To be or not to be ? Physics reach di LHCb Marta Calvi Università di Milano Bicocca e INFN Milano Commissione Scientifica Nazionale I Frascati 4 Febbraio 2003 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (1) Scopi principali di LHCb Sovra-determinare i parametri dei Triangoli di Unitarietà Evidenziare segnali di Nuova Fisica Distinguere tra diversi modelli oltre lo SM Misure di CP di precisione, con alta statistica Misure di CP in molti canali, anche in canali nuovi, non possibili altrove (es.Bs) Anche stati finali solo adronici e Decadimenti del b rari molti-corpi: Bd pp, Bd D*p, . . . BdK* g, BdK*mm, . . . Marta Calvi BsKK,BsDsK,BsJ/yf , . . . rapide oscillazioni del Bs necessità separazione K/p CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (2) Molte estensioni dello SM implicano nuove particelle nei diagrammi a loop le misure di mixing e di alcune asimm. CP non forniscono direttamente il valore di lati ed angoli dei triangoli CKM. Una strategia risolutiva: · Misure di g indipendenti da eventuali contributi di NF nei diagrammi a loop come: Asimm. CP in Bs DsK e Bs J/yf g -2dg 2dg Asimm. CP in Bd D*p e B J/y KS 2b+ g 2b · Misure di asimmetria in canali particolarmente sensibili a contributi di NF come: Bs J/yf, Bs K*mm , ecc. Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 Necessari: Produzione Bs Alta statistica (3) Vantaggi della fisica del b ad LHCb pp @ 14 TeV sbb ~ 500 mb sbb / sinel. ~ 0.01 40 MHz 1012 bb / anno con Bd, Bs , barioni, Bc alta statistica su diversi canali L = 2x1032 cm–2s-1 n = 0.4 inter. inel. vis. per bunch crossing Regolata localmente ricostruzione degli eventi più semplice Rivelatore in avanti 1.9< h <4.9 · bb correlati spazialmente eb ~ 30 % · B ad alto momento: bg ~14 bgct ~ 7mm separazione tra vertici produzione e decadimento misura del tempo proprio favorita · Possibile uso di soglie in pT inferiori Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (4) LHCb: il rivelatore Punti di forza: Trigger dedicato, su vari stati finali (leptoni, adroni), adattabile (varie strategie) Risoluzione di vertice e tempo proprio Risoluzione in massa PID: separazione K/p/p da RICH identificazione m da camere MU , e da Calorimetro Stato attuale: 8 TDR già approvate: Magnete, VErtex LOcator, RICH, Calorimetro, Muon Detector, Outer Tracker, OnLine System Recente revisione della configurazione di alcune parti del rivelatore (non in discussione le tecnologie) per Sett.03: “Detector Reoptimization TDR” e “Trigger TDR” Riduzione del materiale davanti a RICH2 (da 0.60 X0 a 0.39 X0) Ottimizzazione della strategia di trigger e di tracking Meno interazioni nel rivelatore Trigger livello-1 include la misura del momento Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (5) VELO: 21stazioni (Rmin= 8mm) Si 220 mm, strips R e φ ~65 m2 3 stazioni Tracking IT : Si strips OT: straw tubes TT~1.41.2 m2 Si microstrips Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (6) Il Software di LHCb Simulazione realistica: • Interazioni pp multiple ed effetti di spill-over inclusi • Descrizione del materiale completa, dalle TDRs • Risposta dei rivelatori in dettaglio (efficienze, risoluzioni, rumore, ecc.), accordata sui risultati dei test-beam • Ricostruzione con patter recognition completo (mai si ricorre all’informazione originale del Montecarlo) • • Pythia 6.2 accordato su dati CDF e UA5 BR’s da PDG2002 Produzione di dati MC con questa simulazione: • Produzione estate 2002: 3.6 M eventi presso 7 centri Primi studi di Fisica (solo alcuni canali) risultati preliminari usati per questa presentazione • Prossima produzione primavera 2003: ~ 15M eventi ( con sufficienti bb inclusivi per studio fondi ) 1 M prodotti alla farm LHCb