDR 6.2 The Trigger and Data Acquisition project, Volume II Data Acquisition & High-Level Trigger

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 15 B s μμ – analisi L1 L1 HLT HLT Global (=L1xHLT) ev/10fb -1 Trigger Rate 15.2%33.5%5.1%47<1.7Hz HLT Full Tracker Analisi offline ( SM BR=3.5x10 -9 ) (L1 μ trigger in | |<2.4 invece di | |< 2.1) 10 fb -1 7 eventi di segnale <1 fondo osservazione a 5σ con 30 fb -1 inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità = 46 MeV/c 2 = 46 MeV/c 2 = 74 MeV/c 2 = 74 MeV/c 2 hep-ph/ A.Nikitenko, A.Starodumov, N.Stepanov Observability of B (d)s μμ decay with the CMS detector

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 16 Oscillazioni B s /B s B 0 s e B 0 s sono gli autostati di flavour sovrapposizione degli autostati di massa B H e B L Oscillazioni B 0 s B 0 s con frequenza Δm s m H -m L Difficoltà allinterno del Modello standard a giustifcare valori di Δm s superiori a 25 ps -1 nuova fisica - - -

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 17 CMS L1 μ Troppo ottimista!!! B s D s π – L1 Trigger Trigger di L1: 1 muone dal secondo b (+ 1 soft jet) P(b B s ) x Br(B s D s KK ) ~ 5 x B S -B S mixing: Δ m S 14.4 ps 95% CL - Muon p T [GeV/c]> Jet E T [GeV]> Rate [Hz] ev/20 fb -1 4no jet50 k106 k k9.6 k 14no jet3.2 k11 k CMS NOTE 2002/045 A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov Study for a High Level Trigger for the decay channel B s D s π ππ KKππ

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 18 HLT ε=10% HLT Rate troppo alto B s D s π – HLT Trigger HLT [640 ms/ev fondo, 460 ms/ev segnale]: 1.Vertice Primario 2.Ricostruzione parziale tracce 2 pixel+1 Si dellintero evento 3.Tagli topologici: ΔR(KK) Tagli cinematici: p T ( )>2 GeV/c, p T (D s )>4 GeV/c, p T (B s )>5 GeV/c 5.Massa invariante: ΔM <15 MeV/c 2, ΔM Ds <75 MeV/c 2, ΔM Bs <270 MeV/c 2 L1 Muon p T [GeV/c]> L1 Jet E T [GeV]> HLT Rate [Hz] HLT ev/20 fb -1 4no jet27011 k k 14no jet171 k

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 19 B s D s π – analisi BsBsBsBs DsDsDsDs =5 MeV/c 2 =5 MeV/c 2 =25 MeV/c 2 =25 MeV/c 2 =95 MeV/c 2 =95 MeV/c 2 1 anno a bassa luminosità (20 fb -1 ): Downscale (0.25 μ μ 12 ) L1: 1 kHz HLT: 5 Hz ev segnale Δm s fino a 20 ps eventi per test SM: Δ m s 26 ps 99% CL Non si può utilizzare tutto il rate L1 (2.7 kHz) a causa dellalto HLT rate in uscita: si può migliorare ancora

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 20 B s D s π – prospettive x s =Δm s /Γ s 2 fb -1 (RunIIa) e 6.5 fb -1 (RunIIb) ~2008 –Risoluzione in tempo proprio: t = 45 fs t pT /p T (L00+SVX) Sensibilità fino a x s Test dello SM (x s ~30) con < O(10k) eventi Bassa Luminosità 30 fb -1 ~2008 –Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs Sensibilità fino a Δm s <29.5 ps -1 (x s <43) LHCb: 1 anno = 2 pb -1 72k 80K 40K 20K 10K 70K 60K 50K 30K 0 Numero di Eventi per osservazione a 5 sigma CDF ATLAS B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz EPJdirect CN3, 1-23 (2002) Prospects for the measurement of B 0 s oscillations with the ATLAS detector at LHC

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 21 B s J/ - la fisica Analisi angolare per misurare s J/ BsBs BsBs J/ Colour Singlet exchange BR(B s J/ )=(9.3±3.3)x10 -4 J/ + - (BR6%) K + K - (BR 49%) CP violation weak phase s = 2 = -2 2 SM: s ~ O(0.012÷0.027)

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 22 B s J/ - trigger L12 muoni –CMS: 2μ p T μ >4 GeV/c 0.9 kHz HLT –L2: J/ μ + μ - |m μμ -m J/ |<~100 MeV/c 2 fit del vertice: 2 <20 decay length (piano trasverso): d 0 >~200 μm –L3: K + K - combinazioni di tracce di carica opposta ricostruite (CMS: 6 hit) intorno alla J/ : |m KK -m |<~10 MeV/c 2 – B s J/ fit vertice 3D + massa invariante

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 23 B s J/ - massa del B s Risoluzione HLT = 22.4 MeV/c 2 = 22.4 MeV/c 2 BsBsBsBs = 46.5 MeV/c 2 = 46.5 MeV/c 2 J/ J/ = 2.2 MeV/c 2 = 2.2 MeV/c 2

