Physics reach di LHCb nel prossimo run. Marta Calvi

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1 Physics reach di LHCb nel prossimo run Marta Calvi Università di Milano Bicocca e INFN CSN1 31 Marzo 2010

2 Premessa LHC è ripartito a TeV incomincia la prima presa dati da collisioni pp ad alta energia!! LHCb è funzionante e pronto per incominciare ad adempiere il suo mandato: rispondere alle domande ancora aperte sul Modello Standard e andare oltre, alla ricerca di Nuova Fisica. Le ricerche indirette nella Fisica del Sapore sono sensibili alla presenza di nuove particelle anche ad alte scale di massa in processi dominati da diagrammi a box e loops. Non hanno soglie energetiche: il potenziale di scoperta di LHCb è alto anche a s=7 TeV. Se si avrà una luminosità integrata ~0.5-1 fb -1 LHCb potrà già coprire una parte significativa del suo programma ( 1 anno nominale prevedeva 2 fb -1 ). 2

3 Sommario LHCb: prestazioni previste alla luce dei dati già raccolti. - Primi risultati di Fisica dal run 2009: luminosità e sezione d urto per K S prompt. Prossimo run: previsioni del MC, sezione d urto bb, luminosità. Physics reach di LHCb con L int = pb Alcune delle misure previste - Potenziale di scoperta nei canali benchmark. 3

4 Commissioning data ( ) Dati disponibili Cosmici: diversi milioni di eventi, ma accettanza molto limitata in LHCb allineamento temporale di Calorimetri, Camere Mu, OT. LHC test di iniezione fasci : TED runs (Transfer line External beam Dump). Qualche migliaio di eventi. allineamento spaziale preliminare del tracking: VELO,TT,IT. LHC run Nov: primi eventi con Magnet on Dic: physics run protoni a 450 GeV Collisioni pp (circa 260k eventi) e beam-gas (circa 90k) commissioning iniziale di tutto il rivelatore. Necessari molti più eventi, e ad alta energia, per completare le procedure di allineamento e calibrazione in attesa dei primi dati Il commissioning completo del rivelatore e la comprensione dei dati avverrà col tempo, man mano che la statistica cresce. 4

5 Prime collisioni 2009: GeV 5

6 Blue: vertices in beam1-empty collisions Red: vertices in beam2-empty collisions Velo A-side x Green: vertices in beam-beam collisions including beamgas interactions z Velo C-side 6

7 Fasci a 450 GeV: VELO aperto Il VErtex LOcator di LHCb ha 21 stazioni con sensori in R e, è diviso in 2 parti mobili che giungono a 8mm dal fascio di LHC in fase di presa dati. Nella fase di iniezione sono retratte di 30 mm. Possono essere chiuse completamente solo se E fascio >2 TeV A GeV presa dati con VELO aperto a ±15 mm accettanza in ridotta risoluzione di vertice ridotta, ma in buon accordo col MC. Accettanza VELO vs. φ Risoluzione di vertice dati MC Con VELO chiuso la risoluzione è prevista migliorare di un fattore 10. φ 7

8 Risoluzione su impulso e massa Attualmente la risoluzione sull impulso è circa 20% peggiore che nel MC. Miglioramenti attesi con miglior allineamento e con l analisi di dati di J/ e altre risonanze. PDG: (2) MeV/c 2 PDG: (6) MeV/c 2 8

9 Identificazione di Muoni Cruciale per molti dei canali studiati ad LHCb : B J/ X, B s B K e FT. Identificazione basata sul numero di hits nei FOI nelle 5 camere. Buon accordo dati/mc. Prima stima della rate di mis-identificazione sui dati usando K S e p : =3.8±0.7 % Dati 2009 (prelim) =2.3±0.4 % MC (prelim) campione dominato dai decadimenti in volo. Likelihood completa non ancora calibrata. Necessarie J/ Run 2010: per misura dell efficienza. a L=10 30 cm -2 s -2 previsto 1Hz di J/ per calibrazione misura di efficienza all 1% con 1 ora di dati 9

10 HCAL trigger adronico Calorimetri ECAL,SPD,PRS trigger e identificazione elettroni/fotoni. Prima calibrazione delle PID con i dati 2009 usando ->ee e K S. In futuro anche J/ (ee) e D K. Risoluzione ottimale di ECAL non ancora raggiunta per scarsa statistica nella intercalibrazione cella-cella ( 7% ). E t (γ)> 300 MeV; E t (di-γ)> 2 GeV E t (γ)> 300 MeV; E t (di-γ)> 2 GeV π 0 η (π 0 veto) 2009 data 2009 data <m> = ( ) MeV/c 2 σ = (10.9±0.7) MeV/c 2 <m> = (547 5) MeV/c 2 σ = (24±3) MeV/c 2 MeV/c^2 10

