LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani

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1 LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani Andrea Contu INFN Cagliari CNS1-2 Ottobre Catania A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

2 Sommario 1 Introduzione 2 Decadimenti rari 3 CPV e matrice CKM 4 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle 5 Conclusioni A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

3 Introduzione Statistiche pubblicazioni Anno Pubblicazioni (attesi > 76) Tot 194 (attesi > 238) In questa presentazione: Risultati principali da Settembre 2013 con l accento su analisi con contributi italiani A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

4 Introduzione Posizioni di responsabilità italiane legate all analisi Deputy Physics Coordinator: Vincenzo Vagnoni Physics working group conveners Rare decays Gaia Lanfranchi Charmless B decays Angelo Carbone Sub-conveners Rare charm: Andrea Contu B to charmless two body: Stefano Perazzini PPWG and OPG related working group conveners Particle identification Barbara Sciascia Stripping Andrea Contu e Stefano Perazzini Impegno considerevole nel flavour tagging Organizzazione completa di LHCb disponibile qui A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

5 Decadimenti rari B 0 s,d µ+ µ, ultimi risultati Altamente soppresso nello Standard Model (SM) per varie ragioni FCNC loop induced: Elicità: B (m µ /m Bs,d ) 2 CKM: B V tb V ts,td 2 Theory predictions [PRL 112 (2014) ] B(B 0 s µ + µ ) = (3.66 ± 0.23) 10 9 B(B 0 d µ+ µ ) = (1.06 ± 0.09) R = B(B0 s µ + µ ) B(B 0 d µ+ µ ) = Precisione teorica SM limitata dalla precisione sugli elementi CKM! A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

6 Decadimenti rari B 0 s,d µ+ µ, combinazione LHCb+CMS Risultati Full-likelihood combination presentata a CKM-2014: ML fit simultaneo in 8 bin di BDT per LHCb e 12 categorie per CMS B(Bs 0 µ + µ ) = B(Bd 0 µ+ µ ) = Significanza statistica dalla likelihood a : 6.2σ (exp SM 7.6σ) per B 0 s µ + µ 3.2σ b (exp SM 0.8σ) per B 0 d µ+ µ Proiezione della massa invariante per le 6 migliori categorie selezionate in base al S/(S+B) a Utilizzando il teorema di Wilks b 3.0σ con Feldman-Cousin A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

7 Decadimenti rari B 0 s,d µ+ µ, combinazione LHCb+CMS Prima osservazione (6.2σ) per B 0 s µ + µ, compatibilità SM a 1.2σ Eccesso a 3.0σ per Bd 0 µ+ µ, compatibilità SM a 2.2σ R = , utile per costringere modelli MFV, compatibilità SM a 2.3σ Prima combinazione di misure da parte di esperimenti LHC L articolo in preparazione sarà sottomesso a Nature Contributo italiano determinante A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

8 Decadimenti rari τ µ + µ µ search (3 fb 1 ) [arxiv: ] Charged Lepton Flavour Violation con oscillazione di neutrini Nello SM B < 10 40, in scenari di NP B 10 8 Copiosa produzione di τ a LHCb, da svariate sorgenti B(D + τ + ν τ ) non misurato, calcolato usando B(D + µ + ν µ ) + soppressione di elicità + spazio fasi Normalizzazione rispetto a D + φ( µµ)π A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

9 Decadimenti rari τ µ + µ µ search (3 fb 1 ) [arxiv: ] B(τ µ + µ µ ) < 4.6(5.6) 10 8 at 90%(95%)CL a World Best è ancora Belle ( at 90% CL) ma ci stiamo avvicinando... a assumendo decadimento phase-space, limiti per modelli alternativi sono quotati nel paper A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

10 Decadimenti rari Polarizzazione del fotone in B ± K ± π π ± γ [PRL 112, ] In transizioni b sγ nello SM il fotone è prevalentemente left-handed violazione parità Alcune estensioni dello SM prevedono componenti right-handed enhanced Polarizzazione del fotone, λ γ, proporzionale all asimmetria up-down, A ud, dell emissione del fotone rispetto al piano Kππ cos ˆθ Charge(B) cos θ 4 f (cos ˆθ; c 0 = 0.5, c 1, c 2, c 3, c 4) = c i L i (cos ˆθ) A ud = c 1 c 3/4 Analisi effettuata in bin di massa del sistema Kππ La presenza di molte risonanze non facilmente isolabili del sistema Kππ rende (pre ora) complicata una relazione diretta tra λ γ e A ud A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38 i=0

