Fisica del B: stato e prospettive Concezio Bozzi, INFN Ferrara IFAE, Lecce, 25/4/2003 Sommario: Introduzione Lati e angoli CKM Decadimenti rari Conclusioni.

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1 Fisica del B: stato e prospettive Concezio Bozzi, INFN Ferrara IFAE, Lecce, 25/4/2003 Sommario: Introduzione Lati e angoli CKM Decadimenti rari Conclusioni Disclaimer: prevalentemente B factories…

2 Stato dellarte Il meccanismo CKM predice correttamente gli effetti di violazione di CP nei K, charm e B: Violazione di CP piccola nel mixing KK ( K ) e nel decadimento K / ) Violazione di CP grande in BJ/ K (sin 2 ) ma piccola nel mixing BB ( B ) Violazione di CP non rivelata nei decadimenti del charm (sensitività sperimentale non ancora adeguata) K = 2.271 ± 0.017 × 10 -3 |V ub /V cb | = 3.7 × 10 -3 / 40 × 10 -3 m d = 0.503 ± 0.006 ps -1 m s > 14.4 ps -1 sin 2 = 0.731 ± 0.055

3 Successo ed imbarazzo Il modello standard è in ottima forma ma... –La rottura della simmetria elettrodebole non è capita –MS non spiega lasimmetria barionica delluniverso Naturale cercare effetti non-MS: –Misure di precisione nel settore di gauge (LEP/SLC) –Ricerca diretta di nuova fisica (Tevatron2, LHC) –Misure di precisione nel settore di sapore (B Factories presenti e future, Tevatron2, LHC) Qualsiasi estensione del MS dovrà sopravvivere a test molto stringenti di CPV (angoli e lati del triangolo CKM) e FCNC (decadimenti rari)

4 CPV e CKM: i lati V cb (V ub ) (u) (,…) b tt d bd W W (s) Decadimenti semileptonici Oscillazioni B d e B s Pinguino EM V td (V ts )

5 Semileptonici: V cb, V ub Approccio esclusivo a V cb : BDl, BD*l –Misura | V cb | × fattore di forma, conosciuto al 4% –Sistematicamente limitata –Sistematici altamente correlati (BR(D), D**, fattori di forma) –Precisione migliorerà ma impatto sul triangolo ormai trascurabile Approccio esclusivo a V ub : dipendenza dai fattori di forma, calcolabili su reticolo –Errore teorico ~5% su una scala di 4-10 anni (conservativo) Approccio inclusivo a V ub. Rimozione fondo da bcl –Tagli in q 2, m Had, E l. –Ricostruzione esclusiva dellaltro B –Teoria non ancora sotto completo controllo –Combinazione di tagli –Sistematico teorico su | V ub | ~5% asintotico? cf. M. Rotondo, A. Sarti w CLEO V cb escl.

6 |V ub | da decadimenti SL sul rinculo Brecoil Breco D(*)D(*) Y(4S) l XuXu Ricostruzione completa di mesoni B e selezione di eventi SL nel B di rinculo Efficienza~10 -3 Sistematiche fortemente ridotte Taglio su M X (< M D ) ( ~ 60-80%) e altre variabili (P* l, q 2 ) per separare segnale b ul da fondo cf. A. Sarti

7 Fisica più pulita Analisi inclusiva Analisi su rinculo V ub V cb B Xl S/N~1.7 S/N~1/50

8 V ub : stato ed estrapolazioni V ub (B factories)=(4.32±0.57) 10 -3 Ottimizzare il punto di lavoro! Errori estrapolati (analisi Mx): Statistico L(ab -1 ) = 0.08 0.5 2.0 10 stat (%) = 7.0 2.8 1.4 0.6 Sistematico sperimentale ~5% 2.5% ( b cl bkgd) Teorico ~ 9% ( (m b )=90MeV ) 5% ( b ul, spazio delle fasi)

9 0.502 0.006 ps -1 Tanta precisione per nulla... m d m s >14.4ps -1 @95%CL LEP/SLD/CDF: 13 analisi! m d / m s ~ |V td /V ts | @ O(5-10%) teorico Oscillazioni: |V td /V ts |

10 m s : prospettive Decadimenti: B s D s l, D s * l (D s, K* 0 K, + ) ~40K eventi in 2 fb -1 Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs t K/K K/K ~ 14% Tagging: D 2 = 11.3 % (complessivo) Sensitività fino a x s 30 CDF Limite attuale: X s > 20.6 S. DAuria

11 CPV e CKM: gli angoli sin 2 d J/ K s, K s sin 2 d, sin(2 + ): B d D e B s D s K d d DK A(t) = S sin( m t) + C cos( m t)

12 Misure di Charmonio+K s (canali aurei) Stessa fase per alberi e pinguini, no incertezze teoriche Segnale abbondante e puro Sistematiche sotto controllo D(*)D(*) e J/ 0 Fasi differenti, asimmetria non necessariamente sin2 Necessitano di analisi piu complesse Ks e ()Ks Prevalentemente pinguini, misurano sin2 nel MS ma sono particolarmente sensibili a nuova fisica cf. M. Pierini

13 Modi con charmonio Belle BaBar PRL 89 (2002) 201802 PRD 66 (2002) 071102 N(BB)= 88 10 6 N(BB)= 85 10 6 cf. M. Pierini

14 sin2 : K s BaBar Belle cf. M. Pierini Modello Standard: S Ks =S Ks =sin2 SUSY: ~ 0.01 – 0.7 tasso( K) ~ 10 -2 tasso(J/ K) Misura statisticamente limitata!

