Decadimenti semileptonici
del B e misura di |Vub|
Francesco Gallo
Università di Torino & INFN
XVI IFAE
Torino, 14 Aprile 2004
Outline





Motivazioni fisiche per la misura di |Vub|
Tecniche sperimentali
Misure inclusive
Misure esclusive
Conclusioni
XVI IFAE – 14/04/2004
Francesco Gallo
2
|Vub| e triangolo di unitarietà

Matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (mixing dei quark):

|Vub| pone dei vincoli sul vertice del Triangolo Unitario.

HFAG 2004:
s(|Vcb|) / |Vcb|  5 %

Misura precisa di |Vub|
cruciale per testare
il Modello Standard.
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3
|Vub| dai canali semileptonici

Estrazione diretta di |Vub| dai decadimenti semileptonici
senza charm del mesone B
plep
Vub

Fondo dominante da eventi semileptonici
contenenti charm

q2
BR(b  c l n)  60  BR(b  u l n)
- studiare regioni limitate dello spazio delle fasi
Mx

Diversi approcci sperimentali
- endpoint dello spettro del leptone (BaBar, BELLE, CLEO)
- ricostruzione cinematica del neutrino (BELLE, CLEO)
- tecnica del rinculo (BaBar)
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Misure inclusive di |Vub|
Estrazione di |Vub| da BR(b  u l n)

Estrazione di |Vub| dal BR semileptonico inclusivo charmless:
l
Uraltsev, Int. J. Mod. Phys. A14:4641 (1999)
Bigi, Dikeman, Uraltsev, Eur. Phys. J. C4:453 (1998)
Si B
n
Cui

duality
- ampiezza totale di decadimento predetta da HQET e OPE
l
b
n
u
- sviluppo in potenze di 1/mb e operatori locali relativi alle proprietà del quark b:
2 (energia cinetica) e G2 (accoppiamento cromomagnetico con spin gluone)
Uraltsev, Hoang,
Ligeti, Manohar
CKM 2002
- incertezze teoriche da adronizzazione, assunzione dualismo quark-adroni,
massa del quark b, moto di Fermi del b nel mesone B
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Misure inclusive: ENDPOINT (1)

Endpoint dello spettro del leptone
s(|Vub|) / |Vub|  15 %
- limite cinematico per eventi con charm ( plep* > 2.3 GeV)
- estrazione eventi di segnale in intervallo di momento Dp
- shape function (da HQET) descrive proprietà del quark b dentro il mesone B
- stessa shape function (al 1° ordine) per tutte le transizioni del b in quark leggeri
- frazione fu(Dp) dello spettro di plep* contenuta in Dp
derivata dallo spettro di energia del fotone in B  Xs 
fu(Dp)  7.4 %
De Fazio, Neubert
JHEP 06, 017 (1999)
Leibovich, Low, Rothstein
PRD 61, 053006 (2000)
(2.3 < plep* < 2.6 GeV)
CLEO, PRL 88: 231803,2002
- estrapolazione al BR totale:
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Misure inclusive: ENDPOINT (2)
hep-ex/0403004
CLEO
PRL 88:231803 (2002)
BELLE
BaBar
hep-ex/0207081
BELLE
EPS HEP 2003
DBr(B  Xu e n) (10-4)
|Vub| ( 10-3)
CLEO
1.43 ± 0.10 ± 0.13
4.27 ± 0.24exp ± 0.17OPE ± 0.47fu ± 0.34s
BaBar
1.52 ± 0.14 ± 0.14
4.43 ± 0.29exp ± 0.25OPE ± 0.50fu ± 0.35s
BELLE
1.19 ± 0.11 ± 0.10
3.99 ± 0.17exp ± 0.22OPE ± 0.45fu ± 0.32s
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Misure inclusive: RICOSTRUZIONE

Ricostruzione cinematica del neutrino:
n (1)
s(|Vub|) / |Vub|  22 %
- selezione eventi con leptone di alto momento (plep* > 1 GeV)
q2 = (plep + pn)2
- missing momentum (s  120 MeV) con B considerato a riposo
- DBR in regione di alto q2 e bassa Mx (alta sensitività del fit)
hep-ex/0207064
|Vub| = (4.05 ± 0.18exp ± 0.58syst ± 0.25bc ± 0.21bu ± 0.56theo)10-3
Mx2
q2
CLEO
CLEO
cosWl
CLEO
q2 > 11 GeV2
q2 > 11 GeV2
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Mx2 < 2.25 GeV2
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Mx2 < 2.25 GeV2
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Misure inclusive: RICOSTRUZIONE

n (2)
Ricostruzione di Mx e q2 con simulated annealing:
- selezione candidati con minore mmiss2 e pmiss nella regione di accettanza
- algoritmo basato su simulated annealing consente la separazione dei prodotti
di decadimento dei due B per selezionare la migliore combinazione Xln
- DBR da eventi di segnale in Mx < 1.7 GeV2, q2 > 8 GeV2
|Vub| = (4.66 ± 0.28stat ± 0.35syst ± 0.17bc ± 0.08bu ± 0.58theo)10-3
s(|Vub|) / |Vub|  16 %
PRL 92, 181801 (2004)
BELLE
BELLE
Simulated annealing
S. Kirkpatrick et al.,
Science 220, No. 4598 (1983)
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Misure inclusive: RECOIL (1)