11 Decadimenti rari Polarizzazione del fotone in B ± K ± π π ± γ [PRL 112, ] c 1 = c 3 = 0, c 1, c 3 liberi Polarizzazione del fotone in b sγ osservata a 5.2σ Prima osservazione diretta della polarizzazione del fotone in b sγ! A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

12 Decadimenti rari Test di universalità leptonica arxiv: , accettato da PRL Misura del rapporto R K = Sperimentalmente: R K = q 2 max q min 2 q 2 max q 2 min Γ(B + K + µ + µ ) dq 2 dq 2 Misura nella regione 1 < q 2 < 6 GeV 2 /c 4 : Γ(B + K + e + e ) dq 2 dq 2, q 2 = m(µµ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) NKµµ NKJ/ψ(ee) ɛkee ɛkj/ψ(µµ) N Kee N KJ/ψ(µµ) ɛ Kµµ ɛ KJ/ψ(ee) R K = (stat) ± 0.035(syst), compatibile SM a 2.6σ A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

13 CPV e matrice CKM Asimmetria semileptonica nel B 0, a d sl arxiv: Stato finale semileptonico, flavour-specific a sl Γ( B B f ) Γ(B B f ) Γ( B B f )+Γ(B B f ) Misura di a d sl e a s sl di D0 a 3σ dallo SM [PRD 89, ] Misura di a s sl con 1 fb 1 a LHCb consistente con lo SM [PLB 728 (2014) 607] (l aggiornamento a 3 fb 1 arriverà presto) Recente misura di a d sl con 3 fb 1 con decadimenti B 0 D ( ) µ + X Fit della distribuzione del tempo di vita del B permette l estrazione dell asimmetria di produzione (A P ) A meas (t) = ad sl 2 + A D (A P + ad sl 2 ) cos ( m d t) cosh ( Γ d t/2) A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

14 CPV e matrice CKM Asimmetria semileptonica nel B 0, a d sl arxiv: a d sl = ( 0.02 ± 0.19 ± 0.30)%, in accordo con lo SM A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

15 CPV e matrice CKM T odd moments in D 0 K + K π + π arxiv: accettato da JHEP Approccio complementare per la ricerca di violazione di CP in decadimenti 4 corpi Osserv. T-Odd per D 0 ( D ) 0 ): A T = Γ(C T >0) Γ(C T <0) (ĀT Γ(C T >0)+Γ(C T = Γ( C T >0) Γ( C T <0) <0) Γ( C T >0)+Γ( C T <0) C T = p K + ( p π + p π ) C T = p K ( p π p π +) Osservabile CPV finale (FSI si cancella): a T odd CP = 1/2(A T ĀT ) Non sensibile all asimmetria di produzione D 0, D 0 e all asimmetria di ricostruzione di carica Misura delle asimmetrie in diverse regioni dello spazio delle fasi e in funzione del tempo di decadimento del D A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

16 CPV e matrice CKM T odd moments in D 0 K + K π + π arxiv: accettato da JHEP Risultati consistenti con no-cpv: A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

17 CPV e matrice CKM CKM γ da B + DK + LHCb-CONF Nuova combinazione per CKM 2014 γ = ( ) usando solo B DK Più precisa delle combinazioni fatte alle B-factories e non è finita qui... A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

18 CPV e matrice CKM γ da B 0 s D s K [arxiv: ] Sensibile a interferenza in mixing e decay (entrambi gli stati finali sono accessibili sia a B 0 che Bs 0 ) cfit utilizzato per estrarre γ = ( ), δ = ( ), r DsK = Non competitivo rispetto a B + DK + ma è un importante cross-check Efficienza di tagging del 5%! A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

