Stato di BaBar. Concezio Bozzi 26 Gennaio 2005

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1 Stato di BaBar Concezio Bozzi 26 Gennaio 2005

2 Sommario Asimmetria materia-antimateria Violazione di CP nel sistema del B: Il modo aureo Requisiti sperimentali Decadimenti semileptonici del B e violazione di CP V ub V cb

3 Asimmetria materia-antimateria Sperimentalmente si osserva che l universo a tutt oggi osservabile è composto da sola materia Big-Bang: proporzioni uguali di materia-antimateria Dov è finita l antimateria? Violazione della simmetria CP è una delle quattro condizioni (Sakharov) Si può osservare violazione di CP in laboratorio?

4 Storia della violazione di CP 1964: Violazione di CP nei decadimenti dei Kappa (Nobel) Wolfenstein postula l esistenza di una nuova forza, chiamata Superdebole, responsabile della violazione di CP nel mixing K 0 K 0 e praticamente di nient altro 1973: Kobayashi e Maskawa osservano che CP potrebbe essere violata nelle interazioni deboli dei quark se ci fossero ALMENO 3 famiglie di quark (solo 2 erano note a quel tempo) 1975: scoperta del leptone τ terza famiglia di leptoni (Nobel) 1977: Scoperta del quark b terza famiglia di quark (Nobel) 1981: Scoperta del mesone B d, con vita media grande ~ 1ps 1986: Osservazione di oscillazioni materia-antimateria (mixing) nel sistema dei mesoni B d 1995: Scoperta del quark t Completamento della terza famiglia di quark 2000: Scoperta del ν τ a Fermilab, completamento della terza famiglia di leptoni 2001: Gli esperimenti alle B-factories BaBar&Belle pubblicano i primi risultati su sin2β

5 Violazione di CP nei mesoni B Mesoni B: antiquark b + quark leggero bu = B + bd = B 0 d bs = B 0 s 5 volte più pesanti di un protone oscillazioni materia-antimateria Molta energia disponibile nei decadimenti Molti modi di decadimento, alcuni comuni a particella e antiparticella Vita media ~1.5ps Per studiare violazione di CP, ricerchiamo decadimenti comuni a particella e antiparticella e ne studiamo l evoluzione temporale

6 Il modo aureo: B 0 d J/ψ K 0 s Libero da incertezze teoriche Facilmente rivelabile sperimentalmente J/ψ ee o µµ K 0 s π+ π- ~1 decadimento del B su fabbrica di mesoni B : macchina ad alta luminosità Rivelatore in grado di fornire: Identificazione delle particelle Etichettatura materia/antimateria del mesone B che decade Misure precise di tempi di decadimento

7 Produzione di mesoni B 0 Collisore elettrone-positrone: e + e - Υ(4S) B 0 B 0 Sperimentalmente pulito, produzione B 0 B 0 coerente Possibile identificare (etichettare) se a decadere e stato un mesone o antimesone B andando a vedere i decadimenti dell altro ( bb) σ σ hadr = 0.28 ( )

8 Sperimentalmente At δt=0 B 0 B 0 Υ( 4S) e e + 0 B 0 B z l 0 K S K µ + µ Etichettatura: Materia o Antimateria? J/ψ π + π Separazione spaziale = misura del tempo Ricostruzione del Modo aureo particella antiparticella

9 Misure di tempo Vita media lunghezza di decadimento L = v t = v γ t relatività ristretta, Einstein 1905 v = β c L = β γ c t ; c = velocità della luce boost βγ = p/m; p=impulso, m=massa vita media τ = 1.5ps cτ = 450µm = 0.45mm B prodotti alla Y(4S): p ~ 300MeV, m ~ 5GeV βγ = 0.06 L ~ 30µm impossibile da rivelare! Occorre produrre B con impulso più alto Fasci asimmetrici βγ = 0.56 L ~ 250µm rivelatori di vertice a silicio

10 PEP-II Asymmetric B Factory Elettroni (e ) da 9 GeV contro positroni (e + )da3.1 GeV Energia E CM = GeV = massa della Υ(4S) La risonanza bb più leggera che decade in coppie di mesoni BB Boost βγ = 0.56 permette di misurare tempi di decadimento dei B Luminosità di picco /cm 2 /s produzione BB ~10 Hz 3 volte migliore della luminosità di disegno!

