Fisica con i mesoni B

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Fisica con i mesoni B

• ossia test di sapore del Modello Standard
• CB, INFN-FE

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Programma

• Lezione 1 introduzione
• Lezione 2 vite medie e oscillazioni
• Lezione 3 decadimenti semileptonici e rari
• Lezione 4 violazione di CP e sin2b
• Lezione 5 misure di a
• Lezione 6 misure di g

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Mesoni B perché ?

• Mesoni B antiquark b quark
• bu B
• bc Bc
• bd B0d
• bs B0s
• Decadimenti deboli
• quark b pesante (5 GeV/c2)
• Vita media lunga (tB1.5 ps)
• Oscillazioni di sapore (Dmd0.5 ps-1)
• Violazione di CP
• Sensibilità a nuova fisica

Lunico mesone composto da 2 quark pesanti!
oscillazioni materia-antimateria
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Decadimenti deboli nello SM

• Corrente carica debole non conserva il sapore
• Autostati deboli ? autostati di sapore
• Trasformazione unitaria matrice CKM
• 3 generazioni di quark 4 parametri indipendenti
  (3 angoli e una fase), violazione di CP
• Non esistono correnti neutre con variazione del
  sapore (FCNC) a livello albero

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Decadimenti dei B nello SM
LOOP
TREE
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Where to B ?

• Bersagli fissi
• ee- sulla Y(4S), nel continuo e sulla Z0
• Collisori adronici

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1977 scoperta della risonanza ?

• Esperimento a Fermilab (Lederman et al.)
• Protoni da 400 GeV su bersaglio nucleare
• 9000 muoni con massa invariante gt5GeV
• Eccesso a 9.5 GeV

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Commenti su bersagli fissi

• Energia nel c.m. vEfascio
• Sezione durto sbb 10nb per pfascio 800 GeV
• ? Luminosità alta. Tipicamente
• 1010 particelle s-1 su bersaglio di densità
  1024 cm-2
• ? L1034 cm-2 s-1
• ? Fondi alti e non sempre tollerabili
• S/N 310-7, strategia di trigger fondamentale
• ad esempio, si richiede J/Y ? mm-
• inefficienza sul segnale Br(B?J/YX)Br(J/Y?mm-)
  0.6
• oppure si cercano vertici separati
• Ad esempio, per pfascio920GeV, il B viaggia in
  media 8mm

NB 1barn 1b 10-24cm2 1nb 10-9b
10-33cm2
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Acceleratori ee-
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ee-? ?(4S) ? BB

• Sezione durto BB 1nb, continuo (ee- ? qq)
  3.5nb
• ?(4S) sopra la soglia di produzione BB ? solo B
  e B0d
• Produzione coerente, JPC1-- ? importante per
  oscillazioni e violazione di CP!

G 24MeV
G O(10keV)
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Cinematica ?(4S) ? BB

• m?(4S)10.580Gev 2mB10.557 GeV
• pB340MeV bgct30mm
• Decadimento a riposo
• Impossibile effettuare misure
• temporali con fasci simmetrici
• 5 tracce cariche, 5 fotoni
• per decadimento
• Complicato distinguere i 2
• decadimenti (combinatorio)
• Discriminazione del continuo
• Event shape
• Cinematica
• Presa dati al difuori del picco

CLEO a CESR, Cornell, USA
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Variabili di event shape

• Thrust
• Sfericità
• Fox-Wolfram
• Si può costruire un discriminante di Fisher

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Variabili cinematiche
Si sfrutta il vincolo dellenergia dei fasci per
migliorare la risoluzione
Tipicamente ?mes ? 3 MeV s DE ? 15 MeV
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CLEO a CESR, Cornell
Presa dati 1979-2002 Integrati 9 fb-1 alla
?(4S)
L 1032 cm-2 s-1
Ora Y(3770) ? DD (charm factory)
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Fabbriche di B asimmetriche PEP2
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Parametri di PEP-II
Parameter Disegno Raggiunti
Energia LER 3.1 GeV 3.1 GeV
Energia HER 9.0 GeV 9.0 GeV
N. di bunch 1658 1561
Corrente LER 2140 mA 2430 mA
Corrente HER 750 mA 1380 mA
Vita media LER 240 min. 200 min.
Vita media HER 240 min. 660 min.
Beam size x 222 mm 190 mm
Beam size y 6.7 mm 6.0 mm
Luminosità 3 x 1033 1.2 x 1034
Boost bg 0.56
4ns bunch crossing
Correnti alte
130 ? 106 B0/anno
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Fabbriche di B asimmetriche KEK-B
Energia dei fasci 8 GeV (e-) 3.5 GeV
(e) Correnti 2.00 A (e) 1.40 A (e-)
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Prestazioni delle 2 fabbriche