19 CPV e matrice CKM γ da B + D 0 K con D 0 KS 0 hh [arxiv: ] Accesso a γ tramite l interferenza di B + D 0 K + e B + D 0 K + Ha bisogno la fase forte come input esterno (CLEO-c) x + = r B cos (δ B + γ) = ( 7.7 ± 2.4 ± 1.0 ± 0.4) 10 2 y + = r B sin (δ B + γ) = ( 2.2 ± 2.5 ± 0.4 ± 1.0) 10 2 x = r B cos (δ B γ) = (+2.5 ± 2.5 ± 1.0 ± 0.5) 10 2 x = r B sin (δ B γ) = (+7.5 ± 2.9 ± 0.5 ± 1.4) 10 2 La più precisa singola misura di γ! γ = ( ) δ B = ( ) r B = A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

20 CPV e matrice CKM Dalitz Plot di B 0 s D 0 K π + LHCb-PAPER and 36 - Accettato da PRL/PRD Analisi angolare per lo studio dei numeri quantici di risonanze D sj Segnale molto pulito, il Dalitz plot rivela la presenza di varie risonanze: K (892) 0, K 2 (1430)0, Ds 2(2573), DsJ (2860))... Spin del Ds2 (2573) misurato per la prima volta, J = 2 come previsto A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

21 CPV e matrice CKM Dalitz Plot di B 0 s D 0 K π + LHCb-PAPER and 36 - Accettato da PRL/PRD DsJ (2860)) sembra essere composto da due stati di spin 1 e 3 Prima osservazione di stati in decadimenti del B e di una stato heavy flavour a spin 3 Informazioni più dettagliate nel PRD A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

22 CPV e matrice CKM Determinazione di γ e φ s da B hh [arxiv: ] Fit globale ai parametri di CP in Bs 0 K + K e B 0 π + π, con l assunzione di simmetria di U-spin, da accesso a γ e β s Risultati dipendenti dal livello di U-spin breaking, al 50%: γ = [56, 70 ], 2β s = [ 0.28, 0.02] rad al 68% CL con constraint da B + π + π 0 e B 0 π 0 π 0 da B-Factories: γ = ( ), 2β s = rad con B factories A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

23 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle Asimmetria di produzione di B 0 e B 0 s [arxiv: ] Lo studio di CPV in decay richiede la conoscenza dell asimmetria di produzione, A P Misura di A P con una untagged e time-dependent di B 0 J/ψK, B 0 D π + e B 0 s D s π + Asimmetria integrata nella regione 4 < p T < 30 GeV/c, 2.5 < η < 4.5: A p (B 0 ) = ( 0.35 ± 0.76 ± 0.28)% A p (B 0 s ) = (1.09 ± 2.61 ± 0.66)% A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

24 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle B + c lifetime measurement [EPJ C (2014) 74:2839] Grazie a L. Anderlini Lifetime più piccolo di B d,s, B + come previsto, Complicato da calcolare dal punto di vista teorico A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

25 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle Conferma della Z(4430) + ψ(2s)π + PRL 112, Riportato da Belle [PRD 88:074026] in B 0 ψ(2s)π + K, non confermato ne escluso da BaBar [PRD 79:112001] Non spiegabile come mesone convenzionale (q q), quark-content c cu d Analisi a LHCb con più statistica (>25K B 0 ψ(2s)π + K ), due approcci: Model dependent 4D fit in mkπ 2, m2 ψ π, cos θ ψ, φ (Belle) Model independent, basato sull estrazione dei momenti dal sistema K π con polinomi di Legendre (BaBar) Model dependent Model independent A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

26 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle in bin di m ψ π A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38 Conferma della Z(4430) + ψ(2s)π + PRL 112, Usando l approccio model dependent si possono misurarne le proprietà: Dati ben descritti da una Z(4430) + con J P = 1 +, altri J P sono esclusi a > 9σ Proprietà: M Z = 4475 ± MeV/c2, Γ Z = 172 ± MeV/c2 Argand plot 1 suggerisce un comportamento da risonanza 1 ottenuto sostituendo l ampiezza Breit-Wigner per la Z con 6 ampiezze indipendenti

27 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle Conferma della Z (4430)+ ψ(2s)π + A Contu (INFN - CERN) PRL 112, LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

