Misura della frequenza di oscillazione B s -B s a CDF

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1 Misura della frequenza di 0 0 Massimo Casarsa

2 Oscillazioni materia-antimateria antimateria Indotte dall interazione debole nel caso dei mesoni K e B neutri. Sistema dei mesoni B s neutri: B s = (bs), B s = (bs). m s = 18 ps 1 Gli autostati di massa B H e B L sono una mistura degli autostati di sapore: B H =p B s +q B s, B L =p B s q B s. B H e B L possono avere masse e larghezze di decadimento diverse: m s = 18 ps 1 m = M H M L, Γ = Γ L Γ H. 2

3 Predizione del Modello Standard Nel Modello Standard le transizioni B s sono descritte dai diagrammi dove il contributo dominante è dato dal quark top. CKM Matrix Parametrizzazione di Wolfenstein 2 3 Vud Vus Vub 1 λ /2 λ Aλ ( ρ iη) CKM = cd cs cb = λ 1 λ /2 Aλ + O( λ ) 3 2 Vtd Vts V tb Aλ (1 ρ iη) Aλ 1 V V V V m s è previsto ~18 ps 1 con grosse incertezze. 3

4 Interesse della misura Mai stata effettuata prima d ora, attualmente possibile solo al Tevatron. Rappresenta uno dei principali obiettivi del programma di Fisica del B del Run II del Tevatron. Migliora la conoscenza della matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa e ne vincola in modo più stringente l unitarietà. Vud Vus Vub VCKM = Vcd Vcs Vcb Vtd Vts V tb Contributi di diagrammi con particelle supersimmetriche virtuali nel loop potrebbero influenzare il valore previsto per m s dal Modello Standard. 4

5 Strategia della misura Si tratta di rivelare un pattern oscillatorio nella distribuzione in tempo proprio dei decadimenti dei B s. Elementi chiave della misura: ricostruzione del segnale di B s ; misura del tempo proprio di decadimento: m B Vertice Primario ct = L xy p T (B) identificazione del sapore del mesone B s (flavor tagging): al momento del decadimento (dato dai prodotti finali); alla produzione (algoritmi dedicati). Significatività statistica media di un segnale di oscillazione: Vertice Secondario L xy B s y x risoluzione in tempo proprio segnale Sig efficienza di tagging diluizione = 1 2 (probabilità di sbagliare) fondo 5

6 Effetti sperimentali Necessario risolvere oscillazioni O(3 THz). Richieste sperimentali molto stringenti: massimizzare il rapporto S/B; minimizzare la risoluzione in tempo proprio; identificazione corretta del sapore alla produzione. m s = 18 ps 1 σ ct = 15 µm εd 2 = 2% m s = 18 ps 1 Solo segnale ct ct 6

7 Ricostruzione dei segnali di B s

8 Two Track Trigger Parametri d impatto delle tracce misurati online con una risoluzione di 47 µm. Acquisisce campioni arricchiti in adroni con un quark b selezionando eventi con due tracce di alto parametro d impatto: p T > 2 GeV/c; 120 µm < d 0 < 1 mm. Tipico evento di B s. TS Decadimenti adronici completamente ricostruiti determinanti per la misura di m s! 8

9 Campioni di B s usati Dati raccolti nel periodo Feb 2002 Gen fb -1 Decadimenti adronici Decadimenti semileptonici B 0 s D s 0 B s b s π + W + u d c s + π D s B 0 s 0 B s b s D s l + ν l W + + l ν l c s D s decadimenti completamente ricostruiti, il momento del B s è misurato con precisione; buon rapporto S/B; branching ratio relativamente piccolo. neutrino non rivelato, momento del B s mal misurato; alto livello di fondi; branching ratio grande. maggior sensibilità per alti m s maggior sensibilità per bassi m s 9

10 Decadimenti adronici Yield B s D s π (φπ) 1600 B s D s π (φπ) B s D s π (K * K) 800 B s D s π (3π) 600 TS B s D s 3π (φ π) 500 B s D s 3π (K * K) 200 Totale 3700 Campioni di controllo di alta statistica: B + D 0 π + : 26k eventi B 0 D π + : 22k eventi 10

11 Decadimenti semileptonici Yield B s lνd s (φπ) 32k B s lνd s (φπ) B s lνd s (K * K) B s lνd s (3π) Totale 11k 10k 53k l = µ,e Campioni di controllo di alta statistica: B + l + νd 0 : 540k eventi B 0 l + νd* : 75k eventi B 0 l + νd : 300k eventi 11

12 Tempo proprio

13 Vite medie Lifetime [ps] (stat. only) B 0 D - π ± B + D 0 π + B s D s π(ππ) ± ± Media mondiale: B ± ps -1 B ± ps -1 B s ± ps -1 13

14 Risoluzione in tempo proprio m B L ct = L xy xy m B σ σ pt pt ct = σ MB σ Lxy ct p T p T p T Contributo dominante nei dec. adronci Contributo dominante nei dec. semileptonici decadimenti adronici ~ 26 µm = 86 fs m s = 18 ps 1 σ ct = 26 µm 14

15 Identificazione del sapore del B s alla produzione

16 Flavor tagging del B s Identificazione della carica del quark b alla produzione. Si inferisce il sapore del B s ricostruito dall altro quark b dell evento: carica leptone (e o µ) da decadimenti semileptonici del b; carica media del jet del b. εd 2 = ~1.4% Utilizza le caratteristiche della frammentazione del quark b nel mesone B s ricostruito. ed 2 = ~3.4% 16

