Violation de CP aux Usines Msons B

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Violation de CP aux Usines à Mésons B

• J. Chauveau
• LPNHE Univ. Paris 6-7

Séminaire à Subatech, Nantes, Le 9 septembre 2004
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Plan
Tous les résultats sont préliminaires sauf
indication contraire

• Enjeux
• La violation de CP
• Usines à mésons B
• Résultats récents (ICHEP04)
• Perspectives
• Résumé

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Enjeux

• Motivation
• le problème de lantimatière
• le problème de la saveur
• linvariance par renversement du temps et CPT
• Modèle standard/nouvelle physique

Quelques dates
4
Rapide survol du formalisme quantique(G. Hamel
de Monchenault GIF03)

• Système à 2 niveaux (mésons P0 P0bar) couplés à
  un continuum détats f
• H H0 Hw approximation de Wigner-Weisskopf
  dans la théorie des perturbations dépendant du
  temps
• Evolution gouvernée par un hamiltonien effectif
  non hermitien
• H M i G/2
• matrices (22) de masse et de désintégration,
  hermitiennes
• Etats physiques obtenus en diagonalisant H
• termes non diagonaux dans la base des saveurs
• M12 processus virtuels Dflav2, G12 processus
  onshell Dflav1
• Evolution des états physiques 3 types de
  violation de CP

On suppose ici que le théorème CPT est vérifié.
5
En formules
Diagonalisation
Battements atténués
6
Ordres de grandeur
7
Violation de CP et de T dans le mélange

• Effet prépondérant pour les K
• Et pour les neutrinos ?

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Désintegrations vers un état final quelconque f
9
3 types de violation de CP
10
Violation directe
11
Violation dans le mélange
12
Violation dans linterférence
13
Modèle standard CKM

• CKM couplages complexes dans LYukawa
• Couplage électrofaible des W aux quarks
• Mélange quantique des DL entre états propres
• de saveur états propres de masse
• V est unitaire. Avec 3 générations 4 paramètres
  
• 3 angles et une phase

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Standard or not ?

• The standard model (SM) accommodates CP violation
  through the CKM quark mixing.

• Experimental protocol Overconstrain the CKM
  angles. Overconstrain the 4 CKM parameters
  r,h,l,A look for new physics.

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Amplitude structure in the SM
T
P
EWP
Cabibbo and color suppression
l4
l2
Accs Vcb Vcs Tccs Vub Vus Ps Asss Vcb
Vcs P Vub Vus P Accd Vtb Vtd P Vcb
Vcd Tccd Auud Vtb Vtd P Vub Vud
Tuud (Tcus Tucs) common D decay modes
Charmonium KS,L b FKS b DD- bf p
p- aeff
GOLDEN
l3
DK g
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Où en est-on ?
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Time dependent CP Asymmetries

• For B decaying to fCP (CP eigenstate) .

• Statistics (low B.R.) B factory
• Exclusive B mesons reconstruction
  tracking/calorimetry
• Dt measurement asymmetric collider,
  vertexing
• Flavor tagging particle identification

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Les usines à B asymétriques
KEK-B à Tsukuba
PEP-II à Stanford
e- _at_ 9 GeV ? e _at_ 3,1 GeV collision frontale des
paquets
e- _at_ 8 GeV ? e _at_ 3,5 GeV collision à ?11mrad
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Les usines à B asymétriques
576 millions de paires enregistrées depuis
1999
20
Current luminosities and data samples
Total 244 286
fb-1 0.530 ab-1!!
22fb-1/month
17fb-1/month
21
The BaBar Collaboration Detector
SVT 97 efficiency, 15mm z hit
resolution SVTDCH s(pT)/pT 0.13 x pT
0.45 DIRC K-p separation 4.2 s _at_ 3.0 GeV EMC
sE/E 2.3 E-1/4 ? 1.9
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Belle detector at KEK
Both BaBar and Belle optimized for CP asymmetries
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Experimental Technique
Exclusive B Meson Reconstruction
B-Flavor Tagging
24
Exclusive B decay reconstruction