11 Luminosità di PEP-II Run 4 Run 4 BABAR ha accumulato 244 fb 1 di dati (256 milioni di coppie BB) Run 4 (Settembre 03- Luglio 04) particolarmente proficuo

12 Rivelatore BABAR Impulso di tracce cariche: camera a deriva in un campo di 1.5 T Energia dei fotoni e identificazione elettroni: calorimetro CsI(Tl) Rivelazione dei muoni: giogo + camere Identificazione di particelle: rivelatore Cerenkov (DIRC) Ricostruzione di vertici: rivelatore di silicio a microstrisce

13 Tracciatore di vertice a silicio e - beam e + beam 5 strati di rivelatori a doppia faccia accoppiati in AC SVT situato in zona ad alta radiazione Elettronica resistente alle radiazioni (2Mrad) Efficienza di ricostruzione degli hit ~98% Risoluzione ~15 µm at 0 0

14 Tracciatore di vertice a silicio Beam bending magnets Readout chips Beam pipe Layer 1,2 Layer 3 Layer 4 Layer 5

15 Instrumented Flux return Fino a 21 strati di Resistive Plate Chambers (RPC) alternati a piani di ferro Identificazione di muoni oltre 500 MeV Rivelazione di adroni neutri (K L ) RPC nel barrel in corso di sostituzione con tubi di Iarocci

16 RPC performance RPC,eff. >10% Tutte le RPC RPC,eff. <10%

17 Nuovitubidi Iarocci(LST) al postodellerpc LST Project Overview Barrel RPC s replaced with Limited Streamer Tubes (LST s) An LST is an 8(7)-cell tube ~14cm x 358cm, running at 5500 Volts. Produced at pol.hi.tech company in Italy. Module _A Layer within a sector consists of 6 to 10 LST Modules _Each module contains of 2 or 3 8(7)-cell Tubes At Princeton and OSU, the tubes are glued onto a SLAC-produced phi-plane to form modules, with gas, HV, and electronics connections ready for installation into BaBar Transition board by Ferrara

18 Readout and electronics A completely new electronics has been developed to readout the signals from: Daughter board - strips (z coordinate beam line direction) positive signal - wires (phi coordinate azimuthal angle) negative signal Not amplified signals Single ended signals are sent to Front End Cards (outside the detector) and there amplified and discriminated. The new platform for the FEC crates Mother board Designed by Angelo

19 Bottom sextant: forward view Layer-1 Signal cables for wires Brass slabs on every other layer Layer-18 Gas lines for Tubes

20 Event Display from Cosmic event

21 Violazione di CP: effetti sperimentali misura del tempo ed etichettatura perfette F(δt) F(δt) A CP (δt) sin2β Misura del tempo perfetta, etichettatura imperfetta D = (1-2ω) in cui w è la frazione di etichettature sbagliate (mistag). Occorre misurare la diluizione. D sin2β Misura del tempo ed etichettatura imperfette Occorre misurare la risoluzione in δt.

22 Risultati Evidente differenza materia-antimateria! Ampiezza dell oscillazione: sin2β Sin2β = ± ± 0.023

23 Cosa c è sotto? Nel modello standard delle interazioni elettrodeboli, la matrice CKM (V CKM ) L g Vud Vus Vub dl = u c t s W hc L L L cd cs cb L µ 2 + Vtd Vts V tb b L µ + ( ) γ V V V.. è una matrice unitaria che collega gli autostati di massa agli autostati deboli 3 parametri reali + 1 fase complessa L unica fonte di violazione di CP! Si tratta di una descrizione completa? è davvero tutto consistente con una singola matrice unitaria?