11 Identificazione di Adroni dal RICH Allineamento e calibrazioni critici per una buona PID. Necessari molti più dati di quanti raccolti nel 2009, regioni esterne non coperte. Prime misure di efficienza e mis-id su dati usando K s e p In futuro D K da D*. proton ID Kaon ID segnale KK 11

12 Misura della Luminosità Diretta, dalla misura della correnti e forma dei fasci. Per due bunches collidenti: Misurati da LHC N 1,N 2 = numero di protoni per bunch f = frequenza di collisione = 11,246kHz Misurati da LHCb (VELO): Ricostruzione dei vertici di interazione beam-gas e beam-beam (posizioni, profili, angolo di collisione) Determinazione della sovrapposizione Proposto in: M. Ferro-Luzzi NIM A 553(2005)388 Prima MISURA su dati! 12

13 Ricostruzione dei vertici secondari Possibile con il VELO anche al di fuori della regione luminosa Distribuzione dei vertici ricostruiti lungo z Fit al profilo dei fasci con risoluzione sul vertice parametrizzata in funzione di z del numero di tracce. 13

14 Y(mm) Luminosità: risultati e prospettive Per il run 2009: L= 6.8 ± 1.0 b -1 Incertezza dominata da quella sulle correnti dei fasci (LHC): ±12 %. Profilo del fascio, offset, angolo ecc. (LHCb) : ±8% fasci a z=0 Prospettiva 2010: X(mm) Precisione ultima prevista da LHC per le correnti : 1% Ad alta energia dimensione dei fasci ridotta, ma risoluzione di vertice migliore. Altri effetti sistematici misura della luminosità prevista al 5% Misure indirette: Z precisione teorica su PDF ~3%, riducibile col fit a sez. d urto differenziale. Prevista misura con ~100 pb -1 al ~2%. Produzione elastica di-muoni: pp pp precisione finale in studio. 14

15 Sezione d urto inclusiva pp K S a 900 GeV Prima di una serie di misure inclusive su V 0 interessanti per confronti con diversi modelli di adronizzazione e frammentazione. Necessarie per il tuning del Monte Carlo. K S Risultati preliminari sul campione ricostruito da tracce senza richiedere hits nel VELO: maggior statistica, benché peggior risoluzione in massa. 15

16 Risultati preliminari su K S 13 runs dicembre Trigger calorimetrico: E T (HCAL) > 240 MeV or N hit (SPD) > 2. Efficienza ricostruzione stimata dal MC. Efficienza di trigger misurabile dai dati. Stimata da MC per poca statistica disponibile. Eventi di beam-gas (~1.5%) sottratti statisticamente. Sezione d urto produzione prompt K S, misurata in 5 bins di p T e 3 di rapidità: Risultati preliminari (Moriond QCD) Errore sistematico preliminare: ±10%, dominato da efficienza tracciamento e ricostruzione, fit. Errore su luminosità ±15%. 16

17 LHCb Physics Reach da studi MC Physics reach di LHCb a 14 TeV con 2 fb -1 (= 1 anno nominale a L=10 32 cm -2 s -2 ) per 6 canali di benchmark e altri discussa in dettaglio nelle roadmaps: arxiv Nel 2009 generazione massiccia di MC a 10 TeV con aggiornamento studi sul segnale, trigger e stripping (test su 10 9 eventi di mbias) performance simili ( o migliori) per quanto riguarda efficienze di selezione e B/S. Nuova produzione MC a 7 TeV in corso. Primi risultati non indicano differenze significative, ma: - la sezione d urto bb è inferiore - le efficienze di trigger possono essere superiori per run a bassa luminosità Tutte le analisi prevedono un uso massiccio dei canali di controllo per estrarre dai dati calibrazioni, efficienze, controllo delle sistematiche, ecc. 17