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 24 è richiesto maggior tempo di CPU (660 ms/ev addizionali) Rate ridotto al minimo Numero di eventi lanno analogo a LHCb (TDR) 260 ms/ev su Pentium III 1 GHz si analizzano tutti gli eventi che passano L1 B s J/ - selezione (CMS) Lvl-1 Lvl-1 Lvl-2 Lvl-2 Lvl-2 Rate Lvl-3 Lvl-3 Lvl-3 Rate Events/20 fb %13.7% 14.5 Hz 8.7% <1.7 Hz CERN/LHCC CMS TDR 6.2 The Trigger and Data Acquisition project, Volume II Data Acquisition & High-Level Trigger

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 25 B s J/ - analisi CERN Proceedings of the Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC + - K+K+ K-K Analisi angolare B s J/ μμKK su un campione di eventi (σ T =0.063 ps, 10% fondo): 1/Γ s = 1.54 ps ΔΓ s s (x s =20) s (x s =40) Value0.15xΓ s Error8.0% Errore su ΔΓ s vs stat. ΔΓ s / Γ s < 15 % s (x s =20) ~ rad s (x s =20) ~ rad s (x s =40) ~ 0.03 rad s (x s =40) ~ 0.03 rad 60 fb -1

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 26 Misure di precisione: B d J/ K s cm -2 s -1 ATLASCMS Trigger Offline S/B 800 k 170 k k 430 k 8 Lepton tag Jet/charge tag Total ATLAS+CMS cm -2 s -1 ATLAS+CMS cm -2 s -1 + LHCb, cm -2 s B d J/ K s sin2 CERN Proceedings of the Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC Trigger L1 μ NON ATTUALE!!! ATLAS: 1 μ p T >6 GeV/c (20) + L2 secondo μ p T >4 GeV/c CMS: p T >7 GeV/c (14) o 2μ p T >4 (3) GeV/c B 0 d J/ K s

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 27 Fit matrice CKM

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 28 δsin2β - prospettive Anno BaBar + Belle CDFATLASCMSLHCb >2007 (1 anno di run) ATLAS e CMS sono competitivi Media mondiale: sin2β=0.734±0.055 [δs/s=7.5%]

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 29 Decadimenti radiativi: B d K * Decadimenti radiativi: B d K * bs,d W-W- u,c,t Nuovi vincoli sui parametri della matrice CKM (V ts,V td ): x R x Br (B K * ) Br (B ) = |V td | |V ts | 2 2 Form factors ratio Phase space factor Vincoli su parametri di QCD (fattori di forma, m b ) da misure di Branching Ratio: Br (B d K * ) = (7.2±1.1) x x 1.6ps mbmb (K * ) xx Form factorB quark mass Asimmetrie di CP in B, violazione di isospin in B K * e B.

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 30 B d K * - selezione (ATLAS) L1 singolo muone –ATLAS: μ p T μ >6 GeV/c (si assume 85% efficienza) HLT –L2: cluster E T >4 GeV selezione nel calorimetro ( /π 0 rejection) Offline K 0* K + π - (fit vertice) Massa invariante B d S.Viret,S.Ohlsson-Mahlek 4 th ATLAS Physics Workshop Athens 2003 Radiative b-decays with ATLAS (preliminary) PRELIMINARY (B d ) = 80 MeV/c 2 reco (B d )= 8.5% N(Sig)/y = 143k N(Bkg)/y = 55x10 6 B d purity= 60% S B ~ 19

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 31 LHCb B d K * - confronto Valore misurato: Br(B d K * )=(4.23±0.40±0.22)x10 -5 Eventi/1 anno: –ATLAS: 143k –LHCb: 20k –b-factories: 6k [confronti difficili, S/N] LHCb: Risoluzione in massa ~80 MeV/c 2 Fondo B 0 K * π 0 rigettato grazie a diverse elicità K *

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 32 B Trigger e tabella HLT La banda di trigger dedicata alla fisica del B allo startup di LHC dipenderà da: 1.Luminosità –Minore luminosità maggiore banda B trigger 2.Rate del fondo –Il fattore di sicurezza… 3. r¥$or$ f¥nanz¥ar¥ –Per acquistare trigger processors Inoltre è allo studio la possibilità di abbassare le soglie per il trigger di B quando la luminosità sarà più bassa durante il fill di LHC

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 33 Produzione di b a LHC 30.9% Gluon Splitting 20.8% Flavour Excitation 48.3% Pair Production

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 34 σ(pp bX) e σ(ee bbX) TeVatron LEP Le sezioni durto osservate sono più alte di quella attese (QCD): fattore 2 TeVatron fattore 3 LEP Statistica ed energia più alte a LHC: sfida per la QCD perturbativa (anche NLO)

ATLAS/CMS Workshop - Pisa Giugno 2003 Fisica del BRiccardo Ranieri 35Conclusioni ATLAS e CMS sono competitivi nello studio della fisica del B, anche se non sono progettati per questo Sono fondamentali per la selezione di B (High Level Trigger) sia la regionalità (RoI) che la tracciatura veloce Risultati promettenti, ma cè ancora molto lavoro da fare Molto dipenderà dalle condizioni iniziali di LHC: Minore luminosità Maggior fisica del B Trigger (ATLAS) e Physics (CMS) TDR tratteranno più in dettaglio questo argomento