Produzione di Sapori Pesanti nelle Collisioni γγ al LEP

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1 nelle Collisioni al LEP Collaborazione L3 La fisica al LEP Produzione inclusiva di charm Prima evidenza di produzione inclusiva di beauty Produzione esclusiva di charmonio Conclusioni

2 Introduzione LEP 1 LEP 1.5 LEP Year /00 L/expt. (pb -1 ) W>2GeV e + e e + e e + e l + l e + e e + e e + e hadrons σ (nb) 1 e + e - -1 Z/ hadrons s (GeV) e + e - W + W - hadrons A LEP2 le collisioni fotone-fotone sono il processo dominante! Alta sezione d urto Basso fondo nelle Collisioni al LEP (page 2)

3 Cinematica e - e - θ 1 P 1 = (E 1, p 1) P 1 = (E 1, p 1 ) q 1 = (ω 1, q 1 ) q 2 = (ω 2, q 2 ) P 2 = (E 2, p 2 ) e + P 2 θ 2 = (E 2, p 2) e + Q 2 = q 2 1 0,P 2 = q no-tag I due elettroni primari sono diffusi a basso angolo e non vengono rivelati: W << E fascio processi inclusivi: adroni processi esclusivi: formazione risonanze Q 2 >> m 2 e, P 2 0 single tag Fotone sonda e fotone bersaglio Funzioni di struttura del fotone (QED, QCD) Q 2 >> m 2 e, P 2 >> m 2 e double tag la cinematica (W ) è nota (no unfolding) pomerone (BFKL) nelle Collisioni al LEP (page 3)

4 adroni e + e + e + e + q ρ, ω, Φ q ρ, ω, Φ e - e - e - Direct e - VDM e + e + e + spectator e + jet g g q g g g e - e - spectator e - jet e - q spectator jet Double Resolved Single Resolved VDM domina, soprattutto a basse energie nelle Collisioni al LEP (page 4)

5 Produzione inclusiva di charm e beauty e + e + e + e + c, b c, b e - e - c, b e - g e - c spectator jet, b Direct Single Resolved VDM e double risolved sono trascurabili Sezione d urto calcolabile in pqcd Direct dipende da m c (m b ) e α s Single resolved : fusione gluone-fotone σ(e + e e + e c c) 0 σ(e + e e + e b b) nelle Collisioni al LEP (page 5)

6 Produzione esclusiva di charmonio No Tag Collisione tra fotoni quasi reali R deve essere un mesone neutro, senza sapore, con C=+1, J 1 η c (2S) hadrons η c (1S) hadrons π π hadrons ψ (2S) hadrons η, π o radiative χ c0 (1P) hadrons J/ ψ (1S) χ c1 (1P) χ c2 (1P) hadrons hadrons The Charmonium System J PC = Solo η c, χ c0, χ c2 Single Tag R deve essere un mesone neutro, senza sapore, con C=+1 nelle Collisioni al LEP (page 6)

7 La sezione d urto σ(e + e e + e X) = d 5 L(α i ) σ( X) X è lo stato finale La funzione di luminosità L è calcolabile in QED e dà il flusso dei fotoni emessi σ(e + e e + e X) aumenta come α 4 log 2 ( E fascio m e ) Monte Carlo per adroni: PHJET: R.Engel e J.Ranft (Phys.Rev. D54(1996)4246) PYTHIA: T.Sjöstrand e G.A.Schuler (CPC 98(1994)74) nelle Collisioni al LEP (page 7)

8 La sezione d urto Per i processi esclusivi: Nel caso no-tag Γ Γ R σ( R) = 8π(2J + 1) (m 2 R W ) m 2 R Γ2 R La relazione di proporzionalità permette di misurare Γ. Nel caso single-tag σ(e + e e + e R) = K Γ σ( R) = σ( R) Q 2 =0 F 2 (Q 2 ) dove F(Q 2 ) è il fattore di forma (VDM) ( ) F(Q 2 1 ) = 1 + Q 2 /Λ 2 nelle Collisioni al LEP (page 8)