18 MC: dipendenza della sezione d urto da s Assunzione convenzionale usata da LHCb a s=14 TeV bb =0.500 mb Pythia 6.4 beam energy (TeV) Pythia 6.4 beam energy (TeV) Le previsioni del MC variano: Pythia mb Pythia mb (PDF:CTEQ4L CTEQ6L ) Pythia 6.4: 1.04 mb ( multiple parton-parton interaction model ) Stima di Pythia 6.4 al Tevatron: bb =45 b pp s=2tev, nell accettanza CDF y <1 Misura di CDF: σ(pp bx, y <1)= (stat) ± 6.2(syst) b 2.5 dalla previsione MC Assunzione conservativa di LHCb per quotare yields a 7 TeV: previsione di Pythia riscalata al valore di 0.5 mb per 14 TeV bb = mb a s=7 TeV circa un fattore ½ rispetto 14 TeV.e il risultato della misura sarà interessante! 18

19 Previsioni per Luminosità Nel 2010 è prevista una prima fase con piccolo numero di bunches, in cui LHC potrà runnare con L cm -2 s -1. In questa fase le rate in input al trigger saranno inferiori a quelle nominali. Poi LHC dovrebbe arrivare a runnare con 432 bunches, 7x10 10 protoni, 50 ns, per beta*=2-3m L=1.3 x cm -2 s -1 in LHCb e 85 pb -1 /mese. Nel 2011, le correnti potrebbero arrivare fino a 11x10 10 protoni, per beta*=2 m L=3.3x10 32 cm -2 s -1 e 209 pb -1 /mese in LHCb. Difficile fare previsoni. ma ci sono possibilità di raggiungere la luminosità nominale prevista per LHCb: L=2x10 32 cm -2 s -1 e integrare fino a 1 fb

20 High-Level Trigger Hardwar Trigger HLT2 HLT1 Level MHz (12 MHz visible interactions) 30 khz L0 e, ECAL Alley 2 khz 2 khz L0 had 1 MHz Had. Alley L0 Muon Alley Global reconstruction Inclusive selections, +track, Exclusive selections Storage: Event size ~40kB LHCb trigger Esempio: tuning per input <60kHz e solo L0+HLT1. Per rate maggiori si attiva anche HLT2, con fattori di riduzione di rate 5-20 ed efficienze 80-90%. Efficienze trigger per run a L=2x10 32 cm -2 s -2 ε(l0) ε(hlt) ε(tot) Hadronic 50% 80% 40% Electromagnetic 70 % 60% 40% Muon 90% 80% 70% Run 2010: Si continua ad usare tutta la banda a 2kHz. Finché la input-rate rimane bassa, le soglie di trigger possono essere abbassate aumentando tutte le efficienze. ε(l0+hlt1) B D(hh)K 89 % B hh 90 % B K* 86% B J/ 95% B K* 92 % 20

21 Fisica di LHCb a TeV L int Fisica mbias 10 pb -1 Produzione di charmonium Sezione d urto bb 100 pb -1 Fisica del charm 200 pb pb -1 1 fb -1 B s CPV in B s J/ B d K* CPV in canali adronici Prime misure canali adronici: B DK,B hh 21

22 Produzione di quarkonium e bb 2 prompt 2 b J / d N d N Misura di e dpt d dpt d da fit combinato alle distribuzioni di massa e pseudo-propertime in bins di p T e 3< <5). Minimum bias MC (14 TeV) dz t m Pseudo-propertime: J / J / p z S/B ~18 Inclusive J/ MC (14 TeV) A 7 TeV: 600k J/ ricostruite /pb -1 )~11 MeV/c 2 Con 5pb -1 errore statistico max ~10% per bin. Sistematica per polarizzazione della J/ per variazione dell accettanza in LHCb: fino a 25% se la polarizzazione è ignorata, ma può essere misurata con l analisi angolare completa. 22

23 Fisica del charm a LHCb LHCb è stato ottimizzato per fisica del b, ma risulta un buon rivelatore anche per la fisica del charm: alta sezione d urto di produzione ( cc ~10 bb nel MC) trigger dedicato (leptonico e adronico). A bassa luminosità può essere regolato per alte efficienze anche su prompt charm: L0xHLT1)~70% per D* D 0 (hh) Buona ricostruzione: M D )~6 MeV/c 2, D ~45 fs per D 0 hh. prompt secondary Fit del parametro d impatto del D per separare la componente prompt e secondaria (dal b). Altri fondi ben separati dalle distribuzioni di massa invariante dei D* e dei D. D 0 K MC IP(D 0 ) mm 23