17 Same Side Kaon Tagger Sfrutta le caratteristiche della frammentazione del quark b: B + /B 0 tende ad avere vicino un π /π + ; B s tende ad avere vicino un K + (Same Side Kaon Tagger). Fa uso del ToF e del de/dx nella camera a deriva per separare K e π. MC calibrato per riprodurre le distribuzioni di B + e B 0, quindi applicato al B s. ed 2 = ~3.4% Ha triplicato la statistica efficace del campione di dati rendendo visibile il segnale! TS 17

18 Strategia dell analisi

19 Strategia dell analisi Decisa prima di guardare il risultato sui dati. p-value: misura di quanta evidenza abbiamo contro l ipotesi di effetto nullo. p-value < 1%? SÌ NO fit di m s limite al 95% C.L. usando l Amplitude scan 19

20 Metodo dell amplitude scan Metodo classico per il fit di mixing del B s : possiede le stesse proprietà di un analisi di Fourier; si basa però su un fit di massima likelihood; consente di porre direttamente un limite, se non si vede un segnale; permette una combinazione semplice e diretta dei risultati di esperimenti diversi. Procedura: si introduce l ampiezza A nella distribuzione del tempo proprio: P(t) (1 ± A D cos( m s t)) exp( t/τ); fit di massima likelihood del tempo proprio per differenti valori di m s, fittando A con D fisso, nel caso di un campione infinito con un tagger perfetto: A = 1 per m s vero, altrimenti A = 0; evidenza di un segnale: m s per il quale A compatibile con 1. 20

21 Amplitude scan nel caso del B 0 D π + limite al 95% C.L. sensibilità dell analisi punti: A ±σ A dal fit di massima likelihood per diversi m d banda gialla: A ± σ A linea tratteggiata: σ A vs m d i valori di m d per cui A σ A < 1 sono esclusi al 95% C.L. sensibilità dell analisi: m d per cui σ A = 1 m d = ± (PDG) 21

22 Risultati

23 Decadimenti semileptonici 23

24 Decadimenti adronici Preliminary 24

25 Amplitude scan combinato Preliminary 25.3 ps -1 A/σ A (17.25 ps -1 ) =

26 Misura di m s P-value < 1% fit di m s p-value = 0.5% likelihood m s = (stat) ± 0.07 (syst) ps

27 V td / V ts V V td ts = m m d s m m Bs Bd ξ 2 2.5% 4% inputs: m(b 0 )/m(b s ) = (PDG 2006) ξ = (M. Okamoto, hep-lat/ ) m d = ± (PDG 2006) V td / V ts = (stat + syst) Si confronta col risultato di Belle da processi b dγ (hep-ex/ ): V td / V ts = (stat) (syst)

28 Conclusioni Osservata una segnatura sperimentale consistente con l oscillazione di sapore del sistema B s. Probabilità di una fluttuazione casuale del fondo: 0.5%. Prima misura diretta della frequenza di oscillazione del mesone B s : m s = (stat) ± 0.07 (syst) ps V td / V ts = (stat + syst)

29 Backup

30 Sistema di tracciamento di CDF ToF cm 3 Bicron BC-408 scintillator bars 100 ps resolution; 2σ K/π separation for tracks with p T <1.6 GeV/c. Muon 4 layers of single wire drift cells cover the rigion η <1; Solenoid 1.4 T field LAYER00 1 radiation-hard silicon layer at R = 1.5 cm. COT 1.4 m radius Ar-Ethane multiwire drift chamber 96 layers, 200ns drift time; precise p T above 0.4 GeV/c, precise 3D tracking for η <1: σ(p T )/p T [GeV/c] 1 σ(hit) 150 µm de/dx provides 1.4σ K/π separation for p T >2 GeV/c. SVX II - ISL 6 (7) double-sided micro-strip Si layers between 3 cm < R < 30 cm standalone 3D tracking up to η =2; very good I.P. resolution: ~30 µm (~20 µm with L00). 30

31 Prestazione dei taggers εd 2 Hadronic (%) εd 2 Semileptonic (%) Muon 0.48 ± 0.06 (stat) 0.62 ± 0.03 (stat) Electron 0.09 ± 0.03 (stat) 0.10 ± 0.01 (stat) JQ/Vertex 0.30 ± 0.04 (stat) 0.27 ± 0.02 (stat) JQ/Prob ± 0.05 (stat) 0.34 ± 0.02 (stat) JQ/High p T 0.14 ± 0.03 (stat) 0.11 ± 0.01 (stat) Total OST 1.47 ± 0.10 (stat) 1.44 ± 0.04 (stat) SSKT 3.42 ± 0.98 (syst) 4.00 ± 1.02 (syst) 31

32 Profilo della Likelihood

33 Risultati precedenti su m s 33

34 Sensibilità a m s 95% CL Sensitivity (ps -1 ) World Avg 2006 D0 1 fb CDF 1 fb 34

35 Sistematiche su m s Syst. Unc. systematic uncertainties from fit model evaluated on toy Monte Carlo have negligible impact relevant systematic unc. from lifetime scale SVX Alignment 0.04 ps -1 Track Fit Bias 0.05 ps -1 PV bias from tagging 0.02 ps -1 All Other Sys < 0.01ps -1 Total 0.07 ps -1 35

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