IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna1 Ricerche di nuova fisica nei decadimenti del B: esperimenti in corso e prospettive di ricerca a LHCb Stefania Vecchi INFN Bologna Stefania Vecchi INFN Bologna

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna2 Sommario I decadimenti rari dei mesoni B: processi FCNC SM solo diagrammi loop (pinguini radiativi, pinguini semileptonici e leptonici puri): BF<~10 -5 Calcolo preciso delle ampiezze LL+NLL (NNLL) (decadimenti inclusivi) Sensibili a effetti di NP (scambio di particelle super-simmetriche): Effetti su BF, distribuzioni cinematiche e A CP dirette e nel mixing (evidenza indiretta) limitazioni ad alcuni parametri e modelli SUSY Ottimo banco di prova per il MS e per la ricerca di NP (complementare agli esperimenti di scoperta) Approccio model-indepenend per la determinazione dei Coefficienti di Wilson Confronto con SM per migliorare la determinazione V CKM Rassegna dei dati sperimentali Prospettive di misura a LHCb I decadimenti rari dei mesoni B: processi FCNC SM solo diagrammi loop (pinguini radiativi, pinguini semileptonici e leptonici puri): BF<~10 -5 Calcolo preciso delle ampiezze LL+NLL (NNLL) (decadimenti inclusivi) Sensibili a effetti di NP (scambio di particelle super-simmetriche): Effetti su BF, distribuzioni cinematiche e A CP dirette e nel mixing (evidenza indiretta) limitazioni ad alcuni parametri e modelli SUSY Ottimo banco di prova per il MS e per la ricerca di NP (complementare agli esperimenti di scoperta) Approccio model-indepenend per la determinazione dei Coefficienti di Wilson Confronto con SM per migliorare la determinazione V CKM Rassegna dei dati sperimentali Prospettive di misura a LHCb

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna3 Decadimenti radiativi b s(d) (Radiative penguin) b s(d) inclusivi: B X s(d) teoricamente calcolabili Selezione sperimentale difficile (fondi, spettro ) B factories b s(d) esclusivi: canali specifici Teoricamente meno precisi (fattore di forma) Selezione sperimentale più facile, statistica limitata Previsioni Teoriche BF, A CP, Polarizzazione

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna4 Misure inclusive B X s Sperimentalmente: Possibile solo alle B-Factories (vincoli cinematici e chiusura dellevento) ricerca di un fotone energetico E >1.6 GeV Grossa contaminazione di di fondo (ISR o decadimenti di 0 ) vari metodi per ridurre il fondo (lepton tag B opposto BaBar) + sottrazione di eventi off-resonance) Selezione semi-inclusiva (B K[n ] meno fondo, più incertezze dovute ai modi mancanti, meno statistica Teoricamente: SM calcoli precisi (NLO) BF(B X s dipende dal coefficiente di Wilson |C 7 |; Il suo valore può porre limiti sui parametri di alcuni modelli di NP Necessita di un modello fenomenologico per tenere conto dello spettro del fotone (moto del quark b nel mesone) adattato su decadimenti semileptonici A CP : evidenzia fasi extra al SM nel loop b s Sperimentalmente: Possibile solo alle B-Factories (vincoli cinematici e chiusura dellevento) ricerca di un fotone energetico E >1.6 GeV Grossa contaminazione di di fondo (ISR o decadimenti di 0 ) vari metodi per ridurre il fondo (lepton tag B opposto BaBar) + sottrazione di eventi off-resonance) Selezione semi-inclusiva (B K[n ] meno fondo, più incertezze dovute ai modi mancanti, meno statistica Teoricamente: SM calcoli precisi (NLO) BF(B X s dipende dal coefficiente di Wilson |C 7 |; Il suo valore può porre limiti sui parametri di alcuni modelli di NP Necessita di un modello fenomenologico per tenere conto dello spettro del fotone (moto del quark b nel mesone) adattato su decadimenti semileptonici A CP : evidenzia fasi extra al SM nel loop b s