di Bologna-Cnaf 4-5 M saranno prodotti a BO (110 CPU) risultati per le TDRs di settembre Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (7) Tracking: simulazione di 1 evento con GEANT3 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (8) Tracking Diversi tipi di tracce ricostruiti con diversi algoritmi, in passi successivi <N tracce >= 74 ( evento bb ) • • • • VELO tracks: ricostruzione vertice primario T tracks : seeds e secondari Long tracks (VELO+TT+T): la fisica del B VELO TT: tracce di basso momento: riduzione fondo nel RICH, K tag, D* D p, • TTT : recupera i p da KS decaduti dopo il VELO Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 31 % 5% 36 % 14 % 14 % (9) “Long” tracks: Risoluzione sul momento KS long tracks BJ/yKS e = 95% p>5 GeV/c “ghosts” rate ~ 8% @ pT>0.5GeV/c Parametro d’impatto: risoluzione tipica per tracce dal B: 20-40 mm “TTT” tracks: KS T-TT tracks B0J/y KS e = 75% dp/p ~ 0.43 % m(pp) GeV/c2 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 m(J/y KS (pp)) GeV/c2 (10) LHCb Trigger MU, ECAL, HCAL m, h, e, g con alto pT (~1-3 GeV/c) pile-up veto ~50k canali 4 ms latency Input Livello–0 40 MHz 1 MHz (12.4 MHz int. inel.) VELO, TT evento completo ~310k canali 1 ms latency Livello–1 40 kHz HLT su nastro 200 Hz Livello-1 Vertici secondari da tracce con: · grande parametro d’impatto · alto p T match con Livello-0 misura di p T dalla curvatura delle tracce VELO TT nel campo magnetico Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (11) Efficienza di Trigger Efficienze per eventi di segnale ricostruiti e selezionati Efficienza Livello-1 Canale B0 p+pB0 K+KBs Ds-p+ Bs Ds-K+ Bs J/y (m-m+ )f Bs J/y (e-e+)f B0J/y(m-m+)KS B0K0* g e(L0) 0.61 0.57 0.46 0.44 0.93 0.52 0.91 0.82 e(L1) e(L0*L1) 0.51 0.31 0.48 0.27 0.53 0.24 0.65 0.29 0.73 0.68 0.43 0.23 0.71 0.65 0.33 0.27 Bs Ds-K+ Robustezza L1 verso molteplicità di tracce Tutti gli eventi · High Level Trigger ( sull’evento completo): studio in corso Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (12) Identificazione di adroni » Selezioni canali CP » Flavour tagging ampio spettro momento 3 radiatori in 2 RICH n soglie p RICH2 aerogel C4F10 CF4 1.03 0.6 2.0 (GeV/c) K s(q) (mrad) 1.82 RICH 1 N p.e. verticale schermo in Fe radiatore RICH 1 6.8 1.0014 1.0005 2.6 4.4 9.3 15.6 1.26 30.3 0.59 23.2 Risultati da ricostruzione con pattern recognition completo, comprendente fondo HPD’s aerogel <e(KK)>=88.% specchi sferici <e( pK)>=2.7% specchi piani fuori accettanza 2<p<100 GeV/c Pixel occupancy media <1% per evento Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 Separazione K/p (13) Identificazione di muoni ed elettroni bJ/y mm Identificazione di m: <e(m m)>=86. % <e(p m)>=1. % In eventi J/ym m Identificazione di e: <e(e e)>=78. % <e(pe)>=1. % bJ/yee In eventi J/y ee Identificazione di p0: studio in corso su diversi canali Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (14) Risoluzione su vertici e tempo proprio Vertice Primario Vertici secondari: score=16815 mm e ricostruz. >98% sX , sY ~ 8.5 mm BsDs-p+ score=41831 mm Ds-K+K-p- sZ ~ 47 mm Tempo proprio Bs0Ds-p+ score=425 fs Mixing Bs0 : Misura di Dms a 5s fino 48 ps-1 Esclusione al 95% CL fino 58 ps-1 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (15) Bs0Ds-p+ Risoluzione in massa Ds-K+K-p- s(MDs) ~ 3.5 MeV s(MBs) ~ 12.6 MeV Fondo dagli altri decadimenti a 2 corpi di B0 , Bs e Lb B0p+p- purezza 92% Marta CalviB) s(M B0K+p- purezza 96% B0sK+K- (16) Frascati, 4 Feb 03 risol. sul momento) ~ 18 MeV/c2CSN1 (dominata dalla purezza 98% Event yields efficienza yield B0 p+p- 0.78 % 27 k B0 K+ p- 0.85 % 115 k untagged Bs K+ K- 0.94 % 35 k Bs Ds-p+ 0.26 % 72 k 2x1032 Bs Ds-K+ 0.34 % 8k Bs J/y (m-m+ )f 1.66 % 109 k Bs J/y (e-e+ )f 0.29 % 19 k B0 J/y(m-m+) K0S 0.76 % 119 k B0K0* g 0.09 % 20 k L= Canale cm–2s-1 1 anno = 2 fb -1 L’ efficienza comprende: Accettanza geometrica: normalizzazione a 4p Pile up atteso (eventi con qualunque numero di interazioni) Efficienza di trigger: Livello-0 + Livello-1 (con output rate fissata) Efficienza di rivelazione, effetti di interazioni nel materiale Efficienza di ricostruzione (tracking, calorimetri, PID con pat.rec. completo) Efficienza di selezione off-line (ricostruzione stati finali e reiezione fondo) Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (17) Tagging LHCb TP: NON compreso nelle efficienze quotate e = 0.40 D= 0.40 e D 2 = 6.4% studi preliminari sul nuovo MC danno un valore simile usando SOLO e, m, K dal decadimento del b opposto a quello di segnale Altri metodi che saranno aggiunti: Bs tag con K “same side” Bd tag con p “same side” Analisi in corso jet charge S/B Studi preliminari indicano livelli di S/B simili a quelli quotati nella TP. Fondo fisico, con topologia simile al segnale, rigettato da tagli su PID e m(B) La statistica di eventi inclusivi disponibile oggi (106 bb) non consente di determinare con precisione il livello del fondo combinatorio, cosa che verrà fatta con la prossima produzione MC per la TDR. Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (18) Reiezione del fondo combinatorio esempio: B0d p+p- Fondo combinatorio dominato da eventi bb Rigettato completamente, anche rilasciando i tagli su m(B) S/B>1 (TP~1) Il contributo di tracce mal ricostruite resta trascurabile Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (19) g da B0s D-s K+ , D+s K Dalla misura di 4 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava g-2dg (e 2dg fissato da B0sJ/yf) 2 ampiezze albero di ordine simile (3) : asimmetrie grandi, contributi di NF poco probabili Necessari: Trigger adronico Separazione K/p Buona risoluzione in tempo proprio Fondo importante da Dsp Sensitività in g è funzione di: rapporto delle ampiezze Differenza di fase forte Valori di g, Dms , DGs /Gs In 1 anno: 3200 eventi B0dDsK triggerati, ricostruiti e taggati Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 Per Dms=20 ps–1: s(g) ~ 10o (20) dg da Bs0 J/y f SM prevede fS = 2dg = 22h ~10-2 Sensibile a contributi di NF nel mixing Bs0-Bs0 In 1 anno: 43.6 k eventi Bs0 J/y (m+m-) f 7.6 k eventi Bs0 J/y (e+e-) f Triggerati, ricostruiti e taggati Bs J/yf non è stato finale di CP definita: necessario fit a distribuzioni angolari dei prodotti di decadimento e vite medie score=36±1 fs Per Dms=20 ps–1: s (2dg) ~ 3o Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 Misura di DGs : s( DGs/ Gs) ~ 0.03 per DGs/Gs =0.15 (21) g da B0 d p+p- e B0 s K + K- (proposto da R. Fleischer ) • Fit di ACP(t) = Adircos(Dm t) + Amixsin(Dm t) per B0d p+p- e B0s K+K• Basato sulla simmetria di “U-spin” (ds): unica fonte di incertezza teorica Necessari: Trigger adronico Separazione K/p Buona risoluzione in tempo proprio Bp+pNo RICH • Misura di g se dg fissato da Bs J/yf e b fissato da B J/yKs • Sensibile a contributi di NF che possono essere evidenziati dal confronto con g da DsK In 1 anno: 10.8 k eventi B0d p+p14. k eventi B0 s K+ K- Triggerati, ricostruiti e taggati Marta Calvi With RICH DAdir, DAmix ~ 0.05 s(g) ~ 3o per Dms =20 ps-1 CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (22) Mesoni Bc mBc= 6.4 0.4 GeV tBc~ 0.5 ps s( ppBc) ~300 nb 109 Bc/ anno Possibili: Misure di precisione su massa, vita media Misure di CP con Bc J/y D, Bc DsD, DD ecc. Accettanza in LHCb ~30% Studio preliminare Bc J/y p (BR ~10-2) e ~ 2% 12 k eventi/anno Fondo da b J/yX e prompt J/y ridotto da tagli su distanza vertice primario-vertice