• Ottimo funzionamento sia di PEP-2 che di
  KEK-B
• Disegno 30 fb-1/anno

design
BaBar BelleLmax (1033/cm2/s)
12.1 17.1 best 24h (pb-1) 891
1243 totale (fb-1) 422 710
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Il rivelatore Babar

Instrumented Flux Return 19 strati di RPC/LST
Magnete da 1.5 T
Rivelatore Cerenkov 144 barre di quarzo
Camera a deriva
Calorimetro EM 5680 cristalli di CsI
Tracciatore di vertice a silicio 5 strati di
silicio a doppia faccia
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Tracciatore di vertice a silicio misura precisa
del dz
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 00

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

• 40 strati di fili allinterno del campo magnetico
  da 1.5 Tesla
• Misura dellimpulso delle particelle cariche
• Misura della perdita di energia per ionizzazione
  (particle ID)

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DIRC Rivelatore Cerenkov

• Luce Cerenkov nel quarzo
• Trasmessa per riflessione interna
• Anelli proiettivi nella standoff box
• Rivelazione con fotomoltiplicatori
• Essenziale per identificare K gt2 GeV

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EMC Calorimetro elettromagnetico g/p0/e? ID

• 6580 cristalli di CsI(Tl), con lettura tramite
  fotodiodi
• Circa 18 X0, dentro il solenoide
• Eccellente risoluzione in energia, essenziale per
  p0 ? gg

?0
s 5.0
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Instrumented Flux return identificazione µ?, KL

• Fino a 21 strati di rivelatori alternati a piani
  di ferro
• Identificazione di muoni oltre 500 MeV
• Rivelazione di adroni neutri (KL)
• RPC poco efficienti
• Sostituzione con tubi di Iarocci (nel barile)

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Belle a KEK-B
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ee- nel continuo
I quark b adronizzano 75 B0d/B 15 B0s 10
barioni/stati eccitati

• ? I B viaggiano
• (pB70 Efascio)
• Misure dipendenti dal tempo!
• ? s 1/s (87nb)/(4E2fascio)
• 35 pb a vs 29GeV
• 8 pb a vs 60GeV
• S/B 1/10

• Reiezione del fondo
• leptoni ad alto impulso (1-2GeV)
• Boosted sphericity product
• Parametri dimpatto
• vertici secondari
• ampio uso in LEP/SLC

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ee- al picco della Z0

• Adronizzazione
• Boost bgct 2mm
• G(Z0?ff)GFM3Z(g2Vg2A)
• sbb 5nb
• S/B 1/5

Fermione gV gA GZ (MeV)
n ½ ½ 166
l - ½ 2 sin2qw - ½ 83.5
u, c - ½ - 4/3 sin2qw ½ 285
d, s, b - ½ 2/3 sin2qw ½ 369
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LEP (1989-2000)
L 1031 cm-2 s-1
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ALEPH (1989-2000)
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Reiezione del fondo (1)

• b?cln (BR20)
• Elmax ½ mb 2.5 GeV
• b?c?sln
• c?sln
• Elmax ½ mc 0.9 GeV
• p? invariante relativistico
• p duro (frammentazione)
• Altri leptoni da
• K ?m, p ?m
• g ?ee-
• Misidentificazioni
• pgt3GeV, p?gt1GeV
• 80 bb
• 15 cc
• 5 altro

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Reiezione del fondo (2)

• Parametro dimpatto

• vertici secondari

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Collisori adronici

• Sezione durto molto alta
• Tevatron, vs1.8 TeV
• sbb 18mb sbb /stot 10-3
• LHC vs14 TeV
• sbb 100mb sbb /stot 210-3
• B0d, B0s, B, Lb, ?b, B(s), B(s)
• Trigger essenziale
• B? J/y ? mm-
• Decadimenti semileptonici
• Decadimenti adronici con
• vertice secondario
• Rate disponibile dipende
• da programma di fisica
• Molte tracce di fondo
• Tracciatore di vertice ad
• alta precisione
• Algoritmi di ricostruzione dedicati

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Tevatron a Fermilab, Chicago
Run1 (1992-1996) L 1031 cm-2 s-1 Integrati
150 pb-1
Run2 (2001-2009) L gt 1032 cm-2 s-1 Integrati 2
fb-1 Nel 2009 4-8 fb-1
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CDF D0

