Duo sur la beaut

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Duo sur la beauté .ou La physique du B à LEP
avec les expériences ALEPH et DELPHI
Marie-Hélène Schune Achille Stocchi
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• Le LEP une formidable machine
• Produire et étudier la beauté ?
• ALEPH et DELPHI / DELPHI et ALEPH
• La beauté à la loupe

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Le LEP une formidable machine
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Le LEP quelques dates

• 1981 approbation du LEP
• 1982 approbation des 4
• expériences (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL)
• 1987 installation des premiers
• aimants

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Le LEP quelques dates

• 14 juillet 1989 premiers faisceaux
• 13 Août 1989 premier événement Z0
• enregistré par OPAL
• 1989-1995 LEP-I la machine est réglée pour
  produire des Z0 (90 GeV)
• 1995-2000 LEP-II montée en énergie jusquà
  210 GeV ( chasse au boson de Higgs)

? physique électrofaible, du t, du charme
? physique du W, SUSY, recherche de nouvelles
particules
6
Le LEP des faits !
Circonférence 27km Profondeur 50 à 175 m
Diamètre du tunnel 3,8m (arcs) à 5m (sections
droites)
Les électrons et les positrons font le tour du
LEP 11200 fois par s
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Quatre détecteurs
L3
DELPHI
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Produire et étudier la beauté ?
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Fiche identitaire de la beauté
Charge élect.
4 forces
Int
g
électromagnétique
2/3
W, Z0
faible
-1/3
gluons
forte
0
Gravitation graviton
-1
Particules dinteraction
Particules de matière
Le Modèle Standard
10
Le LEP production des Z0
45 GeV
45 GeV
Z0
1011 particules par paquet
Production de nouvelles particules
E mc2
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La philo du comptoir.
La physique des particules met en jeu des
concepts peu intuitifs .
Mécanique Quantique
Masse/énergie
Monde relativiste les particules vont à la
vitesse de la lumière c
Relativité restreinte
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Un outil très utile le graphe de Feynman
e
Z0
e-
f
intensité du couplage (dépend des particules
mises en jeu)

• Le Z0 se désintègre en
• paire de leptons chargés electrons, muons, taus
  10 des cas
• paire de neutrinos (invisibles) 20 des cas
• paire de quarks (quarks u,d,c,s,b) 70 des cas

fe,m,t
fneutrino
fquark
13
(No Transcript)
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Probabilités et rapports dembranchement
boite à Z0
La probabilité que le Z0 se  transforme 
(se désintègre) en
est de 40/20020
est de 20/20010
est de 14/2007
est de 26/20013
est de 50/20025
est de 32/20016
est de 18/2009
1 200
1 200
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Mais on ne voit pas les quarks b.

• Habillage lhadronisation

Plusieurs sortes de hadrons beaux

détecteur
Mésons
Les hadrons B sont liés par linteraction forte
(ex p (ud) )
B
Les gluons la colle de linteraction forte
Baryons
u
(ex p (uud) )
16
(No Transcript)
17
y
x
axe des faisceaux
leptons
quarks
10m
18
Exemple de la désintégration semileptonique
Les hadrons B se désintègrent par interaction
faible Les particules les plus lourdes se
désintègrent plus rapidement ? le quark d ne
participe pas il est spectateur
l-
W-
La masse du B 5 GeV la masse du W 80 GeV ?
phénomène rare
c
b
D
d
d
19
Mais pourquoi étudier la physique du B ???
20
Pourquoi étudier la physique du B ? ? pour
étudier linteraction faible ? pour mesurer 4
paramètres non prédits par le Modèle Standard
Ces couplages sont codifiés dans une matrice 3 X
3 matrice CKM
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La matrice CKM 4 paramètres l ,A, r, h
Mesuré par ailleurs l 0.22
La physique du b joue un rôle très important dans
la détermination de ces paramètres
?
(?,?)
a
(1,0)
g
Surface du triangle reliée à la taille de la
violation de CP dans le Modèle Standard
b
(0,0)
?
On y reviendra
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Pourquoi étudier la physique du B ? ? pour
rechercher des phénomènes de nouvelle physique
?
d , s
b
détecteur
détecteur
g
u, d , s, c
Dans les boucles particules de nouvelle physique
Diagramme compliqué ? phénomène rare
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Rechercher la nouvelle physique cest comme
cueillir les champignons