15 Sommario sin2 http://www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/triangle/winter2003/index.shtml Fit di CP dipendenti dal tempo oramai maturi Misure con charmonio solide, consistenti con vincoli da misure indirette, non piu fattore limitante nelle analisi CKM Modi con pinguini ancora con statistica limitata K s a 2.8 dal valore atteso (0.74) nuova fisica? K s 1.6 piu bassa valore inatteso per la contaminazone dellalbero?

16 sin2 : prospettive Errore sistematico Sistematico tag leptonico (Statistico aumenta ~70% ) B Factories Super B Factories CanaleB-Factories 0.1 ab -1 B-Factories 0.5 ab -1 LHCb/BTeV 10 7 s Super-B 10 ab -1 J/ K s 0.067 0.033 0.030.0170.008 K s 0.51 0.009 0.230.140.056 Misure ridondanti sensibilità a nuova fisica

17 Sin2 (eff) da B b dd u d u + - B0B0 Mixing + T: b dd d u u - + t B0B0 P: Fase debole – fase forte e |P/T| modificano da analisi di isospin A(t) = S sin( m t) + C cos( m t) cf. M. Bona

18 sin2 (eff) : stato e prospettive Oggi: 0.08 ab -1 Estrapolazioni Differenza a livello di 2.2. Valore di Belle fuori dalla regione fisica… Speculazioni teoriche sulla media. Troppo presto per tirare conclusioni … Super BFactory: (sin2 eff ) ~ 0.03 in 10 ab -1 Stesso ordine di grandezza per LHCb/BTeV cf. M. Bona

19 Analisi di isospin? … ambiguità quadrupla! ( triangolo invertito e ) Toy MC: BR( ) = 4.7x10 -6, BR( ) = 4.1x10 -6 BR( ) 1.0 x10 L = 10 ab -1 L = 2 ab -1 L = 0.5 ab -1 Occorre misurare: Alta statistica e/o Br( 0 0 )~0

20 sin2 da ? Analisi dipendente dal tempo, flavor-tagged, delle interferenze di stati finali tramite plot di Dalitz, misura Dipendenza da BR( ) Ambiguità dovute a bassa statistica S/N basso (0.3) contributi non risonanti e/o riflessioni da risonanze superiori dipendenza da fattori di forma, fasi, … B 0 + – - B 0 0 0 Interference Region B 0 + – - B 0 – + Interference Region …difficile!

21 sin2 : quando? Misura di precisione esclusivamente a super-B factory

22 Il ruolo di Esiste nuova fisica nel mixing Non è rivelata da misure di m, sin2, sin2 Si può rivelare da processi ad albero che coinvolgono Errori anche grossi sarebbero sufficienti per dare evidenza di nuova fisica se si trovasse >90°. (1- ) 2 + 2 +nuova fisica +nuova fisica 2 + 2

23 Metodi per Interferenza tra mixing e decadimento di B D (*) ricostruito parzialmente o completamente: sin(2 ) –unampiezza è Cabibbo soppressa: difficile sperimentalmente e teoricamente! errore di ~10° con 1-2ab -1 analizzando anche B 0 D (*),a 1,K s Analogamente: B s D(*) s K –Ampiezze dello stesso ordine di grandezza – m s >> m d –Solo collider adronici, PID necessaria (LHCb/BTeV) –Precisione dellordine di 8° Caveat: –Errore dipende da valore misurato –Rapporto tra ampiezze incognito oppure piccolo e impreciso cf. G. Marchiori b c W d u d d D b u W c D ( d d d

24 Metodi per Misure di processi B± D(*)X (violazione di CP nel decadimento), es. B ± D(*)K Soppressione di colore Ambiguità x8 non risolvibile con la statistica delle B factories attuali Studio effettuato con 600fb -1 Riscalando a 10 ab -1, si risolvono ambiguità e si ottiene una precisione di 1°-2.5° su Rates e asimmetrie in B K, KK Dipendenza da modelli teorici non ancora giunti a maturità Sviluppi promettenti: decadimenti a 3 corpi, analisi Dalitz B D(*)K(*), D(*)Ks, DKs, D(*)K(*), … Misure ridondanti riduzione di errori e ambiguità cf. G. Marchiori