24 D 0 K KK, Eventi flavour tagged dalla carica del pione soffice in D* D 0 Alta statistica attesa in 100 pb -1 : ~40 x10 6 D 0 K right sign ~ 4 x10 6 D 0 KK cf D 0 KK: 0.1 x10 6 Belle in 540 fb -1, 0.8 x10 6 CDF in 4.8 fb -1 ) 10 9 eventi mbias (simulazione completa) Fondo e riflessione residua K ridotta da uso del RICH. Eventi usati per misure mixing e CPV. 24

25 Charm mixing e CPV Mixing: prima misura nel Può essere migliorata molto da LHCb. CPV prevista nello SM ~10-3, possibili contributi significativi da NP. Non ancora dimostrata: WA: y CP =1.11 ± 0.22 % A = 0.12 ± 0.25 % CPV phase CPV in mixing LHCb: y CP da rapporto delle rate K di propertime e KK in bins Asimmetria integrata nella rate di KK Con 100 pb -1 errore statistico ~10-3. CPV in D + K + K - + analisi di ampiezze su Dalitz plot: ~1 M eventi in 100 pb -1 25

26 Charm: D 0 Diversi decadimenti rari in studio. Fra i più significativi: D 0 BR(D 0 < nello SM. Contributi di NP possono innalzarlo fino a 10-6 (SUSY con violazione R-parità) tree level squark exchange Miglior limite attuale: BR(D 0 )< 1.4 x 90%CL Belle 660 fb -1 Limite previsto da LHCb in 100 pb -1 : BR(D 0 )< % CL contributo residuo: decadimenti in volo di D 0 26

27 B s Decadimento molto raro nello SM calcolato con precisione: BR(B s ) =( ) x10-9. s b t W W Contributi di NP possono essere significativi. Es. nel MSSM BR(B s ) tan 6 / M 2 H. Miglior limite (CDF 3.7 fb -1 ) : %CL lontano ancora un ordine di grandezza 27

28 B s a LHCb Componenti cruciali dell analisi a LHCb: alta efficienza di trigger anche a piccoli p T : 90% su eventi ricostruiti buona muon ID (contributo dominante nel fondo residuo b b ) buona risoluzione di vertice e di massa, previste: (IP) 23 m, (M ) 25 MeV/c 2 Prime verifiche sui dati della Likelihood geometrica con K S di tracce con hits nel VELO). In futuro si userà B hh. campione IP of K s candidate LHCb 2009 Data LHCb 2009 MC DOCA of w.r.t K s vtx LHCb 2009 Data LHCb 2009 MC Necessari più dati, a p T maggiore, ma l accordo dati/mc sulle variabili di input è già soddisfacente. 28

29 Limite di esclusione BR B s Osservazione I dati del possono permettere una riduzione significativa del limite attuale già con pb -1 e imporre nuovi constraint al MSSM. Possibile scoperta per valori del BR<2x Per una misura al BR SM sono necessari > 1 fb

30 CPV in B 0 s J/ B s J/ KK canale ideale per cercare violazioni di CP nell interferenza tra decadimento diretto e via mixing B s B s f =J/ Nello SM previsto precisamente: SM J/ s = 0.037±0.002 e molto piccolo primi segnali già significativi. Sensibile a contributi di NP non testati dalle B Factories. Misura combinata da Tevatron 2.1 dallo SM 30

31 B s J/ KK a LHCb Un analisi complessa, affrontata nelle sue componenti a partire dai primi dati. Trigger: inclusivo sulle J/ efficienza (L0xHLT1) > 90%. Studiati anche HLT2 semiesclusivi J/ Selezione segnale: X per alta luminosità. a) lifetime-unbiased per minimizzare le correzioni per accettanza in tempo proprio ed angolari. b) detached permette maggior efficienza e minor B/S Risoluzione propertime: controllata da fit a componente prompt e false combinazioni J/ ricostruite nei dati. Canale di controllo: B d J/ K 0* misura delle possibile sistematiche angolari. Primissima analisi: fit dipendente da tempo e angoli ad eventi non taggati e misura di s e s. Full MC J/ inclusive 31

32 B s J/ Flavour Tagging Previsioni da MC a 14 TeV: Retuning in corso a 7 TeV. Tagger Tag eff. mistag ) 2 Opposite side 45% 36.5% 3.3% + same side 56% 33.3% 6.2% Validazione del Flavour Tagging su canali di controllo carichi o flavour-specific: Con 10 pb -1 : prima oscillazione da B d D* 15k eventi ) Con 100 pb -1 : 22k eventi B + J/ K + e 11k eventi B d J/ K 0* 5k eventi B s D s Mixing asymmerty B d J/ K * B s D s 32