24 Parametrizzazione di Wolfenstein V CKM u c t λ 1 λ /2 3 2 Aλ (1 ρ iη ) Aλ λ /2 λ Aλ ( ρ iη ) Grandezze relative d s b Aλ Espansione in λ=0.22. Si ignorano i termini del 4 o ordine in λ. 4 parametri: Fasi e 1 1 -iβ e -i γ

25 Triangolo di unitarietà Unitarietà di V CKM V V = 1 CKM CKM VV + VV + VV = ud ub cd cb td tb 0 Ben rappresentata dall arcinoto triangolo di unitarietà VV ud VV cd ub cb η γ ρ α VV td VV cd tb cb β 1 VV td α = arg VudV VcdV β = arg VV td VudV γ = arg VcdV * tb * ub * cb * tb * ub * cb Gli angoli α, β, γ si misurano con i decadimenti dei B (es: J/ψ K s ) Anche i lati possono essere misurati con i decadimenti dei B

26 Test di consistenza Si confrontano le misure (contours) sul piano (ρ, η) Se il modello standard è valido, il triangolo si chiude Il blob ci dice che questo è attualmente vero ma è ancora grosso abbastanza per nascondere effetti di nuova fisica La misura di sin2β èpiù precisa delle altre Dobbiamo migliorare le altre misure per poter fare un test di precisione

27 Passo successivo: V ub /V cb Zoom della regione di sovrapposizione È ovvio: dobbiamo restringere l anello verde Lato sinistro del triangolo VV ud ub Vub 1 = VV V tanθ cd cb cb C Misura di V ub /V cb complementare a sin2β Dobbiamo determinare accuratamente sia V ub /V cb che sin2β

28 Decadimenti semileptonici del B Permettono di vedere dettagliatamente il quark b all interno dei mesoni B b cu, Leptoni disaccoppiati dalla corrente adronica Analogia con la diffusione profondamente inelastica B ν V cb W, V ub W b cu, ud, l X cu, ν l Ottima sonda per studiare V cb e V ub Possiamo studiare anche la struttura del mesone B

29 Approcci sperimentali Inclusivo: B X c lv o X u lv Tassi a livello albero B 2 GF 2 5 Γu Γ( b ulν ) = V 2 ub mb 192π 2 GF Γc Γ( b clν ) = V ( ) 2 cb mb mb mc 192π Occorre calcolare correzioni QCD Operator Product Expansion (OPE) Come si separa X u da X c? Γ c = 50 Γ u la misura di V ub è molto più difficile Esclusivo: B D * lv, Dlv, πlv, ρlv, etc. Occorrono fattori di forma per estrarre V cb, V ub X l ν

30 V ub inclusivo V ub si misura da Problema: decadimento b clv Γ( b ulν ) V 1 Γ ub 2 ( b clν ) V 50 cb m u << m c cinematica differente Energia massima del leptone: 2.64 vs GeV Tecnica usata nelle prime misure (CLEO, ARGUS, 1990) Spazio delle fasi accessibile: solo 6% Quanto accuratamente lo conosciamo? 2 G Γ Γ = 192π 2 F 2 5 u ( b ulν ) V 2 ub mb Come si sopprime un fondo ~50 x segnale? b c b u E l

31 Cinematica b ulv Ci sono 3 variabili independenti in B Xlv E l, q 2 (massa 2 leptone-neutrino), m X (massa adronica) 2 E l q lν 6% 20% m X 70% Difficoltà Efficienza Errore teorico E l Semplice Bassa Grande q 2 Complicata Moderata Moderato m X Complicata Alta Grande Da dove viene fuori?

32 Questioni teoriche Bisogna fare correzioni QCD al livello albero Operator Product Expansion dà il tasso inclusivo Espansione in α s (m b ) (perturbativa) e 1/m b (non-perturbativa) B l ν Γ( B X lν ) = u G 2 F V 2 5 ub mb s 1 O 3 192π α 9λ2 λ 1 + L 2 π 2mb X u conosciuto Ο(α s2 ) soppresso 1/m 2 b Incertezza maggiore (±10%) da m b5 ±5% su V ub Il vero problema è determinare la frazione accessibile (ad esempio, E l > 2.3 GeV) di decadimenti

33 Funzione di struttura OPE non funziona sull intero spazio delle fasi non converge ad esempio vicino l endpoint di E l Calcolo delle accettanze diventa problematico Si risommano termini non perturbativi in una funzione di struttura (Shape Function) Parametrizza il moto di Fermi del quark b all interno del mesone B Distribuzioni a livello di quark spettri osservabili Caratteristiche basilari (media, deviazione standard) conosciute ( ) f k + Dettagli, specialmente la coda, sconosciuti 0 Λ = M B m b k +

