Fisica del charmonio alle B-Factory

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1 Fisia del harmonio alle B-Fatory Silvano Tosi Università & INFN Genova XV-IFAE Lee 003 Silvano Tosi

2 Introduzione Le B-Fatory sono una sorgente opiosa di eventi ontenenti harmonio: tramite deadimenti dei mesoni B ovviamente, infatti BR(B X) ~ O(10 - ), ma anhe tramite altri proessi: nel ontinuo σ(e + e J/ψ X) ~.5 pb, via radiazione di stato iniziale (ISR) σ(e + e J/ψ γ) ~ pb, on ollisioni γγ: e + e e + e γ*γ* e + e (). Una breve panoramia dei risultati ottenuti più di reente alle B-Fatory (, Belle, CLEO) sulla fisia del harmonio verrà illustrata nel seguito.

3 Il harmonio alle B-Fatory Il harmonio per le B-Fatory è ovviamente di ruiale rilevanza per la misura di sinβ. I modi di deadimento del B 0 on harmonio nello stato finale sono i più puliti dal punto di vista sperimentale e teorio ( golden ): J/ψ K s, J/ψ K L, ψ(s) K s Nondimeno vari importanti aspetti della fisia del harmonio sono oggetto di studio: produzione del harmonio: misure di rapporti di deadimento e sezioni d urto, distribuzioni angolari; test di QCD non-relativistia (NRQCD): si tratta di uno strumento generale per la desrizione di produzione e deadimento del quarkonio pesante; la maggiore differenza rispetto a QCD perturbativa è la omparsa, oltre a termini di singoletto di olore, anhe di termini di ottetto di olore, spesso di grandezza omparabile o maggiore. spettrosopia del harmonio: riera di stati non anora osservati o mananti di onferma (1 1 P 1 (o h ), 1 S 1 (o η (S))) ; misure di massa e larghezza. Spettro del harmonio sotto la soglia di produzione di DD. 3

4 Charmonio nei deadimenti eslusivi dei mesoni B 4

5 Rapporti di deadimento eslusivi dei B Sono state riportate le misure di numerosi rapporti di deadimento dei mesoni B in stati ontenenti harmonio on preisione omparabile, o migliore, rispetto al PDG. 1 fb -1 1 fb -1 Definizioni: E è la differenza in energia tra il andidato B e il valore atteso: E = * * E B E beam m ES è la massa del andidato B a ui è imposta l energia dei fasi: m ES E * beam Si tratta di variabili on orrelazione molto piola. = p * B Belle 9 fb -1 5

6 Modo B 0 η K 0 B + η K + B 0 J/ψ K 0 B + J/ψ K + B 0 J/ψ K* 0 B + J/ψ K* + B 0 J/ψ π 0 B + J/ψ π + B + J/ψ π + /B + J/ψ K + B 0 J/ψ K 10 (170) B + J/ψ K 1+ (170) B + J/ψ K 1+ (1400)/J/ψ K 1+ (170) B 0 ψ(s) K 0 B + ψ(s) K + B 0 χ 1 K 0 B + χ 1 K + B 0 χ 1 K* 0 BR eslusivi dei B (ont.) ( ) Sommario dei BR del B 0 (e del B ± ) per i modi utilizzati nelle misure di asimmetria: BR( 10-4 ) Belle (9 fb -1 ) (1 fb -1 ) 10.6 ±.8 ± 1.1 ± ± 1.9 ± 1.5 ± ± 0.4 ± ± 0.3 ± ± 0.5 ± ± 0.9 ± ± 0.06 ± 0.0 (3.91 ±0.78 ±0.19) % 6.8 ± 1.0 ± ± 0.5 ± ± 1.4 ± ± 0.8 ± ± 1.4 ± ± 0.4 ± ± 0. ± ± 0.5 ± ± 0.7 ± ± 0.05 ± ± 0.06 ± ± 3.4 ± ± 3.4 ± 3.9 < ± ± 0.6 Stati finali onsiderati: η K s K ± π m K + K π 0 J/ψ e + e 6 µ + µ ψ(s) e + e µ + µ J/ψπ + π χ 1 J/ψ γ

7 Rapporto di deadimento di B ± χ 0 K ± Nel limite della fattorizzazione naïve, il deadimento B ± χ 0 K ± risulta proibito se si onsiderano soltanto termini di singoletto di olore. Tuttavia inludendo un termine di ottetto di olore nel alolo on NRQCD, si può attendere B(B ± χ 0 K ± )~B(B ± χ 1 K ± ) = (6.5 ± 1.1) χ 0 π + π χ 0 K + K Riostruzione di χ 0 tramite modi di deadimento adronii a due orpi. preliminare 70 fb -1 χ 0 π + π e χ 0 K + K B(B ± χ 0 K ± )=(.4±0.7) 10 4 (ombinato) Belle 9 fb -1 χ 0 π + π B(B ± χ 0 K ± )=( (stat)±1.1(syst)) 10 4 Il B(B ± χ 0 K ± ) risulta O(B(B ± χ 1 K ± )): iò suggerise sia orretto trattare la produzione del harmonio in NRQCD inludendo termini di ottetto di olore. 7