• Likelihood fits with discriminating variables
• Kinematics
• Particle ID
• Event shape variables, to separate the continuum
  bkgd
• Efficiency
• Typically ????15?40
• Purity
• Up to 97 (for J/?KS)

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Vertex and Dt Reconstruction

• Reconstruct Brec vertex fromcharged Brec
  daughters
• Determine BTag vertex from
• charged tracks not belonging to Brec
• Brec vertex and momentum
• beam spot and U(4S) momentum
• High efficiency 97
• Average Dz resolution is 180 mm (ltDzgt bgct
  260 mm)
• Dt resolution function measured from data

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B Flavour Tagging
Overall tagging performance
recently improved to 30.5
BaBar
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B mésons lifetimes
Bd Mixing Fit Result
t01,546 /-0,032 /-0,022 ps t 1,673 /- 0,032
/- 0,023 ps t/t01,082 /-0,026 /-0,012
PRL87201803 (2001).
Dmd 0.516 0.016 0.010 ps-1 World Average
0.496 0.007 ps-1
hep-ex/0112044 Accepted by PRL
Dilution D1-2ltwgt
28
sin 2b
29
sin 2b in b ? ccs tree decays
See talk by M. Bruinsma in Session 8
PRELIMINARY
30
sin2b une mesure de précision
sin2ß 0,722?0,040stat? 0,023syst
PRELIMINARY
bruit
sin2ß 0,728?0,056stat? 0,023syst
sin2ß 0,726?0,037
moyenne
Précision de 5 !
pas de violation de CP directe
BABAR l0,950 ?0,031?0,013 Belle
l1,007 ?0,041?0,033
première détermination du signe (BABAR )
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sin 2b in gluonic penguin mediated decays(1)
See talk by A. Hoecker (BABAR), and K.F. Chen
(Belle) in session
d
32
sin 2b in gluonic penguin mediated decays (2)
Belle in 2003 3.5 s from SM! Phys.Rev.Lett. 91
(2003) 261602
-hf.Sf
0.96 0.50 0.090.11
0.47 0.34 0.080.06
FK0
0.51 0.26 0.05 0.180.00
0.56 0.25 0.04 0.170.00
KKKS
2003
0.43 0.27 0.05
0.02 0.34 0.03
?'KS
33
sin 2b in gluonic penguin mediated decays(3)
227 ?106 B pairs
B0??KS
hCP1
B ? f KS,L
114 12, 96 18 events
S 0.50 0.25 0.07-0.04 C 0.00 0.23
0.05
PRELIMINARY
hCP1
B0??KL
34
sin2b in gluonic penguin mediated decays(3)
s-penguin average at 2.7? from sin2?cc (BABAR
only)
PRELIMINARY
Also New
100 95 90 pure-P
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sin2aeff
36
sin2? from B ? ??, ??, ??
Interference of suppressed b ? u tree decay
with mixing
but penguin is sizeable!
B0 decay penguin
B0 mixing
B0 decay tree
Coefficients of time-dependent CP Asymmetry
With no penguins
With large penguins and P/T 0.3
37
Désintégrations B ? pp
HDR Lydia Roos 6/9/04
PRELIMINARY
moyenne
3,2s !
38
B0 ? p0p0 et B ? pp0
Observation du mode B0 ? p0p0
PRELIMINARY
B ? pp0
et premières mesures de lasymétrie
() 85M BB
Pur arbre
39
a daprès B ? pp
Moyennes actuelles
Analyse en isospin (Gronau, London)
-40olta-aefflt38o (90CL)
40
Désintégrations B ? rr
Désintégrations B ? VV en
principe, mélange CP/CP- en pratique pur
CP , car dominées par la composante
longitudinale
(BABAR BELLE)
41
a daprès B ? rr
Parfait accord avec la contrainte indirecte
Nouvelle valeur de BABAR (1s)
2?4 ambiguïtés
42
Etude des modes B ? rp
?
? -
43
Analyse Dalitz B0 ? pp-p0
Ajustement de la distribution temporelle dans le
plan Dalitz
avec
Forme de la résonance
Observables supplémentaires grâce aux régions
dinterférence Extraction des phases fortes
et de a Nécessite des échantillons de très
grande statistique
44
Résultats de lanalyse Dalitz
PRELIMINARY
2,9s
Violation de CP directe
diagrammes W ? r
diagrammes spect. ? r
combiné avec lanalyse rp de Belle 3,6s
45
Combinaison des contraintes sur a
B ? pp
(90CL)
B ? rp
B ? rr
moyenne
B ? rp B ? rr
En parfait accord et plus précise que la
contrainte indirecte
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Searching for Direct CPV in B0?K??
227x106 B pairs