• CDF
• trigger con tracce e
• vertici secondari
• PID TOF e dE/dx
• ottima risoluzione in
• massa invariante

• D0
• accettanza per m
• tracciamento in avanti

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_at_CERN
b
b
LHCb
CERN
ATLAS
CMS
ALICE

• vs 7 TeV
• LHCb L2-5 x 1032 cm-2 s-1
• sbb 500 mb
• inel / s bb 160
• gt 1 year 2 fb-1

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Lo spettrometro LHCb
Requisiti tracciatura vertexing
eccellenti particle ID (e/m/p/K/p)
eccellente Trigger Flessibile Efficiente
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Requisiti tracciatura vertexing
eccellenti particle ID (e/m/p/K/p)
eccellente Trigger Flessibile Efficiente
Lo spettrometro LHCb
Vertici Parametri dimpatto tracce
Vertex Locator (Velo) 21 moduli di silicio a
microstrisce, risoluzione puntuale 5 mm Pileup
veto Trigger L0 / HLT trigger
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Requisiti tracciatura vertexing
eccellenti particle ID (e/m/p/K/p)
eccellente Trigger Flessibile Efficiente
Lo spettrometro LHCb
Tracciamento campo magnetico Impulso masse
2 sistemi di tracciatura TT T1/T2/T3 campo
magnetico di 4Tm Silicio a microstrisce e straw
tubes Trigger HLT
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Requisiti tracciatura vertexing
eccellenti particle ID (e/m/p/K/p)
eccellente Trigger Flessibile Efficiente
Lo spettrometro LHCb
Identificazione p/K Selezione segnale, reiezione
fondo, etichettatura sapore
p/K PID 2 sistemi RICH RICH1 aerogel n1.03
C4F10n1.0014 RICH2 CF4n1.0005
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Requisiti tracciatura vertexing
eccellenti particle ID (e/m/p/K/p)
eccellente Trigger Flessibile Efficiente
Lo spettrometro LHCb
Identificazione e/h/neutri Selezione segnale,
reiezione fondo, etichettatura sapore
Calorimetri SPD/PS ECAL HCAL 2.5X0 (PS) 25 X0
(ECAL) 5.6 l0 (HCAL) Trigger L0 su adroni ed
electroni ad alta ET
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Requisiti tracciatura vertexing
eccellenti particle ID (e/m/p/K/p)
eccellente Trigger Flessibile Efficiente
Lo spettrometro LHCb
Identificazione m Selezione segnale, reiezione
fondo, etichettatura sapore
Rivelatore per muoni 5 stazioni/ 4 Filtri
(E-HCALMF) Trigger L0 di muoni ad alto pT
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Il trigger di LHCb
efficienze L0, HLT e L0HLT (normalizzate sugli
eventi selezionati)
HLT rate Tipo di evento Processo fisico
200 Hz Decadimenti esclusivi del B B (programma principale)
600 Hz Coppie di muoni ad alta massa J/?, b?J/?X (senza bias temporale)
300 Hz Eventi con D Charm (mixing CPV)
900 Hz Decadimenti b inclusivi (e.g. b?m) B (alla ricerca di sorprese")
Selezioni inclusive per calibrare il rivelatore e
stimare le sistematiche (trigger/tracciatura
/etichettatura/PID) ma anche per misure di fisica
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Evento tipico
L 2 x 1032 cm-2 s-1
1012 bb/anno !
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Where to B? Sommario
Acceleratore vs L cm-2 s-1 sbb sbb/ shad Nbb/107s Commenti
CESR 10 GeV 2 x 1032 1.05 nb 1/4 2 x106 ?(4S) -a riposo - solo B0d, B
TRISTAN 60 GeV 1 x 1031 0.008 nb 1/11 800 tutti gli adroni time-dep. -rate piccolissimo
LEP 90 GeV 1 x 1031 5 nb 1/5 5 x 105 tutti gli adroni time-dep. -basso rate
Tevatron 1.9 TeV 1 x 1032 50mb 1/1000 5 x 1010 tutti gli adroni time-dep. -trigger, fondi. accettanza,
LHCb 14 TeV 2 x 1032 200mb 1/2000 4 x 1011 tutti gli adroni time-dep. -trigger, fondi, accettanza
PEP-II, KEKB 10 GeV 1034 1.05 nb 1/4 108 ?(4S) time-dep. - solo B0d, B