9 I rivelatori della fisica a due fotoni Hadron Calorimeter Barrel SLUM Hadron Calorimeter Endcaps HC1 BG HC3 HC2 Z chamber TEC BG Luminosity Monitor FTC SMD RB24 Active lead rings Sottorivelatori maggiormante utilizzati per la fisica a due fotoni: Rivelatore centrale di tracce Calorimetro elettromagnetico Rivelatori a basso angolo per il TAG : LUMI & VSAT Trigger basato sul rivelatore centrale di tracce nelle Collisioni al LEP (page 9)

10 Un evento esclusivo Run # Event # 287 Total Energy :.78 GeV + y z x nelle Collisioni al LEP (page )

11 Selezione adronica Numero di tracce W visibile E visibile Events Data (91 GeV) MC, ee eeqq (Pythia) MC, ee ττ,eeττ; Z qq a) E vis / s Data (183 GeV) b) MC, ee eeqq (Pythia) MC, ee qq,ττ,eeττ,ww Events E vis / s Fondo dell ordine del 1% a LEP1, <1% a LEP2! nelle Collisioni al LEP (page 11)

12 Sezione d urto totale e + e e + e adroni dσ (e + e - e + e - hadrons)/dw [nb/gev] L3 91 GeV 133 GeV 161 GeV 183 GeV Preliminary 189 GeV Preliminary adroni W [GeV] 600 L3 PAL σ [nb] Minijet model Dual Parton Model Schuler-Sjostrand VDM W [GeV] nelle Collisioni al LEP (page 12)

13 Produzione inclusiva di charm Lepton tag L3: elettroni, muoni (Phys.Lett.B 453(1999)83) + (Preliminare dati 1999) ALEPH: muoni (Preliminare) D* tag - D ± D 0 π ± soft ALEPH: dati LEP I (Phys.Lett.B355(1995)595) L3 (Phys. Lett. B 467(1999)137) PAL(CERN-EP/99-157) K 0 s tag PAL (Eur.Phys.J. C6(1999)253) L3 (Preliminare) Soft pion nelle Collisioni al LEP (page 13)

14 Lepton tag: L3 Decadimenti semileptonici L=4 pb 1, s=189, 202 GeV Identificazione degli elettroni: P e > 0.6 GeV, 2455 eventi 500 Data (189 GeV) Prel. MC, electrons MC, non-electrons 400 number of events E t /P t Identificazione dei muoni: P µ > 2.0 GeV, 308 eventi nelle Collisioni al LEP (page 14)

15 Direct e Resolved 1/N[dE/dη] Data (183 GeV) All Resolved Direct η Il processo Resolved è necessario! Stima della frazione dei leptoni provenienti dal charm mediante MC Misura della sezione d urto e + e e + e c c nelle Collisioni al LEP (page 15)

16 D tag: L3 L=176 pb 1, s= 189 GeV D ± D 0 π ± s, D 0 K ± π, D 0 K ± π π 0 Eventi: 2±17, 42±11 Combinations / 1.5 MeV a) Combinations / 1.5 MeV b) M(K - π + π + ) - M(K - π + S ) [GeV] dσ/dp D* T [pb/gev] 3 2 M(K - π + π o π + ) - M(K - π + π o S ) [GeV] Sezioni d urto differenziali DATA Massless NL QCD GS AFG GRV H dσ/d η D* [pb] DATA Massless NL QCD GS AFG GRV H p D* T [GeV] η D* nelle Collisioni al LEP (page 16)