Bc Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 M( J/y(mm) p) GeV/c2 (23) Decadimenti rari: B0 K0* g g BR(B0 K0* g )=(4.30.4) x10-5 W Violazione di CP diretta nello SM<2% b Sensibile a contributi di NF u,c,t s In 1 anno: 20 k eventi B0 K0* (K+p-) g triggerati e ricostruiti Risoluzione in massa ~ 80 MeV Fondo B0K*p0 rigettato grazie a diverse elicità K* Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (24) Physics reach LHCb osservabile canale b g - 2dg 2b+g g g Bd J/yKs a Bd p+pBd rp Bs J/yf 2dg 1 year (2fb–1) Bs DsK Bd D*p Bd pp, Bs KK Bd DK* |Vtd|/|Vts| Bs Dsp B Xs,d mm BdK* g Bd K* mm Yield (*) tagged e =0.40 Precisione 48 k * s(sin(2b)) 0.02 3.2k * 73k+460k * 10.8k,14k * 0.4k s(g) 10o s(g) 10o s(g) 3o s(g) 4o-18o 10.8k * 1.3k * 51.2k * dipendente da teoria 29 k * 17k 20k Dms fino 58 ps-1 s(|Vtd|/|Vts|) 11% s(a) 5o –10o s(2dg) 3o 4.5k In blu se relativi alla TP Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (25) Sistematiche nelle misure di CP Possibili fonti di errori sistematici: • Efficienze del rivelatore dipendenti dalla carica possono indurre false asimmetrie possono falsare il mistag • Fondi con asimmetrie di CP 0 • Asimmetria nella produzione di b e b Runs alternati cambiando il segno del campo magnetico (magnete caldo) Uso di campioni di controllo disponibili con alta statistica: Bd0 J/y K* 600k eventi/anno B J/y K 600k eventi/anno Bs0 Dsp 72 k eventi/anno Studio delle asimmetrie CP negli intervalli di massa adiacenti il B Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (26) Event yields untagged (107s) confronto* con BTeV Canale BR LHCb oggi Yield LHCb TP Yield BTeV Yield B0 p+p- 4.4 x10-6 27 k 11 k 14.3 k B0 K+ p- 1.74x10-5 115 k 38 k 57.5 k Bs K + K - 1.74x10-5 35 k Bs Ds-p+ 3.0x10-3 72 k Bs Ds-K+ 2.5x10-4 8k Bs J/y (m-m+ ) f 6.3x10-5 109 k 81 k Bs J/y (e-e+ ) f 6.3x10-5 19 k 32 k B0 J/y (m-m+ ) K0S 4.4x10-4 119 k 101 k B0K0* g 4.3x10-5 20 k 22 k 86 k 59 k 6k 6.3 k 168 k * CAVEAT: per LHCb sono risultati di simulazione e pattern recognition completi, BTeV usa anche Mcfast e rivelatore a livello “ideale” Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (27) Conclusioni LHCb è il rivelatore dedicato in grado di effettuare misure di fisica del b in molti canali fin dal primo giorno di funzionamento di LHC Le prestazioni del rivelatore, nella riottimizzazione attualmente in corso, sono al livello di quelle indicate nella TP, ma valutate ora con un Montecarlo realistico e completo. LHCb fornisce ampie possibilità per evidenziare eventuali contributi di fisica oltre il Modello Standard “Very likely the CKM mechanism is the dominant source of CP violation in FC processes ... but rather large corrections are still possible in Dms , in CP asymmetries in Bs decays, and in CP asymmetries related to bsss transtions” (Y.Nir, plenary ICHEP02) Hamlet: “ There are more things in heaven and earth , Horatio, then are dreamt of in your phylosophy” (Act I,scene V) Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (28) Back-up Slides Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (29) LHC vs Tevatron >2006 LHC(IP8) s sbb sinelelastic L (cm–2s-1) W bunch crossing t bunch spacing sz regione luminosa <ninterazioni pp inel./bco > Marta Calvi 14 TeV 500 mb 80 mb Tevatron 2 TeV 100 mb 50 mb 2 x1032 2 x1032 40 MHz 25 ns 5 cm 7.6 MHz 132 ns 30 cm 0.4 CSN1 Frascati, 4 Feb 03 2 (30) BR’s utilizzati BR(B0 p+p-) (4.40.9) x10-6 PDG2002 BR(B0 K+ p- ) (1.740.15) x10-5 PDG2002 BR(Bs K+ K- ) (1.740.15) x10-5 = BR(B0K+ p- ) BR(Bs p+ K-) (4.40.9) x10-6 = BR(B0 p+ p- ) BR(Bs Ds- p+ ) (3.00.4) x10-3 = BR(B0D-p+ ) BR(Bs Ds K) (2.50.6) x10-4 calcolato BR(Bs J/y f ) (9.33.3) x10-4 PDG2002 BR(B0 K0* g ) (4.30.4) x10-5 PDG2002 