28 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle Studio della produzione di χ b [arxiv: ] Misura di R χb (mp) Υ(nS) σ(pp χ bi (mp)x Υ(nS)γX ) i=1,2 σ(pp Υ(nS)X ) Frazione significativa di Υ provenienti da χ b, non previsto dalle stime teoriche Prima osservazione del decadimento χ b (3P) Υ(3S)γ Misura di precisione della massa m χb (3P) = ± 1.7 ± 2.5 MeV/c 2 A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

29 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle Misura della luminosità a LHC [LHCb-PAPER ] Essenziale per le misure di sezione d urto Due metodi indipendenti: Van Der Meer scan e Beam Gas Imaging (solo a LHCb!) I metodi hanno precisioni simili e sistematiche per lo più scorrelate Precisione eccezionale per un collisore adronico: 1.12% (1.16% con propagazione a physics data) A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

30 Sezioni d urto, spettroscopia e proprietà di particelle Z in collisioni p-pb Prima osservazione di produzione di Z in collisioni p-pb ( s NN = 5 TeV) Sezione d urto misurata forward (direzione di Pb) e backward (direzione del protone) nella regione fiduciale 2.0 < η(µ ± ) < 4.5: σ Z µµ (fwd) = ± 1.2 nb σ Z µµ (bwd) = ± 1.0 nb In ragionevole accordo coi modelli teorici A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

31 Conclusioni Conclusioni LHCb sta producendo molti risultati interessanti con i dati accumulati nel Run1 Grande varietà di misure in aree differenti Molte analisi core saranno aggiornate a breve: B 0 K µµ, φ s da B s J/ψKK, sin 2β, a s sl, y CP, A CP ecc... I gruppi italiani hanno una forte presenza in quasi tutte le analisi principali e ricoprono posizioni chiave in tutti i settori dell esperimento I dati di Run1 potrebbero regalarci ancora qualche sorpresa ma già si lavora sodo per essere pronti al Run2 e all upgrade A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

32 Conclusioni Backups A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

33 Conclusioni A CP in B 0 K µµ e B + K + µµ [arxiv: ]] Se c è nuova fisica in b sl + l, conserva CP? SM predice asimmetrie molto piccole ad alti q 2 Risultati: A K µµ CP = ± ± A K + µµ CP = ± ± A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

34 Conclusioni φ s da B 0 s D + s D s [arxiv: ] Time-dependent analisi, B 0 D D s + usato come controllo Accettanza in lifetime presa dai dati e risoluzione dal MC φ s = 0.02 ± 0.17 ± 0.02 rad Altissima efficienza di tagging, 5.3% A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

35 Conclusioni Precision measurement of B 0 s lifetime Misura del lifetime del B 0 s D + s π (flavour specific) Oscillazione veloce, proporzioni uguali di autostati di massa L e H Normalizzazione rispetto a B 0 D + π e B D 0 π τ fs = (1.535 ± ± ± 0.007) ps World best τ( B s 0) τ( B = ± ± in accordo con HQE 0 ) A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

36 Conclusioni A(m p p < 2.85 GeV/c 2, m 2 Kp < 10 GeV2 /c 4 ) = 0.036±0.023±0.004, A(m p p < 2.85 GeV/c 2, m 2 Kp > 10 GeV2 /c 4 ) = ±0.024±0.004 A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38 Violazione di CP in B + p pk + [LHCb-PAPER accettato da PRL] Ricerca di asimmetria nel Dalitz plane di B + p pk +

37 Conclusioni Sezione d urto del W a 7 TeV [arxiv: ] Fit all distribuzione di p T per l estrazione del segnale In buon accordo coi modelli teorici e con gli altri esperimenti A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38

38 Conclusioni Asimmetria di carica in coppie b b [arxiv: ] Alcuni modelli teorici che tentano di spiegare indizi di asimmetria FB in t t al tevatron prevedono grandi asimmetrie nella produzione b b AC b b N( y>0) N( y<0) N( y>0)+n( y<0) con y = y b y b Il quark b è taggato con i µ da decadimenti leptonici (con contaminazione da b c µ) Nessuna asimmetria significativa per ora.. A Contu (INFN - CERN) LHC-b: risultati di fisica e contributi italiani CNS1-2 Ott / 38