17 D tag: PAL L=220 pb 1, s=183, 189 GeV Eventi: 0±13 no-tag, 30±6 single-tag D ± D 0 π ± s, D 0 K ± π, D 0 K ± π π + π Events 0 PAL tagged events anti-tagged events wrong-charge combination Fit of f( M) = a ( M-m π ) b M [ MeV ] Sezioni d urto differenziali dσ/dp T D* [ pb / GeV ] 2 L3, s=189 GeV PAL, s= GeV η D* < 1.5, e + e - e + e - D * X NL (massless, Binnewies et al.) GRV, m c = 1.5 GeV µ R = µ F /2 = ξ m T GRV AFG GS f(c D * ) = ε c = NL (massive, Frixione et al.) GRS, µ F = 2m T, f(c D * ) = 0.270, ε c = upper: m c = 1.2 GeV, µ R = 2m T (dir),m T /2(res) lower: m c = 1.8 GeV, µ R = m T /2(dir),2m T (res) p T D* [ GeV ] dσ/d η D* [ pb ] massless NL (Binnewies et al.): m c = 1.5 GeV, µ R = µ F /2 = m T, GRV massive NL (Frixione et al.): PAL f(c D * ) = ε c = m c = 1.2 GeV, µ R = 2 m T (dir) / m T /2 (res) m c = 1.5 GeV, µ R = m T m c = 1.8 GeV, µ R = m T /2 (dir) / 2m T (res) f(c D * ) = ε c = GRS, µ F /2 = m T 2 < p T D* < 12 GeV η D* nelle Collisioni al LEP (page 17)

18 Direct e Resolved x D T = 2pD T W visibile Permette di separare i contributi Direct e Resolved! Events PAL data PYTHIA: 51% direct PYTHIA: 49% single-res D* x T Sezione d urto e + e e + e c c: σ dir = 401 ± 124 pb σ res = 562 ± 202 pb nelle Collisioni al LEP (page 18)

19 Funzione di struttura F 2,c Eventi Single-tag d2 σ(e + e e + e c c) dxdq 2 2πα 2 xq 4 F 2,c (x,q2 ) (flusso fotoni quasi reali) σ(e + e - e + e - cc - ) [pb] <Q 2 > = 20 GeV 2 PAL (a) NL (Laenen et al.) L HERWIG Vermaseren x F 2,c(x,< Q 2 >) / α 0.4 <Q 2 > = 20 GeV 2 GRS-L point-like PAL (b) NL (Laenen et al.) NL hadron-like L 0.2 x x Q2 Q 2 +W 2 La componente hadron-like è necessaria! F 2,c misurata per la prima volta! nelle Collisioni al LEP (page 19)

20 Produzione inclusiva di beauty: L3 p t rispetto al jet più vicino I leptoni provenienti dai quark b hanno più alto p t Muoni ed elettroni P µ > 2.5 GeV Data (189 GeV), muons P µ L3 t > 1.5 GeV 2 MC, ee eeqq (PYTHIA udscb) MC, ee eeqq (PYTHIA udsc) MC, ee qq,ττ,ww,eeττ N µ ev = 49 ε µ b = 0.9% Π µ b = 34% number of events p t (GeV) number of events 2 L3 Data (189 GeV), Electrons MC, ee eeqq (PYTHIA udscb) MC, ee eeqq (PYTHIA udsc) MC, ee qq,ττ,ww,eeττ P e > 2.0 GeV P e t > 1.0 GeV N e ev = 96 ε e b = 1.6% Π e b = 28% p t (GeV) Prima evidenza di produzione di beauty in! Muoni: Elettroni: Combinato: σ b b =.3 ± 4.6(stat) ± 3.3(syst) pb σ b b = 9.6 ± 3.6(stat) ± 4.1(syst) pb σ b b = 9.9 ± 2.9(stat) ± 3.8(syst) pb nelle Collisioni al LEP (page 20)

21 Sezioni d urto σ(e + e - e + e - cc,bb X) pb 3 2 L3 lept., prel. L3 D*, prel. ALEPH lept., prel. PAL D*, direct only L3 lept. ALEPH D* AMY lept.,π s TPAZ D*,π s,lept. VENUS lept. TASS D* JADE D* TPC/2 D* m c =1.3 GeV m c =1.7 GeV m b =4.5 GeV m b =5.0 GeV QCD direct bb s (GeV) Il processo Resolved è necessario! Evidenza di contenuto gluonico nel fotone m c 1.3 GeV è favorita nelle Collisioni al LEP (page 21)

22 K 0 s tag: PAL e L3 dσ/d p t (pb/gev) 3 2 L3 Preliminary PAL p t (GeV) Basso p t : VDM domina, andamento e p t/<p t > con < p t >= 357 ± 8 MeV Alto p t : Direct domina: 50% dei K 0 s provengono dalla produzione di charm nelle Collisioni al LEP (page 22)