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna5 Branching Fractions Semi-inclusivo inclusivo E >2.24GeV 16 canaliE >1.8GeV E >2.0GeV CLEO E >1.9GeV Lepton TAG E >1.9GeV 38 canali 55% Media SM (NLO) E >1.6GeV NPB 611 (2001) 338 NPB 631 (2002) 219 I risultati sono in perfetto accordo con SM (NP???…) (unità10 -6 )

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna6 Approccio model-independent per descrivere il contributo di NP (hp: C 7, C 9,C 10 ) : Vincoli imposti dal BF(b->s ) limitano R 7 e R 8 Punti: MFV SUSY. La regione permessa pone vincoli su C 7 e indirettamente sulle masse di stop o Higgs Il conoscere segno di C 7 è determinante NB: il segno di C 7 (A 7 ) non è determinato! R 8 C 8 NP /C 8 SM SM R 7 =C 7 NP /C 7 SM R 8 =C 8 NP /C 8 SM =2.5GeV =M W NP Lunghi, hep-ph/ Phys.Rev.D66 (2002)034002Phys.Rev.D66 (2002)034002

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna7 A livello di quark E = (E-m b /2); il moto del b nel B + gluon emission determina lo spettro osservato (non dipende da contributi NP) Spettro energetico CLEO fondi La misura dei momenti della distribuzione permette la determinazione di m b e il suo moto. m b = (4.59 ± 0.04) GeV (b mass in B) 2 = (0.40 ± 0.04) GeV 2 (b momentum squared in B) Questa informazione puó essere usata per migliorare le misure di |Vcb| e |Vub| dai decadimenti SL hep-ph/

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna8 Asimmetrie di CP dirette SM A CP 0.5% Alcuni modelli NP A CP ~10% senza influenze sul BF MediaHFAG SM hep-ph/ Semi-inclusivo (pseudo-reconstruction X s ) CLEO 12 canali esclusivi self-tag Lepton-tag Untagged particolarmente utli prova di ZERO per SM

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna9 Effetti di NP Le previsioni teoriche su A CP dipendono fortemente dalle assunzioni sul settore della rottura della Super Simmmetria. MFV con eventuali sorgenti aggiuntive di CP violation (fasi-extra) I modelli MFV non introducono grossi effetti misurabili ==> General FV scenario Scan sui parametri di SUSY Con (senza) vincolo su EDM n,e MFV MFV + extra phases Nessun effetto lo rende distinguibile da SM Effetti <2% su A CP Stretta proporzionalita hep-ph/ Scan sui parametri di SUSY Con vincolo su EDM n,e

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna10 Approccio model-independent (GFV) con input sperimentale BF(b->s ) possibilità di introdurre effetti di NP indipendentemente sul flavour s/d C 7,8 GFV NP incide solo su C s 7,8 Ammette anche A CP ~10% Forte correlazione NP incide solo su C d 7,8 piccoli effetti sulla asimmetria untagged Una precisa misura di A CP (untagged) consente la discriminazione fra modelli MFV e GFV

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna11 Misure esclusive b s Sperimentalmente: La ricostruzione dello stato finale permette migliori risoluzioni e maggiore soppressione del fondo rispetto al canale inclusivo (possibile anche alle macchine adroniche) Problema:STATISTICA ricerca di un fotone energetico E >1.6 GeV Teoricamente: Stime piú difficili dei BF e meno precise (20%) (miglioramenti con metodi analitici e LatticeQCD). Punto debole: Fattori di forma Rapporti di BF (canali CP coniugati / in relazione di Isospin/ canali diversi) A CP : si fattorizzano le incertezze teoriche: NP può originare anche grosse asimmetrie Sperimentalmente: La ricostruzione dello stato finale permette migliori risoluzioni e maggiore soppressione del fondo rispetto al canale inclusivo (possibile anche alle macchine adroniche) Problema:STATISTICA ricerca di un fotone energetico E >1.6 GeV Teoricamente: Stime piú difficili dei BF e meno precise (20%) (miglioramenti con metodi analitici e LatticeQCD). Punto debole: Fattori di forma Rapporti di BF (canali CP coniugati / in relazione di Isospin/ canali diversi) A CP : si fattorizzano le incertezze teoriche: NP può originare anche grosse asimmetrie