• Quelques principes pour la cueillette des cèpes
  
• ils ne sont murs que 2 à 3 semaines par an
• ils sont de la couleur des feuilles mortes

La découverte de la nouvelle physique cest la
cueillette réussie
On a plus de chance de réussir si lon se place
dans une configuration où le MS ne contribue pas
(ou peu)
Cest à dire quand les champignons sont murs et
avant la chute des feuilles.
Par rapport à la durée dune année cest un
phénomène rare
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Pourquoi étudier la physique du B ? ? pour
mesurer la violation de CP

• Big-Bang autant de matière que danti-matière
• Aujourdhui dans lUnivers matière

La violation de CP avec les mains
Si il y a conservation de CP matière et
anti-matière sannihilent
CP
comme ces mains si on les superposaient.
Il faut un désalignement cest la violation de
CP
Andrei Sakharov (1967)
Le taux de violation de CP dans le Modèle
Standard est 10000000000 fois trop faible pour
expliquer lasymétrie matière/anti-matière dans
lunivers
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ALEPH et DELPHI / DELPHI et ALEPH
26
Détecter les particules
Chambre à traces
Calorimètre électromagnétique
Détecteur à muons
Calorimètre hadronique
e
Tube à vide
Chambre à traces
e-
Calorimètre électromagnétique
Calorimètre hadronique
Détecteur à muons
27
DELPHI

10m x 10m 3500 tonnes (1/3 de tour Eiffel)
28
DELPHI Détecteur de vertex au Silicium
(1992)
Mesure précise (10 mm) des trajectoires des
particules chargées au voisinage (6cm) du point
dinteraction
29
DELPHI la TPC
Juste avant la fermeture (1988)
Tissage (1987)
Mesure des trajectoires des particules chargées
Enfournement de la TPC dans le détecteur (1988)
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DELPHI le RICH
(1988)
Tests HT sur les bi-tubes à fréon liquide (1988)
Permet principalement de différencier K? p? et p
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Enfournement des modules dans le détecteur
(1987)
Câblage dun module du calorimètre (1986)
Presque tous les modules sont installés (1988)
Mesure de lénergie des électrons et des photons
ALEPH
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Comment reconnaître un B ?
recherche dun électron ou dun muon énergétique
l -
interaction faible ? grande durée de vie
Reconstruction de larbre de désintégration (D
l). Corrélation des charges du D et du lepton
W-
c
b
B0
D
d
d
l
D
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Z0? bb un des b shadronise en Bd et Bd? D e n
D?D0 p- D0?Kp-
1mm
10m
Sans les détecteurs de vertex au silicium on
naurait pas pu étudier la physique du B à LEP
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Reconstruction de larbre de désintégration
l-
K-
p
dans le détecteur
point de désintégration du D0
pmou
Valeur de la masse du D0 (connue par ailleurs)
point de désintégration du B0
point de collision ee-
Accumulation devts attribués au D0

• Mesure des trajectoires des particules
• mesure de leur impulsion
• calcul de la masse de la particule qui leur a
  donné naissance

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La beauté à la loupe
36
Découverte du Bs
7 événements
1992
paires Ds l- et Ds- l
M(Ds )
2000
On identifie un lepton (l) On reconstruit le
Ds On corrèle les charges du Ds et du l
Nouveaux modes de désintégrations du Ds Plus de
données Analyses plus élaborées
200 événements
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La durée de vie dune particule

• On se place dans un cadre statistique et on
  considère un ensemble de particules

