Prova di ammissione al dottorato per l’anno 2005/2006 Candidato: Roberto Covarelli XIX ciclo

Riassunto attività e progetto di tesi Tesi prevista: Indirizzo: Fisica delle Particelle Elementari Relatore: Dott. Maurizio Biasini Esperimento: BaBar Argomento: Misura della differenza dei rate di decadimento e della violazione di CP indiretta nelle oscillazioni B0B0 Attività hardware: Operation Manager camere a m Attività analisi: Violazione del numero leptonico in t  mg Differenza dei rate di decadimento e violazione di CP indiretta nelle oscillazioni B0B0 (progetto di tesi)

L’acceleratore PEP-II a SLAC PEP-II  acceleratore circolare elettrone-positrone funzionante a: E(e+) = 3.1 GeV E(e-) = 9.0 GeV  ETOT = 10.58 GeV  Υ(4S) non viene prodotta a riposo Produzione di B simmetrica Produzione di B asimmetrica B B e- e- e+ e+ U(4S) (bb) U(4S) B B

Il rivelatore BaBar New: 2 sectors of Limited Streamer Tubes (16 layers) “backward” “forward” circa 273 milioni di eventi BB registrati fino ad oggi  Previsioni: presa dati fino al 2008

La fisica di BaBar (I) Principale obiettivo: misura della violazione della simmetria CP nel sistema dei mesoni B Si può osservare in tre meccanismi distinti: Violazione diretta (nel decadimento) – osservata solo in B0  Kp Violazione indiretta (nel mixing B0B0) – mai osservata Violazione dovuta all’interferenza tra processi di decadimento avvenuti mediante mixing o meno – misura diretta dei parametri della matrice CKM fCP = J/ KS  Af (Dt) = sin2b sin(DmDt)

Misura di Dt - analisi dipendenti dal tempo Richiede una determinazione dei vertici precisa e priva di bias tag B “Flavor tagging” e,m o K Dt ~ Dz /(bgc) (“approssimazione di boost”) Ricostruzione esclusiva

La fisica di BaBar (II) La grande quantità di dati raccolta permette altri tipi di misure: Misura dei lati del triangolo di unitarietà (esempio: |Vcb| e |Vub| da decadimenti semileptonici, |Vtd| dai “pinguini” b  sg) Misura delle proprietà dei mesoni con charm prodotti da decadimenti dei B o da processi ISR  scoperta della risonanza DsJ(2317), spettroscopia del charmonio (Y(4260), 2005) Studio di eventi a due leptoni (esempio: 245 milioni di eventi e+e-  t+t- prodotti finora durante il periodo di presa dati  BaBar è un’ottima “t-factory”)

Attività: Operation Manager IFR (Instrumented Flux Return): è il rivelatore più esterno di BaBar,  rivelazione di m e di adroni neutri (KL). Equipaggiato con: Resistive Plate Chambers per 4 settori del barrel e i 2 endcaps Limited Streamer Tubes per i restanti 2 settori del barrel Compiti durante la presa dati: Controllo parametri relativi al regime di funzionamento dei rivelatori (alta tensione, pressione e flusso del gas …) Controllo parametri relativi alla presa dati (correnti residue, efficienza da eventi mm… ecc.) Compiti duranti i periodi di spegnimento: Manutenzione Test dei rivelatori con raggi cosmici barrel endcaps

Analisi: violazione del numero leptonico in t+  m+g Risultati finali su 229.4 fb-1 di dati Selezione basata su tagli + Metodo del likelihood ratio Approccio con rete neurale Limite superiore su BR(t  mg) @ 90% C.L.: grande miglioramento rispetto a precedenti misure Alcuni scenari SUSY prevedono valori molto vicini al limite superiore stabilito Metodo di analisi dati Metodo statistico Sensitività Limite osservato LR CL(S+B) (Bayesiano) 11.9 x 10-8 9.9 x 10-8 CL(S) (Read) 16.1 x 10-8 14.6 x 10-8 RN frequentista 13.0 x 10-8 6.8 x 10-8 B. Aubert et al., Phys. Rev. Lett. 95, 041802 (2005) 2002 BaBar 2005

Progetto di tesi: differenza dei rate di decadimento e violazione di CP nel mixing B0B0