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna12 BF di modi esclusivi + Recenti misure di BaBar: Circa il 40% dei modi inclusivi

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna13 Promettenti i canali B ( K ) perché sensibili (interferenza) alla polarizzazione del : SM LH polarization (<10% RH da QCD) NP PRL 88 (2002) Analisi ancora preliminare (soli BF) Statistica limitata!! SuperBFactory/LHCb ?? Risultati in accordo con SM

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna14 Asimmetrie Violazione di CP diretta Accordo con le previsioni SM ( 1-2%) Asimmetrie di isospin (B K 0 * / B + K + * ) Accordo con le previsioni SM ( 5-10%) A CP dipendenti dal tempo SM prevede b s LH prevalente. Nel mixing i due stati di polarizzazione ortogonali non interferiscono: A mix CP ~-2(m s /m b )sin2 1 ~-0.06sin2 1 NP potrebbe alterare le polarizzazioni e A mix CP BaBar Belle BaBar -0.21±0.40 ± ±0.52 ± ± ±0.41 ±0.10

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna15 b d A causa del fondo elevato sono possibili solo misure esclusive di alcuni canali Transizione soppressa di |V td /V ts | rispetto a b s Contribuiscono diagrammi a loop + annichilazione Effetti di NP potenzialmente ancora più visibili =0.85 ±0.10 Rapporto di FF R=0.1 ±0.1 SU(3)-breaking factor

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna16 Decadimenti radiativi b sl + l – (semi leptonic penguin) Ottimi canali per lo studio FCNC con alta precisione Nuova sorgente di osservabili cinematici utili per il test della teoria (complementare ai rate b s ): m 2 l+l-,, A CP, A FB (e il suo Zero) permettono informazioni sullinterazione a corto raggio (Coefficienti Wilson) SM: processo dipende dagli operatori Q 7 (em), Q 9 (sl vettoriale),Q 10 (sl vettore assiale) Calcoli a NLL (precisione <10%) e NNLL Forte sensibilità a fenomeni di NP nellasimmetria FB Problema: statistica. Decadimenti molto rari BF~10 -6 Prime misure alle B-Factories Ottimi canali per lo studio FCNC con alta precisione Nuova sorgente di osservabili cinematici utili per il test della teoria (complementare ai rate b s ): m 2 l+l-,, A CP, A FB (e il suo Zero) permettono informazioni sullinterazione a corto raggio (Coefficienti Wilson) SM: processo dipende dagli operatori Q 7 (em), Q 9 (sl vettoriale),Q 10 (sl vettore assiale) Calcoli a NLL (precisione <10%) e NNLL Forte sensibilità a fenomeni di NP nellasimmetria FB Problema: statistica. Decadimenti molto rari BF~10 -6 Prime misure alle B-Factories

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna17 Misure (semi)inclusive B X s l + l – Previsioni SM del BF e dello spettro di massa l + l - : possibili in regioni lontane dai contributi risonanti di ccbar. Per ridurre le incertezze teoriche A FB, m 2 (l + l - ) e i BF sono riferiti al canale semi leptonico: B X c l + v SM –C 7 (NP) Le diverse regioni di massa sono pesate in modo diverso dai C i. Sensibilità anche al segno C 7 -C 9 attraverso linterferenza T.Goto et al. PRD (1997)