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (31) Molteplicità cariche s=14 TeV, 1.8< h <4.9 calcolate con PYTHIA 6.2 (pTmin delle collisioni pp determinato dal fit dei dati UA5 e CDF a diverse energie) LHCb standard: <N(bb)>= 33.9 LHCb (pTmin=pTmin-3s): + 26% CDF 2002 Tuning: -20% Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 <N(Min.bias)>=21.3 +19% (32) Robustezza del tracking • Dipendenza dell’efficienza dalla moltiplicità “relativa”: 1 Nrel= - NVELO NIT NOT ( ----- + ---- + ---- ) 3 <NVELO> <NIT> <NOT> Debole anche la dipendenza da: • numero di interazioni • efficienza di IT e OT Nrel Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (33) Trigger Livello-0: pile up veto Per L = 2x1032cm–2s-1 @ 40MHz (30 MHz effettivi) 9.3MHz bco con 1 interazione, 3MHz >1 interazione Pile-up veto 4 piani Si strips -4.2<h<-2.9 Scopo: ridurre il numero di eventi con >1 interazione per facilitare ricostruzione del vertice primario, B flavour tagging ecc. Misura posizione e molteplicità di 2 vertici di interazione Rigetta eventi con >2 tracce provenienti dal 2o vertice Nessun taglio su eventi con 2m con pT sopra soglia Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (34) 1 evento “tipico”: RICH RICH 1 Fotoelettroni da tracce fisiche Fotoelettroni da fondo (principalmente secondari) RICH 2 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (35) VErtexLOcator Trigger Livello-0: pileup veto (2 stazioni) Livello-1: vertici secondari Tracker • • • • • • 21 stazioni, dentro il tubo a vuoto 8 mm<R< 42 mm dal fascio Si strips: 220 mm n-on-n double metal layer, risoluzione ~6mm Strips segmentate in R e j Irradiazione massima: ~1.3x1014 neq/cm2/anno ~200 k canali Occupazione: sempre <1% Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (36) Calorimetri •PreShower (scintillatore+Pb+scintillatore) 2X0 •ECAL (Pb+scintillatore “shashlik”) 25X0 s(E)/E=10 % /E 1.5 % •HCAL (Fe+scintillatore) 5.6 int s(E)/E=80 % /E 10 % Ricostruzione di p0 Purezza ~20% per 0.1<m <0.17 GeV/c2 Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (37) Not updated g da B0 d D*-p+ , Necessari: D*+p- Alta statistica Trigger adronico Dalla misura di 2 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava 2b+ g e Dstrong (e 2b fissato da J/yKS) Effetto piccolo di interferenza tra 2 decadimeti albero con o senza mixing: indipendente da effetti di NF nel mixing Ricostruzione esclusiva: ~ 73 k eventi/anno S/B ~ 5.6 Ricostruzione parziale ( p lento): ~ 460 k eventi/anno S/B ~ 4.4 triggerati ricostruiti e taggati s(g) ~ 10o s (2b + g) in degrees Assumendo il rapporto delle ampiezze |x| =0.02 e Dstrong = 0 Dipendente da 2b+g e Dstrong Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 10% errore su |x| 0 errore 1 year 5 years 2b+g (38) (degrees) Not updated a da B0d rp La misura di a da Bd0 p+p- è affetta da incertezze dovute al contributo dei diagrammi a pinguino. M(p-p0) L’ analisi completa del decadimento a tre corpi ( analisi dipendente dal tempo del Dalitz plot) B0d ( r+p-, r-p+, r0p0 ) p+p- p0 permette di estrarre a ed i termini albero e pinguino In 1 anno: ~1200 eventi B0d r+p-, r-p+ ~100 eventi B0d r0 p0 triggerati, ricostruiti e taggati s(M)~35 MeV (con p0 constr.) Sensitività prevista: s(a) ~5o-10o M(p+p0) Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (39) Not updated · |Vtd|/|Vts| da B Xs,d m+ m - BR(B m+m- Xd ) BR(B m+m- Xs ) ~ |Vtd|2 |Vts|2 · Regione delle risonanze J/y e y esclusa · |Vtd|/|Vts| con incertezza teorica O(1%) (A.Ali,G.Hiller) 16 k eventi/anno B, B0 m+m- Xs S/B~15 0.6 k eventi/anno B, B0 m+m- Xd S/B~1 Errore relativo su |Vtd|/|Vts| ~11% (assumendo |Vtd|2/|Vts|2 =1/30) Con alta statistica metodo competitivo con Dmd/ Dms Marta Calvi CSN1 Frascati, 4 Feb 03 (40)