Formalismo del mixing I mesoni B neutri possono dare luogo, nel tempo, a fenomeni di oscillazione (o “mixing”) dovuti a diagrammi “a box” al secondo ordine in gW2 Metodo delle perturbazioni dipendenti dal tempo: ove: Utilizziamo solo la proiezione sugli stati B0 e anti-B0: Doppio vantaggio: Non ci interessa né la forma di H né la natura degli stati finali (formalismo semplice) Gli autovalori (complessi) di H ci danno simultaneamente massa e rate di decadimento degli stati fisici: sistema a riposo del B La probabilità transisce agli stati f con rate G

Autovalori e autostati di H Calcolo degli autovalori: Per mesoni con sapore b, si ha: quindi: Gli autostati si scrivono: oppure con: effetto di anti-disaccoppiamento di quark t virtuali (presente solo in off-shell)

Violazione di CP nel mixing Per definizione, l’operatore CP agisce su B0 e anti-B0 (mesoni neutri pseudo-scalari) come: Allora, se CP fosse conservata ([H,CP] = 0): VIOLAZIONE DI CP NEL MIXING

Stime teoriche e misure di DG e |q/p| DG/G: nel Modello Standard previsto (2.4 ± 0.6) x 10-3 (*). Limiti esistenti piuttosto deboli (incertezze di ~20%). |q/p|: valore stimato dalla teoria |q/p| - 1 = (3.0 ± 0.7) x 10-4 (*) Principale metodo di misura  “dileptoni inclusivi” Strategia di misura: si ricostruiscono inclusivamente solo i due leptoni (Btag e Brec indistinguibili). |q/p| si determina dalla grandezza: Media dei diversi esperimenti: |q/p| = 1.0013 ± 0.0034 Il nostro approccio sarà invece una analisi dipendente dal tempo (*) Ciuchini, Franco et al., JHEP 0308:031 (2003)

Funzione di distribuzione dei tempi di decadimento L’ampiezza totale per due mesoni B (Btag e Brec) prodotti coerentemente allo stesso istante dipende solo dalla differenza fra i tempi di decadimento nei due stati finali fBtag e fBrec: dove: a+ e a- contengono la fisica dei due processi di decadimento, cioè le 8 ampiezze di Feynman e ugualmente per rec. g+ e g- contengono la dipendenza dal tempo (probabilità di oscillazione) In conclusione:

Lato ricostruito e lato di tag Brec: si sceglie il decadimento B0  D*- l+nl (è un autostato di sapore quindi la forma di a± è più semplice): Btag: per aumentare la statistica disponibile si usa sia il “tagging” con leptone che quello con K : leptone (e,m): la relazione precedente vale anche per il lato di tag kaone: la relazione non vale a causa dei decadimenti Doppiamente Cabibbo-Soppressi c u + - CF DCS

Funzione di distribuzione generica Parametrizzazione“ABC” : Btag Brec st sm A B C D 1 -1 1 / = q/p r’ = 0 per tag leptonico

Ricostruzione di B0  D* l n Sul lato ricostruito (D* l n) solo il leptone e il p da D*  D0p sono rivelati (tecnica di ricostruzione parziale). A causa del ridotto spazio delle fasi: il p è praticamente collineare alla direzione del D* l’energia del D* può essere ricavata da quantità cinematiche relative al p. Con questa approssimazione si calcola la “massa mancante” (del neutrino): (B a riposo nel sistema della Y(4S)). l e- (p,r,a1) e+ Btag Breco D* ν (l) D Per eventi di segnale ha un picco a 0 con una deviazione standard di circa 1.3 GeV2. (K) p

Accordo dati-MonteCarlo pm regione di massa pm bande laterali D* m n  Mn2 livello di accordo ~ 2% Mn2 off-peak BB combinat. BB peaking D** l n D* l n ● dati pe regione di massa pe bande laterali  D* e n

Selezione di eventi Tagli: Per eventi con tag leptonico: R2 < 0.5 (sfericità dell’evento) pl rec > 1.4 GeV 50 MeV < pps < 200 MeV Pvtxp-l > 0.1% cp-l > 0.4 (likelihood coppia) |Dz| < 0.3 cm 0 < sDz < 0.05 cm qp = 90o Per eventi con tag leptonico: No. tracce nel vertice = 1 Richiesta di un leptone di tag (1 elettrone con pe > 1 GeV or 1 muone con pm > 1.1 GeV, diversi dal leptone della coppia) Eventi con tag di K non ancora indagati Likelihood della coppia pe,m Background Signal