vie moyenne (définie pour une particule est au
repos)
N(t) N0e-t/?
N0
t
La durée de vie cest le temps au bout duquel, si
on part dune boite qui contient 100 particules,
il ny en a plus que 37100/e(2.72)
N0/e
t
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Durées de vie des mésons B apport de LEP
Usines à B
Usines à B
Avant LEP Durées de vie du B
et Bd0 connues à 20 du Bs0 et LB
inconnues
Les Bs0 et LB ont été découverts à LEP
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Mesure des durées de vie des mésons B
Pourquoi étudier la physique du B ? ? pour
étudier linteraction forte
q s ? Bs q d ? Bd q u ? B- q ud ? Lb
l-
Si q est vraiment spectateur même durées de vie
pour tous (ne dépend que de mb et de la force de
linteraction faible)
W-
c
théorie
b
D
B
q
q
1.073 0.014 0.949 0.038 0.797 0.052
Confronter avec les prédictions théoriques ces
différents rapports cest essayer de comprendre
la dynamique des mésons B
rapports des durées de vie
q spectateur
40
La matrice CKM 4 paramètres l ,A, r, h
Mesuré par ailleurs l 0.22
d
s
b
A l3(r-ih)
1-l2/2
l
u
1-l2/2
-l
Al2
c
A l3(1-r-ih)
-Al2
1
t
Vtb
Energie du lepton
l-
l-
W-
W-
c
u
b
b
b
Vcb
Vub
41
Dans certains cas bien particuliers, ce que lon
appelle particule est un système couplé dune
particule et de son anti-particule.
B0d
B0s
Loi exponentielle (cf durée de vie)
A t2.2tB ce que lon observe a autant de chance
dêtre un B0 quun B0 quelque soit la particule
produite à t0
Fréquence doscillation
42
La fréquence doscillation Dmq est calculable
dans le cadre du Modèle Standard
Vtd
W?
s
d
B0d
t
t
d
W?
Vtd
Dms
Dmd
Expérimentalement
B0d
Dmd mesuré avec 2.4 de précision
cos !
Dms fréquence si élevée que lon na pas pu la
mesurer limite seulement
-2 0 2 4 6 8 10 12
t(ps)
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Mesure indirecte de la violation de CP
De nombreuses mesures faites avec les mésons B à
LEP ont permis de mesurer indirectement la
violation de CP pour les B.
Mesuré par ailleurs l 0.22
d
s
b
A l3(r-ih)
1-l2/2
l
u
Désintégrations du B
1-l2/2
-l
Al2
c
h
(?,?)
A l3(1-r-ih)
-Al2
1
t
a
Vtb
Oscillations du B
(1,0)
g
b
(0,0)
?
h 0
Violation de CP
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Principe de la mesure indirecte
Quel est le poids de cette cannette (qui est
fermée) ?
Mesures des côtés du triangle
On est dans le cadre du Modèle Standard
Perrier ? masse par unité de volume connue (r )
M Volume r
On en déduit limportance de la violation de CP
pour les mésons B
On mesure directement la taille de la violation
de CP pour les mésons B. (BaBar, LHCb)
45
Héritage du LEP
46
Comment la physique du B faite à LEP a-t-elle
contribué à lamélioration de la connaissance des
paramètres de la matrice CKM ?
h
r
h
fin des analyses de LEP/SLD (2002)
r
47
Les valeurs des angles a et g sont prédites
Mesures directes attendues par BaBar et BELLE,
puis LHCb Dms (oscillation du Bs) sera mesuré
au Tevatron (CDF,D0)
48
Merci à
François Couchot
Frédérique Fulda
Geneviève Gilbert
Michel Jouvin
Anne-Marie Lutz
Hélène Kerec
Xavier Giroux
Patrick Roudeau
Patrice Verdier
qui ont
recherché des photos
cherché des analogies
gravé
scanné des photos
joué les cobayes
49
Backup slides
50
La vie nest pas toujours aussi simple
Oscillations du B
d, s
d, s
W-
b
b
W-
W-
d, s
d, s
b
b
W-
Émettre une particule lourde a un prix .. En
physique la probabilité est faible
Dans la vie ce qui est cher est rare (???)
B?K l l -
b
51
Pourquoi utiliser des phénomènes rares ?
Pour mesurer la lumière émise par une étoile
La nuit
Le jour
Il est préférable déteindre le Soleil.
Pour mesurer la couronne solaire
Il est préférable de cacher le Soleil avec la
Lune
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Dms pas de mesure , seulement une limite
inférieure
World-averages LEP/CDF/B-factories
Mesure de précision (1.2 dincertitude)
World-averages LEP/CDF/SLD
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Z0? bb un des b shadronise en Bs et Bs? Ds e-
n Ds ?f p f?KK-
10m
1mm
0
0
1cm
54
d
s
b
0.01
u
c
t