8 Osservazione di B 0,± η (S)K 0,± L unia osservazione di η (S) sino allo sorso anno era stata riportata da Crystal Ball nel deadimento radiativo di ψ(s) on massa (3594±5) MeV/. Crystal Ball, 1981 Dai modelli di potenziale si attende 365 < m(η (S)) < Spettro inlusivo fotoni da ψ dopo sottrazione fondo η (1S) J/ψ Belle 4 fb -1 η (S) Riostruzione di B 0 (K s K ± π m ) K s e B ± (K s K ± π m ) K ±, on K s π + π. Il ontenuto di ogni bin di m(k s K ± π m ) è estratto on un fit simultaneo alle distribuzioni di m ES e E: bin 3.6< m(k s K ± π m ) <3.66 N(η (S)) = 39 ± 11 tot Γ η ( S ) < 55 MeV/,90% C. L. C Mη C ( S ) = 3654 ± 6 ± 8 MeV/ Probabilità di fluttuazione del fondo ~10-8. BR BR ± m ( B η (S) K ) BR ( η(s) K sk π ) ± m ( B η (1S ) K ) BR ( η (1S ) K K π ) = 0.38 ± 0.1 ± 0.05 Il valore entrale della massa risulta molto lontano dalla misura di Crystal Ball. 8 s

9 Deadimenti rari eslusivi B J/ψX Si tratta di modi soppressi per vari meanismi: J/ψπ + π : soppressione di Cabibbo e di olore, studio ontributi di pinguino e test SM (previsione SM B(B 0 J/ψπ + π ) = ); J/ψ η ( ) : soppressione di Cabibbo; J/ψ φ : proede attraverso proessi di resattering; J/ψ φ Κ : di interesse per la riera di stati ibridi. B 0 J/ψ η ( ) B 0 J/ψ φk B 0 J/ψ φ B ± J/ψ φ Κ ± 4.4 ± 1.4 ± 0.7 B 0 J/ψ φ Κ ± 3.8 ± 1.8 B 0 J/ψ φ < 0.95 (90% CL) B(B J/ψ X) ( 10-5 ) Belle B 0 J/ψη <.7 (90% CL) < 1.4 (90% CL) B 0 J/ψη < 6.4 (90% CL) B 0 J/ψπ + π 4.6 ±0.7 ±0.6 B 0 J/ψρ ± 0.6 ± ± 0.5 ± 0.7 K S ρ 0 J/ψπ + π 9

10 Charmonio nei deadimenti inlusivi dei mesoni B 10

11 Produzione inlusiva del harmonio B ()X La produzione inlusiva del harmonio può essere ben trattata in NRQCD. I dati fuori dal pio di ϒ(4S) sono usati per studiare il fondo ontinuo. I BR diretti sono ottenuti sottraendo i BR dei deadimenti intermedi noti (es. per χ J, ψ(s) χ J γ ). Belle χ 1 χ B(B ()X) (%) (~0 fb -1 ) Belle (~9 fb -1 ) CLEO (~9 fb -1 ) J/ψ ± 0.01 ± ± ± ± J/ψ diretta ± 0.03 ± ± ± ± ψ(s) 0.97 ± 0.00 ± ± ± 0.03 ± χ ± ± ± 0.0 ± ± 0.09 ± ± 0.06 χ diretta ± ± ± 0.0 ± ± ± χ 0.10 ± ± ± < 0.0, 95% C.L χ diretta ± ± ± 0.07 < 0.17, 95% C.L Stati finali onsiderati: J/ψ e + e Similmente a χ 0, la produzione di χ è vietata in approssimazione di fattorizzazione. 11 µ + µ ψ(s) e + e µ + µ J/ψπ + π χ J J/ψγ

12 Produzione inlusiva del harmonio (ont.) Misure di polarizzazione: CLEO α(j/ψ diretta)=-0.46±0.06, α(j/ψ diretta)=-0.30 ±0.04, α(ψ(s))=-0.45 ±0.04 osϑ h CLEO dati singoletto di olore ottetto di olore La distribuzione di p CM favorise nettamente l inlusione p ψ (GeV/) di termini di ottetto, ma si osserva un eesso a bassi impulsi, he può segnalare presenza di harm intrinseo nel B (Phys. Rev. D64, ) oppure produzione di ibridi sdg (Phys. Rev. D65, ) o barioni (Phys. Lett. B411, 15). 1