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna18 Le misure sperimentali di BF(B->X s ) e BF(B->X s ll) nonché il valore parziale nellintervallo 1<q 2 <6GeV 2 possono essere combinate. Approccio model-independent se NP non introduce nuovi diagrammi si ricavano limiti sui coefficienti C 7 TOT, C 9 NP, C 10 NP. BF(B->X s ) pone dei limiti su |C 7 TOT | BFBelleBabarHFAGSMC 7 = -C 7 SM q 2 >(2m ) ±1.15.6±2.04.5±1.04.4±0.78.8±0.7 1<q 2 <6GeV 2 1.5±0.61.8± ± ± ±0.25 misure semi-esclusive Gambino & al PRL (2005) C 9 NP C 10 NP C 7 <0 SM=(0,0) C 7 <0 MFV MSSM C 9 NP C 10 NP C 7 >0 Sfavoriti i modelli che prevedono C 7 = –C 7 MS e C 9, C 10 invariati (MSSM MFV big tan light stop) Vincoli sui coefficienti di Wilson -

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna19 Misure esclusive B K ( * ) l + l – Canali estremamente rari. Previsioni SM affette da incertezze ~30% f.f. Con statistica sufficiente diventano importanti TEST di asimmetrie: A CP R K(*) = BF(K (*) )/BF(K (*) ee) SM previsioni precise 0.01% (~0.2%) NP puo introdurre grosse deviazioni O(10%) es. MSSM con nuove sorgenti di LFV Rapporto in relazione con BF(B s ) (vedi slide n.25)

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna20 Asimmetria FB Misure in canali esclusivi B + K + l + l – canale di controllo: A FB =0 (anche con NP) A FB e determinata dallinterferenza tra lampiezza C 10 (vettore assiale, Z, W - QCD free) con C 7, C 9 (vettoriale). Lo ZERO di A FB definisce il segno di C eff 7 /C eff 9 SM q 0 2 =4.2 ±0.6 GeV 2 (NNLO) TEST importante di SM/NP Goto &al Phys. Rev., D 55 (1997) 4273Phys. Rev., D 55 (1997) 4273

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna21 Risultati in accordo con SM. Esclusi alcuni scenari di NP (A 9 xA 10 >0) A i diversa parametrizzazione dei C i SM Escluso SM q 2 <8 GeV 2 al 98%CL. Esclusi alcuni scenari di NP (A 9 xA 10 >0) A 9 /A 7 A 10 /A 7

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna22 Decadimenti leptonici puri B l + l - Teoria: decadimenti leptonici puri B l + l - sono processi FCNC SM: proibito al Tree-level può avvenire con 1 loop (penguin/box) soppresso per elicità Nellapproccio OPE dipende solo da Q 10. Calcoli dei contributi a corto raggio semplici (correzioni QCD piccole) BF(B d -> )= |V td /V ts | 2 BF(B s -> ) se NP non introduce nuove sorgenti di FV NP può contribuire aumentando notevolmente il BF: MSSM: BF~(tan ) 6 /m A 4 fattore 100 Rapporto B d /B s utile per discriminare fra diversi modelli Indicazioni su 2HDM, mSUGRA,SO(10) GUT, R p violating models Sperimentalmente molto difficile: statistica, PID, controllo dei sistematici (blind analyses) Teoria: decadimenti leptonici puri B l + l - sono processi FCNC SM: proibito al Tree-level può avvenire con 1 loop (penguin/box) soppresso per elicità Nellapproccio OPE dipende solo da Q 10. Calcoli dei contributi a corto raggio semplici (correzioni QCD piccole) BF(B d -> )= |V td /V ts | 2 BF(B s -> ) se NP non introduce nuove sorgenti di FV NP può contribuire aumentando notevolmente il BF: MSSM: BF~(tan ) 6 /m A 4 fattore 100 Rapporto B d /B s utile per discriminare fra diversi modelli Indicazioni su 2HDM, mSUGRA,SO(10) GUT, R p violating models Sperimentalmente molto difficile: statistica, PID, controllo dei sistematici (blind analyses) SM: Q 10

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna23 Decadimenti leptonici B (s) l + l – Soppressione di elicità 780 pb -1 BF(B d l + l - )BF(B s l + l - ) e 3.4 × × < 19× < 6.1× × × < 16× <8.3× < 30× < 2.3× < 8× pb × × × Difficilissimo Ancora lontani dalla misura: solo CL (90%) Eccezione: CDF in Bs + – si sta avvicinando al valore dello SM