25 Sommario angoli CKM AngoloBabar (0.5ab -1 ) SuperBabar (10 ab -1 ) CDF RunII BTeV/ LHCb* Atlas/ CMS* sin2 (J/ K s ) 0.030.0080.050.02 sin2 ( K s ) 0.250.060.150.14? sin2 eff ( + - ) 0.140.030.10.030.1 eff - ( 0 0 ) <18°<7°- 5° ( ) - (DK, D* D s K) ~<10°<2.5°<10° ridondanza Una parola chiave: ridondanza (nuova fisica, ambiguità discrete, incertezze e input teorici) : la fase meglio misurata, B factories : la misura più difficile e a lungo termine, (S)B Factories : LHCb/BTeV la misura migliore, B Factories concorrenziali * 1 anno di run

26 BaBar, Belle, LHC-b e BTeV: (sin2 )~0.01, (sin2 (eff) )~0.03, ( )~5 o lati) ~ 5% Se non si saranno viste deviazioni dal meccanismo CKM, sarà la fine dei test di precisione sulla violazione di CP Ma la ricerca di nuova fisica deve procedere anche attraverso lo studio di processi FCNC, cioé di... Scenario CKM tra 10 anni?

27 Decadimenti rari Pinguino EM Pinguino EW Decadimenti leptonici

28 Pinguini EW (BaBar) 85M coppie BB Misure esclusive: B(X s ll, inclusivo) =(6.1±1.4+1.4-1.1) 10 -6 Remaining neutral Energy (GeV) m(D 0 ) Rec -m(D 0 ) PDG ( m(D0) ) Signal Box Sideband Teoria (SM): B(B + K + ) 3.8 x 10 -6 56M coppie BB, completamente ricostruito tag SL B(B + K + ) 9.4 10 -5 (90% CL) 2 eventi osservati (2.2 bkgd atteso) cf. F. Bucci Preliminare

29 Decadimenti leptonici (BaBar) Già pubblicato, da aggiornare (Run1+2) –BF(B ) < 1.7 10 -6 (90% CL); int.lumi. 19.4 fb -1 ICHEP 2002 (Run1+2): –BF(B e+e-) < 3.3 10 -7, BF(B + -) < 2.0 10 -7, –BF(B +e-) < 2.1 10 -7 (90% CL) Nuove analisi B + + (Run1+2), con: –Tag semileptonico o adronico completamente ricostruiti –Miglior limite disponibile (<4.1 10 -4 @90% CL) cf. F. Bucci

30 Decadimenti radiativi e nuova fisica b s inclusivo: BR sensibile ai bosoni di Higgs carichi e alle particelle supersimmetriche; asimmetria di CP diretta è anche sensibile a nuova fisica B, B K* –asimmetria di CP diretta e rapporto Br( )/Br(K * ) sensibili a MSSM –Rapporto sensibile anche a V td /V ts, con incertezza teorica ~10%. Cross- check con oscillazioni

31 Decadimenti B X s ll e nuova fisica B Factories: Misura di distribuzioni di decadimento oltre che di BR Asimmetrie piccole in MS, grandi in MSSM Lattraversamento a 0 dellasimmetria FB di K*ll permette di discriminare tra vari modelli Anche I decadimenti in X s sono particolarmente sensibili a nuova fisica.

32 Decadimenti leptonici B ll BR molto piccoli, ma potrebbero diventare misurabili grazie a contributi di nuova fisica (leptoquarks, nuovi bosoni di gauge, SUSY con violazione dellR-parità) –Nessun evento SM atteso in 10ab -1, livelli di sensibilità ~10 -9 – 10 -7, corrispondente a masse di ~10TeV per nuove particelle in alcuni modelli B l poca sensibilità a nuova fisica, ma sensibile a |V ub |f B, importante per calcoli su reticolo e cross-check per |V ub | –Precisione del 5% su e 8% su in 10ab -1

33 Sommario decadimenti rari CAVEAT: nuova fisica a LHC dovrebbe manifestarsi soprattutto in altri canali... Solo collider Solo (S)BFact Solo (S)BFact Collider ~BFact

34 Conclusioni I test di precisione di CPV e FCNC in fisica del B saranno un campo di ricerca avvincente nei prossimi anni Non esiste un canale doro –Necessario interpretare misure di diversi processi, effettuate in condizioni sperimentali differenti –La sensibilità sperimentale va confrontata con la chiarezza teorica Non esiste un rivelatore vincente –Le B factories hanno scoperto la violazione di CP nei decadimenti dei B sin2 ~misura di precisione. Luminosità attuale ~0.1ab -1 ; 0.5ab -1 nel 2006; almeno 2ab -1 per esperimento per la fine del decennio –Super-B factory (~10ab -1 ) per misure esclusive (, decadimenti rari con neutrini) o concorrenziali con collider adronici nel settore della fisica del sapore esclusive –Collider adronici competitivi per,, m s, canali rari in 2 leptoni

35 Ringraziamenti: M. Bona, F. Bucci, G. Cavoto, S. DAuria, R. Faccini, F. Ferroni, L. Lanceri, M. Pierini, M. Rotondo, A. Sarti, F. Simonetto