13 Misura di B(B + J/ψpΛ) e B(B 0 J/ψpp) Studio della produzione assoiata di harmonio e barioni nei deadimenti dei B. J/ψ pλ : 4 eventi nella regione di segnale on fondo atteso di 0.1±0.14; prob.( 4, attesi 0.1 ±0.14) =.5x10-4 (3.5 σ). B(B + J/ψ pλ)=( )x10-6 < 6x % C.L. Nessuna evidenza di produzione di risonanze esotihe: si dovrebbe avere una distribuzione stretta di p*. J/ψ pp: 1 evento nella regione di segnale (fondo atteso 0.67±0.17): B(B 0 J/ψ pp) < 1.9x % C.L. Questi BR non sono suffiienti a spiegare l eesso a bassi nello spettro di p*(ψ) osservato in preedenza. 13

14 Produzione del harmonio nel ontinuo a energia ~10.6 GeV: eventi e + e qq; eventi di ISR; ollisioni γγ. 14

15 Produzione del harmonio nel ontinuo qq NRQCD è in grado di spiegare la grande sezione d urto di produzione di ψ osservata nelle annihilazioni pp a CDF. singoletto Meanismi di produzione nel ontinuo: e + e - J/ψ+gluoni in singoletto o ottetto di olore; e + e - J/ψ in singoletto di olore. Predizioni in NRQCD: σ(j/ψ gg) > 10 σ(j/ψ ); σ(e + e - J/ψ X) ~ pb. Belle J/ψ ψ(s) Nessun segnale di ontributi di ottetto. σ(j/ψ X) = (1.47±0.10±0.13) pb σ(j/ψ X) = (1.05±0.04±0.09) pb σ(j/ψ dir X) = (0.7± )pb σ(ψ X) = (0.67± )pb σ(χ 1 X) < 0.35 pb σ(χ X) < 0.66 pb Belle (3 fb -1 ) S+1 L J (8) (3 fb -1 ) σ(j/ψ X) = (.5±0.1±0.1) pb σ(j/ψ X) = (1.87±0.10±0.15) pb 15 γ* ψ gg p*> GeV/ 3 S 1 (1) ψ γ* ottetto ψ ψ 3 S 1 (1) γ* ψ g ψ

16 Osservazione di e + e : doppio harmonio effiienza m regione di J/ψ banda laterale di J/ψ Si sono osservati i segnali di η, χ 0 e η (S) prodotte insieme a J/ψ : N m(gev/ ) signifiatività η ± σ Belle 46 fb -1 η χ 0 η (S) χ ± σ 15 η (S) ± σ Ulteriore osservazione di η (S): il valore entrale della massa risulta inferiore di 30 MeV/ al valore in B η (S) K (vedi anhe seguito). σ ( + e e J / ψη ( γ )) BR( η 4trae) = ( ± 0.009) pb Belle (preliminare) 87 fb -1 Questo risultato non è spiegabile in NRQCD, he prevede σ(e + e J/ψη ) ~ 0.00 pb. = rinulo di ψ(s) 16 η χ 0 η (S)

17 Osservazione di e + e : J/ψ+harm aperto Belle 46 fb -1 D* ± σ σ ( + 0 e e J D X ) / ψ = (0.87 ± 0.0) pb * ( e e J / ψd X ) = (0.53 ± 0.14) pb 0.15 D 0 Assumendo il modello di Lund per la produzione di mesoni harmati nella frammentazione di. Da ui, assumendo il modello di Lund per la stima della produzione di mesoni harmati nella frammentazione di : σ ( + e e J ) / ψ = ( ) pb 0.19 ± σ σ ( + e e J ψ ) ( + e e J / ψx ) / 0. = ± J/ψ risulta la omponente dominante! 0.1 Anhe questi risultati non sono spiegabili in NRQCD, neanhe on rilassamento di aluni parametri: σ(e + e J/ψ) ~ pb. D 0 D* D s + Λ Belle preliminare 87 fb -1 17

18 Charmonio in eventi di ISR Selezione di eventi e + e γµ + µ. σ J / ψ 1πΓ eeγ ( s) = m. s. Γ tot µµ W( s, x 0 ); x 0 = (1 dalla misura di σ e noti (dal PDG) Γ ee /Γ tot e Γ µµ /Γ tot si possono riavare Γ ee e Γ tot. m s ) preliminare ~8000 eventi nel pio Interferenza on il proesso non risonante e FSR tenuti in onsiderazione nell errore. χ /ndf = 14/144 risultati preliminari PDG Γ Total J ψ / = 94.7 ± 4.4keV/ Γ Total J ψ / = 87 ± 5keV/ Γ ee J ψ Γ ee J ψ / = 5.61± 0.0keV/ / = 5.6 ± 0.37keV/ Risultati preliminari anhe da e + e γ π + π π + π : obiettivo misura di R HAD (s). m µµ (GeV/ ) ψ(s)->j/ψπ + π - J/ψ->π + π - π + π - preliminare 18