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna24 BF(Bs BF(b s Polesello G.// Workshop Flavour 11/05 1 tan =50tan =60 hep-ph/ MSSM Zpenguin

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna25 R K* BF(B s x Esclusa da CDF R K* Analisi model-independent Il BF(B s può essere messo in relazione con gli altri processi FCNC finora visti: b s, b sll, A FB,R K, R K* Con un approccio Model Independent, estendendo la base degli operatori per includere transizioni MSSM, si possono ricavare i limiti sui Coefficienti di Wilson e/o scartare modelli. RKRK BF(B s x RKRK Esclusa da CDF hep-ph/ Misurare R al 10~5% può essere utile molto utile

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna26 Decadimenti leptonici: B Assumendo i valori fittati di V CKM e calcolati di f B si pongono limiti ai parametri di SUSY Non è raro, non è FCNC…ma….

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna27 Prospettive di misura a LHCb Abbiamo visto quante grandezze se misurate con maggiore precisione possono contribuire a test più stringenti del SM e a porre dei vincoli sui parametri di NP. Dal punto di vista sperimentale occorrono: Statistica (Trigger, accettanza) Reiezione del fondo Precisione di misura (masse invarianti, particle ID) Controllo dei sistematici LHCb: ottimizzato per lo studio della fisica del B coppie bbar in un anno in accettanza (misure con B d, B s, b ) Trigger per la selezione dei decadimenti del B (IP) + di-muon trigger Eccellente PID ( /K/e/ ) Risoluzioni di massa invariante (10-18 MeV) e vertici secondari ( m) Svantaggi rispetto agli esperimenti alle B-factories: chiusura degli eventi, pulizia del segnale, possibilità di run off-resonance per il controllo dei fondi. Possibili misure eclusive o semi-inclusive di decadimenti rari. Abbiamo visto quante grandezze se misurate con maggiore precisione possono contribuire a test più stringenti del SM e a porre dei vincoli sui parametri di NP. Dal punto di vista sperimentale occorrono: Statistica (Trigger, accettanza) Reiezione del fondo Precisione di misura (masse invarianti, particle ID) Controllo dei sistematici LHCb: ottimizzato per lo studio della fisica del B coppie bbar in un anno in accettanza (misure con B d, B s, b ) Trigger per la selezione dei decadimenti del B (IP) + di-muon trigger Eccellente PID ( /K/e/ ) Risoluzioni di massa invariante (10-18 MeV) e vertici secondari ( m) Svantaggi rispetto agli esperimenti alle B-factories: chiusura degli eventi, pulizia del segnale, possibilità di run off-resonance per il controllo dei fondi. Possibili misure eclusive o semi-inclusive di decadimenti rari.

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna28 Misure di BF/Rapporti/A CP di canali 2fb -1 TOT [%] S/BN/year 0.16<0.7 35k 0.22 <2.39.3k Precisione di misura di R K =BF(B ± K ± + - )/ BF(B ± K ± e + e - ) = 10% (1anno 2fb -1 ) 4.5% (5 anni) M B )=(74/15 MeV/c 2 ee/ ) Misura di R K* possibile, da svolgere gli studi MCarlo Vedi trasparenza Vedi trasparenza successiva

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna29 B K 0* + – Punti di forza di LHCb per questa misura: PID K/ in p=[10:100]GeV/c Trigger L0 di-muone Ottime risoluzioni in massa (16/10/3.3 MeV/c 2 B/ /K*) e angolo FB (4.1mrad) 2fb -1 Gia dopo un anno di presa dati LHCb e in grado di raggiungere la precisione necessaria per discriminare fra i vari modelli…… Precisioni (stat.) 1 anno5 anni BF(B) [1.7,2.5]% A CP [ ]%~ BF(s) ~6% (grandi s) ~14% (piccoli s) ~2.5% (grandi s) ~6.5% (piccoli s) A FB [0.09, 0.026][0.04, 0.10] Zero A FB 1.2GeV 2 (*) 0.5GeV 2 (*) C eff 7 / C eff 9 stimati al 13%