34 Shape Function che fare? Si misura! La stessa SF entra (al prim ordine) nei decadimenti b sγ Spettro E l in b ulv f(k + ) Spettro E l in b ulv Caveat: occorre l intero spettro E γ Si misura solo E γ > 1.8 GeV Troppo fondo a energie minori Compromesso: si assumono forme funzionali per f(k + ) 1.8 E γ Esempio: a (1 + a) x k+ ( ) (1 ) ; 2 parametri f k+ = N x e x= Λ (Λ, a) da fittare Fit allo spettro b sγ per deteminare i parametri Sistematica: si fitta con altre forme funzionali

35 CLEO hep-ex/ SF da b sγ Belle hep-ex/ CLEO e Belle hano misurato lo spettro b sγ BABAR lo sta facendo Belle E γ Fit 3 modelli ( ) f k +

36 Misure BABAR ha misurato V ub con quattro diversi approcci Tecnica E l > 2.0 GeV E l vs. q 2 m X < 1.55 GeV m X vs. q 2 Referenza hep-ex/ hep-ex/ hep-ex/ Campione B Xev inclusivo. Statistica alta, purezza bassa. Rinculo di B ricostruite completamente. Purezza alta, stat.moderata. Correlazioni piccole Sistematiche indipendenti, errori teorici quasi indipendenti

37 BABAR hep-ex/ Misure con m X e q 2 Dati BABAR, 81 fb -1 sulla risonanza Υ(4S) Eventi con un mesone B completamente ricostruito ~1000 modi di decadimento adronici Il resto dell evento contiene un B di rinculo Sapore e impulso noti Leptone (p l > 1GeV) nel B di rinculo Carica del leptone consistente col sapore del B m miss consistente con un neutrino B adroni ricostruito completamente Tutte le altre particelle appartengono a X Miglioramento della misura di m X con fit cinematico Calcolo del q 2 di lepton-neutrino Fin qui il campione è in prevalenza b clv Criteri di reiezione del fondo v lepton X

38 BABAR hep-ex/ Reiezione del fondo b clv soppresso vetando i decadimenti del D (*) I decadimenti del D producono tipicamente almeno un kappa si rigettano eventi con K ± e K S B 0 D *+ ( D 0 π + )l v hanno una cinematica caratteristica π + quasi a riposo rispetto al D *+ impulso del D *+ calcolato solo col π Si Calcola m = ( p B p ν per tutti i π + * p ) D l si eliminano gli eventi consistenti con m v = 0 Gli eventi scartati non contengono b ulv Si usano per validare le simulazioni delle distribuzioni del fondo Si ottiene una distribuzione in (m X, q 2 ) su un campione arricchito di eventi di segnale

39 BABAR hep-ex/ Fit a m X Dati BABAR, 80 fb -1 sulla risonanza Υ(4S) BABAR Segnale chiaro di b ulv dal fit in m X BF inclusiva: B( B X lν ) = (2.81± 0.32 ± 0.31 ) 10 u stat sys theo 3 BABAR V ub = (5.22 ± 0.30 ± 0.31 ± 0.43 ) 10 stat syst theo 3

40 BABAR hep-ex/ Fit a m X, q 2 Fit 2-D per misurare Β in {m X < 1.7, q 2 > 8} Buona risoluzione, misura pulita di Β B = (0.90 ± 0.14 ± 0.14 ) 10 stat syst theo 3 Accettanza calcolata da Bauer et al. hep-ph/ V ub = 3 192π τ Gm 2 5 B F b B G G = ± = (4.98 ± 0.40 ± 0.39 ± 0.47 ) 10 stat syst theo 3