• Motivation
• Both tree(T) and penguin(P) diagram contribute

Tree

• Clean charmless mode with large BF

HFAG, March 2004

• Method
• Extended ML fit simultaneously determines
• n??, nK?, nKK, AK? and AK?b
• and uses

• ?c PDFs separately for K ,K?, ?, ?? from PID
  control sample

Penguin
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First Observation of Direct CPV in B decay
submitted to PRL
hep-ex/04070570
PRELIMINARY
background subtracted
signal enhanced
48
Why so exciting?

• Not unexpected strikingly larger than direct CPV
  in K decays Re(???) (16.7 ? 1.6)?10?4
• Naïve picture (neglecting EW penguins and other
  effects)
• Observed CP asymmetry

2g

• Real life more complicated (EW penguins etc), but
  CP asymmetries give a very important tool to
  disentangle P, T and constrain ?.

49
gCKM
50
Désintégrations des B en D K()
51
B-?D0CPK()- yields
Combine several final states
PRELIMINARY
52
GLW B-?D()0CPK()- results
D0CP K -
D0CP K - (K- ? KSp -)
NBB214 106
NBB227 106
PRELIMINARY
0.15?
Additional systematic error on ACP- ( CP even
background)
D0 (D0CPp0)K -
NBB123 106
PRELIMINARY
More CP eigenstate final states still to be
added
More statistics needed to constrain g
53
B- ? D()0Kp-K- decays ADS method
BABAR
Update for ICHEP04
PRELIMINARY
Belle
BABAR CONF-04/013
54
Dalitz analysis of B- ? D()0KSpp-K-
2
Schematic view of the interference
55
PEP-II Luminosity Projections
KEKB plans are comparable or better!
56
Some sensitivity projections
Kg
Penguin Modes
2-Body Isospin Analysis
f0KS KSp0 jKS hKS KKKS
??
?(sin2?)
0.17
9o
0.06
2009
2009
gamma modes, GLWADS
r 0.1
?(sin2?)
r 0.2
??
r 0.3
10o
0.09
4o
2009
2009
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Résumé, perspectives

• Mesures de précision sur le triangle dunitarité
  en vue (5 sur sin 2b)
• Saine concurrence/émulation entre les 2
  expériences
• Violation de CP directe observée
• Détermination de alpha a partir des
  désintégrations sans charme (chance)
• Mesures de gamma dans lenfance. rB petit
• Le modèle standard résiste bien !
• Pistes pour la nouvelle physique b sg(ssbar)
• Dici 2009, 10 la statistique actuelle.
• Plans pour de futures super usines a B

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Compléments
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cos2b from B0 ? J/yK0(KSp0)

• J/yK0 (KSp0) final state can be hF 1 or hF
  -1, depending on L 0, 1, 2
• Full angular analysis allows for the separation
  of CP even (A A e id , A0 A0 e id
  0) and CP odd (A? A? e id ?)
• Many terms in time-dependent decay rate, but two
  are proportional to cos2ß

BABAR
BABAR
PRELIMINARY
(with sin(2ß) fixed to 0.731) Sign ambiguity is
related to the sign of strong phase difference

• Use interference of s-wave and p-wave
  contributions to Kp final state to resolve sign
  ambiguity for strong phases

? solution 1 unphysical solution
? solution 2 physical solution
? LASS data
60
Parameters for High-Luminosity B Factory
LER vacuum
IR
HER vacuum, 952 MHz rf
J.Seeman
61
Searching for New Physics
Kg
f0KS KSp0 jKS hKS KKKS
Discovery region if non-SM physics is 20 effect