Misura della frequenza di oscillazione del sistema B s -B s. S.Giagu CDF Roma

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1 Misura della frequenza di oscillazione del sistema B s -B s S.Giagu CDF Roma Università di Roma "La Sapienza" - 11 Aprile 2006

2 Sommario 2 Introduzione L analisi sperimentale Estrazione del segnale Misura del tempo proprio di decadimento Misura del sapore del mesone B alla produzione Amplitude scan e sensitività Risultati Distribuzioni Significatività e misura di m s Interpretazione Analisi preliminare del triangolo di unitarietà Rivelatore/dettagli vedere seminari di dipartimento: R.Oldeman, S.De Cecco, A.Messina

3 Il Gruppo del Bs Mixing in CDF 3 Importanti contributi del gruppo di Roma (TOF, de/dx, SVT, taggers)

4 4 Oscillazioni di sapore I mesoni B neutri possono trasformarsi spontaneamente nella propria antiparticella. L evoluzione temporale del sistema B-B è governata dalla equazione di Schrödinger: Γ = ) ( ) ( 2 ) ( ) ( t B t B i M t B t B dt d i = = + = + = M M M B q B p B M M M B q B p B L L H H Nel MS processi descritti da diagrammi a box dominati da quark top generano elementi non nulli fuori-diagonale, questi rappresentano la sorgente del mixing. Nuova fisica può circolare nei diagammi a box. s, s, Hamiltoniana non è diagonale B e B non sono autostati di massa: Gli autostati di massa sono: 2 M 12 M M m L H s = = Predetto inizialmente nei mesoni K (Gell-man e Pais)

5 Perché è interessante misura sperimentale di un fenomeno quantistico interessante oggi possibile solo al Tevatron migliora la conoscenza del triangolo di unitarietà 5 Limite superiore su m s Limite inferiore su m s m m s d = m m Bs Bd f f 2 Bs 2 Bd B B Bs Bd V V ts td 2 2 = m m Bs Bd 2 ξ V V ts td Vud Vus Vub 1 λ / 2 λ Aλ ( ρ iη) 2 2 VCKM = Vcd Vcs Vcb = λ 1 λ / 2 Aλ Vtd Vts V tb Aλ (1 ρ iη) Aλ 1 f 2 BB B noti al 15% Molte incertezze teoriche si cancellano nel rapporto: ξ = Si determina V ts / V td al ~4% 4 O( λ )

6 Perché non è stato ancora misurato Probabilità di oscillazione in funzione del tempo: 6 P( B P( B B) = B) = e 2τ e 2τ t / τ t / τ ( 1+ cos( m t) ) = P nomix ( 1 cos( m t) ) = Pmix A( t) Pmix Pnomix = = cos P + P mix nomix ( m t) V ts >> V td m s >> m d necessario risolvere oscillazioni O(3THz)

7 I punti chiave della misura in una trasparenza 7 e,µ vertexing (same) side Potenza statistica di un tagger: εd ε: quanto spesso è possibile applicare un tag 4 opposite side 1 3 D = (1-2w): quanto spesso la decisione di tag è incorretta A(t) = D cos( m t) 2 ( m ) 1. Collezionare quanti più B s possibile D S s σ t 1 ε 2 Tevatron, Trigger = e 2. Ricostruire il Bs σ 2 massimizzare S/B Sapore del Bs al tempo del decadimento dai prodotti di decadimento 3. Misurare il tempo proprio e massimizzare la risoluzione trigger, rivelatore di vertice, vertice primario evento per evento 4. Stima del sapore del Bs alla produzione (flavor tagging) minimizzare la rate di tag sbagliati: PID (TOF, de/dx) S A S + 2 B

8 Luminosità del Tevatron 8 Data Taking Period Luminosità delivered ~1.6 fb -1 Questa analisi (Feb. 02 Jan. 06): 1 fb -1

9 Silicon Vertex Tracker Un tipico evento B s in un collider adronico 9... sembra uguale ad un qualunque altro evento ma con una sezione d urto 10 3 volte più piccola! Soluzione: usare il rivelatore al silicio come lente di ingrandimento In CDF è possibile farlo in tempo reale (SVT) Primary Vertex Lxy Secondary Vertex B d 0 = impact parameter Accesso ai decadimenti totalmente ricostruiti cruciale per l analisi di mixing

10 Ricostruzione dei B s 10 Due differenti topologie sperimentali: high yield Buona sensibilità ad alto m s Buona sensibilità a basso m s

11 B s Adronici : data sample Decadimento Eventi B s D s π (φπ) 1600 B s D s π (K * K) 800 B s D s π (3π) 600 B s D s 3π (φ π) 500 B s D s 3π (K * K) 200 Totale 3700 oscill. fit range 11 Bs Dsπ (φπ) Campioni di calibrazione ad alta statistica: B + (J/ψK +, D 0 π, D 0 3π): ~50k eventi B 0 ( J/ψK *, D - π, D *- π, D - 3π, D *- 3π ): ~60k eventi

12 B s Semileptonici : data sample 12 B s D s l ν Decadimento D s φπ D s K*K D s πππ Eventi 32 K 11 K 10 K D 0 Kπ D 0 Kπ D - Kππ 540 K 75 K 300 K Campioni di calibrazione