41 BABAR hep-ex/ BABAR hep-ex/ Risultati V ub inclusivi BABAR hep-ex/ Riepilogo dei risultati V ub di BaBar Tecnica V ub 10 3 (SF) 10 3 E l > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13 stat ± 0.25 sys ± 0.38 theo 0.46 E l vs. q ± 0.23 stat ± 0.42 sys ± 0.32 theo 0.42 m X < 1.55 GeV 5.22 ± 0.30 stat ± 0.31 sys ± 0.43 theo 0.45 m X vs. q ± 0.40 stat ± 0.39 sys ± 0.47 theo 0.06 Correlazione statistica tra le misure con m X e m X -q 2 = 72%. Trascurabile per le altre Errore teorico della misura m X -q 2 diverso dalle altre dipendenza dalla SF trascurabile Quanto varia V ub se si usa la SF misurata da CLEO

42 V ub inclusivo: prospettive E l endpoint m X fit m X vs. q 2 E l vs. q 2 Risultati omogeneizzati dallo Heavy Flavor Averaging Group Misura di V ub al ±9%?

43 Caveats + Outlook Per migliorare la precisione nella misura d V ub occorre ricalcolare le incertezze teoriche Il calcolo OPE non converge per m X piccoli Sono ora disponibili calcoli usando la SCET Le correzioni non-perturbative NLO(1/m b ) per b ulv e b sγ sono diverse Le stime disponibili in letteratura sono più o meno equivalenti I diagrammi di annichilazione debole possono contribuire significativamente (20%?) vicino all endpoint di E l Occorre misurare separatamente per B 0 e B + C è uno sforzo congiunto tra gruppi sperimentali e teorici per migliorare la situazione

44 V cb Esclusivo Il tasso B D * lv è * 2 2 Γ( B D lν ) GF Vcb 2 d = ΦF ( w) G( w) Spazio delle fasi 3 dw 48π boost γ del D * nel sistema del B Φ(w) calcolabile a w = 1, cioè a D* fermo Fattore di forma Φ(1) = 1 nel limite di quark infinitamente pesanti (m b = m c = ) Calcoli su reticolo danno FΦ (1) = Hashimoto et al, Forma funzionale di Φ(w) sconosciuta PRD 66 (2002) Parametrizzata con ρ 2 (derivata a w = 1) e R 1, R 2 R 1 and R 2 misurabili sperimentalmente, es. CLEO, PRL 76 (1996) 3898 Misura di dγ/dw per determinare Φ(1) V cb e ρ 2

45 Misure esclusive di V cb Usando Φ(1) = 0.91 ± 0.04, si ottiene V cb = (41.4 ± 1.0 ± 1.8 ) 10 expt theo 3 In accordo con le misure inclusive precisione ±5%, ±2% se si includono le misure inclusive

46 Una nuova tecnica sperimentale Ricostruzione parziale di D*lν tramite leptone e pione Si sfrutta la cinematica caratteristica del D *+ D 0 π + Efficienza alta (non si ricostruisce il D 0 ) Su rinculo di decadimenti adronici del B completamente ricostruiti Si elimina il fondo dovuto al secondo B Efficienza di ricostruzione bassa Sistematiche ridotte rispetto ad un analisi più esclusiva (ricostruzione completa del decadimento semileptonico) Normalizazione (BF della Y(4S)). BF del D 0 Efficienza di ricostruzione delle tracce Efficienza/errori di identificazione delle particelle Fondi fisici da D** Work in progress

47 Conclusioni BaBar è un esperimento che produce risultati fondamentali nel settore di sapore del modello standard delle interazioni elettrodebolie Violazione di CP nella fisica del B I decadimenti semileptonici costituiscono sonde eccellenti per le interazioni forti e deboli dei mesoni B V cb e V ub complementari a sin2β per la violazione di CP Determinazione delle masse dei quark pesanti e di parametri non-perturbativi V cb noto al ±2% Misure inclusive ed esclusive (B D * lv) in accordo

48 Conclusioni Progressi significativi nella misura di V ub Quattro (!) misure di V ub ottenute in BABAR con b ulv inclusivo Technique V ub 10 3 E l > 2.0 GeV E l vs. q 2 m X < 1.55 GeV m X vs. q ± 0.13 stat ± 0.25 sys ± 0.38 theo 4.99 ± 0.23 stat ± 0.42 sys ± 0.32 theo 5.22 ± 0.30 stat ± 0.31 sys ± 0.43 theo 4.98 ± 0.40 stat ± 0.39 sys ± 0.47 theo Precisione complessiva su V ub attorno al 10%