Fit a Dt vero - tag vero Asimmetria  non mixato positivo (+/-) negativo (-/+) Nella generazione: - tB0 = 1.548 ps - Dm = 0.489 ps-1 k = |q/p| -1 = 0 Par Valore dal fit tB0 1.551 ± 0.006 Dm 0.4861 ± 0.0011 k (0.4 ± 4.3) · 10-3 mixato negativo (-/-) mixato positivo (+/+) Asimmetria  (+/+) vs. (-/-) non mixato vs. mixato

Distribuzioni reali di Dt Le PDF reali devono tenere conto di (almeno) due effetti: Risoluzione non perfetta nella determinazione dei vertici  convoluzione della PDF teorica con una funzione di risoluzione Errata determinazione del sapore del Btag dovuta alla non corretta identificazione del leptone di tag (“mistag”). Modificazione delle PDF nel caso di tag leptonico:

Fit a Dt – MonteCarlo di segnale Attraverso la verità MC si selezionano i leptoni di tag non provenienti da decadimenti secondari del B (es.: b  c  l) Par Valore dal fit tB0 1.530 ± 0.007 Dm 0.485 ± 0.003 k (-0.9 ± 5.3) · 10-3 w (1.03 ± 0.12)% Dw (0.02 ± 0.21)% bn (-3 ± 7) · 10-3 sn 0.949 ± 0.012 sw 3.551 (fisso) fw (2.2 ± 0.3)% non mixato positivo (+/-) non mixato negativo (-/+) mixato positivo (+/+) mixato negativo (-/-)

Metodo di validazione del fit Serie di esperimenti “toy-MonteCarlo” sono generati o con k fissato (il pull del valore fittato di k è usato in questo caso per validare gli errori di MINUIT) o con differenti valori di k (processo di generazione dell’asimmetria) Il numero di eventi per categoria da generare è determinato in questo modo: Il numero totale di eventi da generare è fissato (es.: Ntot, gen = 100000) La frazione attesa per categoria f ±, ±gen è calcolata dall’integrale delle PDF con i valori generati di t, Dm , k, w … ecc. I numeri effettivi di eventi per categoria da generare sono determinati da Poissoniane con medie uguali a f ±, ±gen · Ntot, gen

Risultati della validazione Verità MC 50 esperimenti con -0.05 < kgen < 0.05 kfit vs. kgen Con mistag e risoluzione Pull = (kfit-kgen)/sk 50 esperimenti con kgen = 0

Fit totale al MonteCarlo generico Il fit globale agli eventi MonteCarlo comprenderà sia la regione di massa che le bande laterali di Mn2 4 componenti della funzione di fit totale: Segnale B± “peaking” (decadimenti di B carichi risonanti, es.: B+  D*0 l+ n) BB combinatorio (sia B carichi che neutri) Eventi off-peak (fondo da quark “leggeri” u, d, s, c) le cui frazioni f(Mn2) sono mantenute fisse nel fit a Dt e determinate da un precedente fit alla massa del neutrino tutto segnale B± peaking combinatorio off-peak non mixato mixato

Fit al fondo combinatorio non mixato positivo (+/-) non mixato negativo (-/+) B0 diretti B0 secondari B0 tag da D B+ diretti B+ tag da D Par Valore dal fit tlq 0.35 ± 0.08 tB+ 1.63 ± 0.03 bn -0.06 ± 0.02 sn 0.81 ± 0.06 fw (4.2 ± 1.7)% ... ...... mixato positivo (+/+) mixato negativo (-/-)

Conclusioni e progetto per il 2005/2006 Analisi t  mg conclusa con pubblicazione (Phys. Rev. Lett., Maggio ’05) Analisi violazione di CP nel mixing: Completato fit a Dt nel segnale simulato e in molte categorie di fondo. Validazione del fit con la tecnica del toy MonteCarlo. L’errore statistico atteso su |q/p| è 0.004 (0.0025) per la statistica raccolta nel periodo 2000-2004 (2000-2006) Ottobre 2005-Gennaio 2006 Completamento del fit su tutti gli eventi MonteCarlo e sui dati reali DG libero nel fit Febbraio-Ottobre 2006 Determinazione degli errori sistematici sulla misura Ripetizione del fit su eventi con tag di kaone Scrittura tesi Prospettiva di contributo alle conferenze estive 2006  pubblicazione