33 B s J/ sensitività verso L int Se J/ è vicina al valore centrale misurato al Tevatron (NP-like) è possibile una misura a 5 abbastanza presto. Precisione statistica di ~0.07 rad con 1 fb -1. Necessari > 2fb -1 per arrivare al valore del SM. Altri canali di decadimento in studio: B s J/ f 0, B s J/ etc. 33

34 Canali adronici Con 200 pb -1 primi risultati anche su decadimenti adronici del B. Previsti circa 10k eventi B s D s e 800 eventi B s D s K : misura di BR(B s D s K)/BR(B s D s ) (CDF 1.2fb -1 ~100 eventi B s D s K) e primi studi dipendenti dal tempo. B DK per misure di gamma al tree level, integrate nel tempo: B D(K )K previsti ~3600 eventi B D(K S )K previsti ~300 eventi primo studio Dalitz B DK RICH required Riscalando dagli studi effettuati per 14 TeV e 1 anno nominale, si prevede una precisione stat. sulla misura di gamma da tutti i canali di 8-10 con 1 fb -1 (7 TeV) 34

35 B hh Alcune misure interessanti su B s con 200 pb -1 : asimmetria di carica B s K con ~800 eventi (CDF 1 fb eventi) vita media B s KK (~4000 eventi) con ( B KK )=0.09 ps sensibile a contributi di NP in Con 500 pb -1 : superata la statistica delle B-Factories sui B d,b u e migliorati tutti i risultati su BRs e asimmetrie CP s Misure attuali non misurati Sensitività stat. LHCb 35

36 B d K * Transizione b s, FCNC osservata con BR (B d K* )= (9.8±2.1 )10-7. Asimmetria FB: osservabile molto sensibile a deviazioni dallo SM. Previsioni teoriche più precise per il punto di intersezione e per 1<q 2 <6 GeV 2 Ossevazioni recenti BaBar(2008) ~100eventi, Belle(2009) ~250eventi e CDF ~100 eventi ancora troppo poco significativi per essere vera anomalia 36

37 B d K * a LHCb Selezione Fisher discriminant su vertice, p T, lifetime, kaon ID. Yield atteso a 14 TeV 2 fb -1 : 6200 eventi, B/S 0.25 (s 0 ) = 0.5 GeV 2 Riscalato a 7 TeV ( bb = mb) : SM average SM prediction Belle BaBar 37

38 B d K * a LHCb Selezione Fisher discriminant su vertice, p T, lifetime, kaon ID. Yield atteso a 14 TeV 2 fb -1 : 6200 eventi, B/S 0.25 (s 0 ) = 0.5 GeV 2 Riscalato a 7 TeV ( bb = mb) : L = 100 pb eventi Esclusione SM 1.5 SM average SM prediction Belle BaBar 38

39 B d K * a LHCb Selezione Fisher discriminant su vertice, p T, lifetime, kaon ID. Yield atteso a 14 TeV 2 fb -1 : 6200 eventi, B/S 0.25 (s 0 ) = 0.5 GeV 2 Riscalato a 7 TeV ( bb = mb) : L = 100 pb eventi Esclusione SM 1.5 L = 500 pb eventi Esclusione SM 3.1 SM average SM prediction Belle BaBar 39

40 B d K * a LHCb Selezione Fisher discriminant su vertice, p T, lifetime, kaon ID. Yield atteso a 14 TeV 2 fb -1 : 6200 eventi, B/S 0.25 (s 0 ) = 0.5 GeV 2 Riscalato a 7 TeV ( bb = mb) : L = 100 pb eventi Esclusione SM 1.5 L = 500 pb eventi Esclusione SM 3.1 L = 1.0 fb eventi Esclusione SM 4.0 SM average SM prediction Belle BaBar Con maggior luminosità integrata analisi angolare completa e diverse variabili accessibili. 40

41 Conclusioni LHCb è pronto per il run a 7 TeV appena iniziato. E necessario raccogliere una maggior quantità di dati per completare il commissioning del rivelatore. Le prestazioni verificate sui primi dati 2009 sono in buon accordo con le previsioni della simulazione. A 7 TeV ci aspetta una ricca varietà di misure che porteranno miglioramenti significativi rispetto i risultati attuali nella Fisica del Sapore, già con 100 pb -1. Nuovi limiti su B s e Bs J/ possibili con ~300 pb -1. Se il run fornirà ~1 fb -1 c è un alto potenziale di scoperta per NP in diversi canali. 41