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna30 B s + – Luminosita integrata SBUpper limit 90% CL 100 pb -1 ~ 0~ × fb -1 ~ 7~ 207.0× fb -1 ~ 21~ 606.6×10 -9 CMS Risoluzione massa B=46MeV 30fb-1=primi 3 anni Luminosita integrata SBUpper limit 90% CL 10 fb -1 7<1?? 100 fb -1 26<6.4?? LHCb ha ottime possibilità di misurare questo canale nei primi anni di misura. Le valutazioni Monte Carlo non consentono per ora di avere una stima affidabile del fondo atteso. Solo sui dati sperimentali sarà possibile studiare gli effetti sistematici di questo canale ATLAS Risoluzione massa B=80MeV 30fb-1=primi 3 anni LHCb Risoluzione massa B=18MeV 2fb-1=primi 1 anno

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna31 aggiunte

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna32 Conclusioni Lo studio dei decadimenti rari del B FCNC è un ottimo settore in cui svolgere test precisi del Modello Standard ed avere eventuali indicazioni di Nuova Fisica Numerosi canali e osservabili sono misurabili e possono essere messi in relazione fra loro per svolgere indagini model-independent e porre limiti ai parametri di NP Grazie alle misure svolte alle B-Factories, il quadro sperimentale attuale è piuttosto ricco. Tuttavia le precisioni sperimentali in molti casi sono inferiori a quelle teoriche a causa della statistica limitata e dei sistematici LHCb contribuirà a migliorare in modo significativo lo studio di questi processi almeno nellambito dei canali esclusivi di decadimento Lo studio dei decadimenti rari del B FCNC è un ottimo settore in cui svolgere test precisi del Modello Standard ed avere eventuali indicazioni di Nuova Fisica Numerosi canali e osservabili sono misurabili e possono essere messi in relazione fra loro per svolgere indagini model-independent e porre limiti ai parametri di NP Grazie alle misure svolte alle B-Factories, il quadro sperimentale attuale è piuttosto ricco. Tuttavia le precisioni sperimentali in molti casi sono inferiori a quelle teoriche a causa della statistica limitata e dei sistematici LHCb contribuirà a migliorare in modo significativo lo studio di questi processi almeno nellambito dei canali esclusivi di decadimento

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna33 LHC: collisioni pp a s = 14 TeV, rate di intersezione dei bunch = 40 MHz bb ~ 500 b (~ 0.5% rispetto al mbias) Ad alte luminosità cresce il pile-up di interazioni pp per bunch crossing: LHCb ha scelto di lavorare a L ~ cm -2 s -1 (regolabile - fasci defocalizzati) disponibile dall inizio 1 anno di misura = 2 fb bb in accettanza in un anno

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna34 Impact parameter resolution Momentum resolution (full spectrometer) –K separation Mass resolution (MeV)

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna35 e e (4S) BB PEPII, KEKB pp bbX (s = 14 TeV, t bunch =25 ns) LHC (LHCb–ATLAS/CMS) Production bb 1 nb ~500 b Typical bb rate10 Hz100–1000 kHz bb purity~1/4 bb / inel = 0.6% Trigger is a major issue ! Pileup00.5–5 b-hadron types B + B – (50%) B 0 B 0 (50%) B + B - (40%), B 0 (40%), B s (10%) B c (< 0.1%), b-baryons (10%) b-hadron boostSmallLarge (decay vertexes well separated) Production vertexNot reconstructedReconstructed (many tracks) Neutral B mixing Coherent B 0 B 0 pair mixing Incoherent B 0 and B s mixing (extra flavour-tagging dilution) Event structureBB pair alone Many particles not associated with the two b hadrons

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna36 Hamiltoniana effettiva per b s, b sll MFV

IFAE2006Stefania Vecchi - INFN Bologna37