19 Charmonio nel γγ: proprietà di η Selezione di eventi e + e e + e η, on η K s K ± π m e K s π + π ( BR(η K s K ± π m ) BR(K s π + π ) = (1.3±0.4)% ). 88 fb -1 J/ψ (da ISR) usata ome ontrollo per la risoluzione sperimentale. Γ TOT η C Larghezza η = 33.3±.5 ± 0.8MeV/ Massa η M = ± 1. ± 1.8MeV/ η C Inoltre usando Γtot 9α s α s / π = Γ 8α 1 3.4α π γγ s / Γ γγ = ( 7.5 ± 0.8)keV si riava α s = 0.308±0.014 MeV/ MeV/ 19

20 Charmonio nel γγ: osservazione di η (S) Con lo stesso metodo: 88 fb -1 risultato preliminare: N(η (S)) = 86 ± 3 Γ tot η C ( S ) = 0 ± 10 ± 4 MeV/ Mη C ( S ) = 363. ± 5.0 ± 1.8 MeV/ Questa misura della massa di η (S) risulta in aordo entro 1σ on la misura di Belle nel doppio harmonio (368±8) MeV/ (*). Peggiore è l aordo di entrambi i valori on la misura ottenuta on B η (S) K. (*) valore preliminare aggiornato per 87 fb -1. Crystal Ball (ψ ) Belle (B) Belle () m(η (S)) MeV/ Γ(η (S)) MeV/ (γγ)

21 Charmonio nel γγ: misura di Γ γγ (χ ) Riostruzione di χ J/ψγ, J/ψ l + l ( BR(χ J/ψγ, J/ψ l + l )=(1.59±0.13)% ) Belle 3.6 fb -1 regione di J/ψ Da varie previsioni teorihe: 0.< Γ γγ (χ ) <0.8, in QCD perturbativa Γ γγ (χ ) = (0.47 ± 0.13) kev. banda laterale di J/ψ ( χ J / ψγ ) BR( J / ψ l + l ) Γγγ ( χ ) BR = ( 13.5 ± 1.3( stat ) ± 1.1( syst ))ev da ui: Γ γγ ( χ ) = ( 0.85 ± 0.08( stat ) ± 0.07( syst ) ± 0.07( BR )kev ) = m(j/ψ γ)-m(j/ψ) (GeV/ ) Γ γγ (χ ) kev 1

22 Conlusioni Numerose interessanti misure sulla fenomenologia del harmonio sono possibili alle B-Fatory e molti risultati sono stati già pubbliati. Lo studio dei meanismi di produzione del harmonio ha rievuto nuovi input. Altre misure su argomenti di interesse sono attualmente in orso: misura delle masse di B e ϒ(4S) sfruttando il ampione di eventi B ψk ollezionato (ampione di elevata statistia e purezza); misura dei rapporti di deadimento B(ϒ(4S) B + B ) e B(ϒ(4S) B 0 B 0 ); verifia della presenza di harm intrinseo nei B: riera di B ψd ( ) ; riera degli altri stati mananti dello spettro del harmonio (h, stati S+1 D J ); E si sta aumulando molta altra statistia!

23 Pagine di riserva 3

24 Ampiezze di deadimento in B J/ψK* Stati finali: J/ψ µ + µ,e + e ;K *0 K s π 0,K ± π m ;K *± K s π ±,K ± π 0 ;K s π + π. Lo stato finale può avere L=0,1,; le varie omponenti possono essere separate on lo studio delle distribuzioni angolari. Importante anhe per la misura di sinβ on B 0 J/ψ K *0 (K s π 0 ): in questo modo vengono separate le omponenti on CP=+1 e 1. Vengono definite 3 ampiezze: A 0, A (onda S + D, P-pari) e A (onda P, P-dispari). Belle 9 fb -1 Belle A 0 0.6±0.0± ±0.03±0.0 A 0.19±0.0± ±0.03± fb -1 arg(a ).83±0.19± ±0.0±0.08 arg(a ) -0.09±0.13± ±0.16±0.07 essendo A 0 + A + A =1, arg(a 0 /A ) 0. Una deviazione di arg(a ) da 0 o π suggerise la presenza di interazioni di stato finale (FSI). 4