13 Check scala tempo proprio: vite medie B Adronici 13 Decadimento Lifetime [ps] (stat. only) B 0 D - π ± B - D 0 π - B s D s π(ππ) ± ± Media mondiale: B 0 : ± ps -1 B + : ± ps -1 B s : ± ps -1

14 Vite medie B semileptonici 14 Ulteriore complicazione: l impulso del neutrino non è ricostruito Si introduce un K factor per correggere in media l effetto: ct = L xy m( B) p T ( ld ) s K Stimato dal MC CDF Preliminary 360 pb -1 B s D s l ν Lifetime (ps) (stat.) D s φπ 1.51±0.04 D s K*K 1.38±0.07 D s πππ 1.40±0.09 Combinato 1.48±0.03 Media Mondiale B s : (1.469±0.059) ps

15 B s : Risoluzione in tempo proprio 15 osc. period at m s = 19 ps -1 Vertice primario dell evento determinato evento per evento Risoluzione media ~ 26 µm Possibile risolvere le oscillazioni evento per evento D0 in confronto:

16 Prestazione combinata dei taggers 16 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) Totale OST 1.47 ± 0.10 (stat) 1.44 ± 0.04 (stat) SSKT 3.42 ± 0.49 (syst) 4.00 ± 0.56 (syst)

17 Amplitude scan Metodo classico per il fit di mixing: si introduce l ampiezza A: p(t)~(1 ± A D cos m s t) A=1(±stat) per ν= ms A=0 per ν- ms >> Γ σp/p ms scan attraverso differenti valori di m s fittando A segnale: m s per il quale A = 1 Esempio: B 0 mixing in decadimenti adronici 17 punti: A±σ(A) dal fit di likelihood per ogni m banda gialla: A ± σ(a) (95% CL) linea tratteggiata: σ(a) vs m m: A σ(a) < 1 escluso al 95% C.L. Sensitività della misura: σ(a) = 1 m d

18 Sensitività del campione B s 18 95% CL Sensitivity (ps -1 ) D0 1 fb World Avg CDF 1 fb Stimata utilizzando il campione blindato dei dati e randomizzando le decisioni dei tag Situazione inusuale: singola misura con maggiore sensitività di tutta la conoscenza mondiale precedente

19 Procedura a priori 19 decisa prima di guardare il campione completo dei dati sblindati p-value: misura di quanta evidenza abbiamo contro l ipotesi di effetto nullo nessuna finestra di ricerca a priori p-value < 1%? SI NO Intervallo di confidenza dall analisi del log(l), Misura di m s 95% CL limit utilizzando l amplitude scan

20 Stima del p-value 20 CDF Run II Preliminary CDF Run II Preliminary log(l) = log[ L( m s ) / L( m s = ) ] massimo in caso di segnale probabilità di fluttuazione casuale stimata su dati reali (con tag randomizzati) e controllata con toy Monte Carlo

21 21 RISULTATI

22 Amplitude Scan: Decadimenti Adronici 22 Preliminary m ~ 17.3 ps -1, σ(a) ~0.32

23 Amplitude Scan: Semileptonici ps -1, σ(a) ~0.55

24 Amplitude Scan Globale 24 Preliminary 25.3 ps -1 A/σ A (17.3 ps -1 ) = 3.5

25 Amplitude Scan Globale 25 Preliminary A/σ A (17.3 ps -1 ) = 3.5

26 Profilo likelihood e significatività In 228 su esperimenti log(lr) 6.06 P-value = 0.5% misura m s!

27 Misura di m s Likelihood combinate dei canali adronici e semileptonici 27 m s = stat. ± 0.07( syst.) ps 0.42 ( ) 1 m s in [17.00, 17.91] ps -1 at 90% CL m s in [16.94, 17.97] ps -1 at 95% CL

28 Incertezze sistematiche su m s 28 Systematiche legate al modello di fit valutate su toy Monte Carlo Impatto trascurabile Unica sorgente di sistematica non trascurabile: scala assoluta di tempo proprio Syst. Unc Fitting Model < 0.01ps -1 SVX Alignment 0.04 ps -1 Track Fit Bias 0.05 ps -1 PV bias from tagging 0.02 ps -1 Total 0.07 ps -1 Tutte le sorgenti di incertezza sistematica rilevanti comuni tra I campioni adronico e semilpetonico

29 Confronto con i risultati precedenti 29 Recente risultato di D0 Plot di compatibilità con SM m s in [17,21] ps -1 al 90% CL Fit nello SM: m s = 21.5 ± 2.6 ps -1 CDF: m s = 17.3 ± 0.3 ps -1 Compatibile a 1.6σ

30 Fit triangolo di unitarietà nello SM 30 ρ = η = 0.193± ± 0.019

31 Fit generalizzato NP Preliminary 31 Primo bound sul contributo di nuova fisica a m s C Bs = m s SM+NP / m s SM = ± %

32 Conclusioni 32 Osservata segnatura sperimentale consistente con oscillazioni di sapore del sistema B s -B s Probabilità di fluttuazione casuale del fondo: 0.5% Prima misura diretta della frequenza di oscillazione del mesone B s : (stat) ± 0.07 (syst) ps