23 La η c (2980) Canale BR (%) Stato finale K + K π + π carichi ρ + ρ (ρ ± π ± π 0 ) 1.73 ± carichi, 4 fotoni η()π + π 1.28 ± carichi, 2 fotoni K 0 S(π + π )K ± π 1.26 ± carichi, 1 vert. sec. π + π π + π 1.2 ± carichi π 0 K + K 0.90 ± carichi, 2 fotoni η (ρ 0 )π + π 0.83 ± carichi, 1 fotone η(π 0 π + π )π + π 0.76 ± carichi, 2 fotoni η (η π + π )π + π 0.47 ± carichi, 2 fotoni 400 L3 Number of Events / 50 MeV All untagged data η c Monte Carlo Mass [GeV] nelle Collisioni al LEP (page 23)

24 La η c (2980) 9 modi di decadimento Branching ratio totale : % Combinando tutti i canali: Γ (η c ) = 6.9 ± 1.7 (stat.) ± 0.8 (sys.)± 2.0 (BR) kev Segnale del χ c0 (3415) Nessun segnale dell η c Il fattore di forma dell η c 1 data ρ-pole J-pole flat L3 F 2 (Q 2 ) Q 2 [GeV 2 ] VDM J/ψ pole è favorito! Phys.Lett.B 461(1999)155 nelle Collisioni al LEP (page 24)

25 La larghezza dell η c PLUT(86) DESY TPC (88) PEP/SLAC CLE (90) CESR L3 (93) LEP ARGUS (94) DRIS E760 (95) FNAL L3 This Analysis LEP E760 Photon 99 FNAL 28± ±1.9 8±2.3± ± ± ±1.7± ±1.5 PDG ± Γ(η c ) KeV nelle Collisioni al LEP (page 25)

26 Il χ c2 (3555) χ c2 J/ψ e + e, µ + µ 20 a) L3 Data Number of Events / 35 MeV 0 b) Data: J sidebands M = M(l + l ) M(l + l ) M [GeV] M(l + l ) M(J/ψ) <250 MeV Γ (η c ) = 1.02 ± 0.40 (stat.) ± 0.15 (sys.)± 0.09 (BR) kev Phys.Lett.B 453(1999)73 nelle Collisioni al LEP (page 26)

27 Il χ c2 (3555) Events / 50 MeV PAL s ee = 91 and 183 GeV M l l - M l l [ GeV/c 2 ] Stesso metodo Phys.Lett.B 439(1998)197 Γ (η c ) = 1.76 ± 0.47 (stat.) ± 0.37 (sys.)± 0.15 (BR) kev nelle Collisioni al LEP (page 27)

28 La larghezza del χ c2 R704 (87) ±1.7 TPC (93) PEP/SLAC E760 (93) FNAL CLE (94) CESR PAL This Analysis LEP L3 This Analysis LEP E760 Photon 99 FNAL 3.4±1.7± ±0.078± ±0.30± ±0.46± ±0.40± ±0.05±0.04 PDG ± Γ(Χ c2 ) KeV nelle Collisioni al LEP (page 28)

29 La ricerca dell η c DELPHI: Γ (η c ) Γ (η c ) Nessun segnale! < 0.34 kev (90% C.L.) (Phys.Lett.B441(1998)479) L3 : Γ (η c) < 2.0 kev (95% C.L.) nelle Collisioni al LEP (page 29)

30 Conclusioni Contributo fondamentale del LEP allo studio dei sapori pesanti nelle collisioni fotone-fotone Misura della produzione inclusiva di charm con vari metodi di identificazione: Accordo tra i vari esperimenti e con le predizioni della QCD Evidenza del processo Resolved : g fusion Evidenza del contenuto gluonico del fotone Prima osservazione della produzione di beauty Prima misura della funzione di struttura F 2,c Processi esclusivi: Misure della Γ degli stati di charmonio: η c e χ c2 Prima misura del fattore di forma della η c Limiti superiori sulla formazione della η c Molto è stato fatto ma... molto è ancora da fare! nelle Collisioni al LEP (page 30)