Eventi con un B completamente ricostruito
B di rinculo decade semileptonicamente

Selezione degli eventi:

- leptone di alto momento (plep* > 1 GeV)
- Mx < 1.55 GeV (accettanza  70 % )
- mmiss2 < 0.5 GeV2, veto su K e Ks
- efficienza di ricostruzione  10-3, S/B  2

B  D(*) X
X = n mK pKs q0
(n+m+p+q<6)
plep* > 1 GeV
Nsl
Misura del rapporto di BR:
- riduzione incertezze sistematiche
- correzioni per efficienza: esel, eM (finestra di Mx),
x
el (taglio su plep*), et (ricostruzione adronica del B)
BR(B  X l n) =
(10.87 ± 0.18 ± 0.30)%
BaBar, PRD 67:031101 (2003)
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Misure inclusive: RECOIL (2)


Eventi di segnale estratti dal fit a Mx
BR semileptonico inclusivo charmless:
PRL 92, 071802 (2004)
s(|Vub|) / |Vub|  13 %
|Vub| = (4.62 ± 0.28stat ± 0.27syst ± 0.40theo ± 0.09pert ± 0.241/mb3)10-3
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Misure inclusive di |Vub|

Media mondiale inclusiva:
- diverse tecniche sperimentali
- correlazione errori
- misure scalate ad un set comune
di parametri e relativi errori

Media calcolata solo con
risultati delle B-factories:
|Vub| = (4.57 ± 0.61)10-3
s(|Vub|) / |Vub|  13 %
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Misure esclusive di |Vub|
Estrazione di |Vub| da B  (,,,,…) l n

Estrazione di |Vub| dai BR esclusivi charmless
- ampiezza di decadimento differenziale con Fattori di Forma (corrente adronica)
- 1 solo Fattore di Forma necessario per decadimenti in pseudoscalari (ln, ln),
3 per decadimenti in pseudovettoriali (ln)
y = q2 / MB2
Wl = angolo (W*, l)
ks = impulso ,,,,…
f1(q2) = Fattore di Forma
- integrare su tutto il range di q2
- incertezze da normalizzazione
dei Fattori di Forma (FF)
- solo alcuni canali misurati
|Vub|2 =
BR(B  (,,,,…) l n) / (FFB)
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± l n
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± l n
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Misure esclusive: ENDPOINT

Endpoint spettro del leptone:
- selezione eventi con un leptone di alto momento (plep* > 2 GeV)
- segnale in 2.3 < plep* < 2.7 GeV, fondo Vcb in 2 < plep* < 2.3 GeV
- ricostruzione esclusiva della risonanza (e.g. -  0 -)
- missing momentum, estrazione segnale da fit a Mx
0.39
-3
|Vub| = (3.64 ± 0.22stat ± 0.25syst +- 0.56
theo)10
s(|Vub|) / |Vub|  18 %
BaBar
BaBar
PRL 90, 181801 (2003)
B0  - e+ n
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Misure esclusive: RICOSTRUZIONE

n (1)
Ricostruzione cinematica del neutrino:
- selezione eventi con un leptone di alto momento (plep* > 1 GeV)
- ricostruzione stato finale risonanza (e.g. +-0)
- missing momentum (s  150 MeV) compatibile con ipotesi neutrino
BR(B+  l+ n) = (1.3 ± 0.4stat ± 0.2syst ± 0.3fu)10-4
BELLE
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BELLE
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hep-ex/0402023
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Misure esclusive: RICOSTRUZIONE

Estrazione del BR in intervalli di q2
B0  - l n
n (2)
CLEO
- riduce la dipendenza del fit dai modelli
CLEO
- estrazione di |Vub| su tutto il range di q2
s(|Vub|) / |Vub|  18 %
ICHEP2002
|Vub| = (3.32 ± 0.21stat ± 0.19syst ± 0.55ln ± 0.12ln ± 0.071bu)10-3
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Misure esclusive: RECOIL
”0” is +- with
B ( B    0l n )  (0.78  0.32 stat  0.13syst ) 10 -4

0.65 < m+-< 0.95 GeV


0 
-4
B ( B  " "l n )  (0.99  0.37 stat  0.19 syst ) 10



-4
B
(
B


l
n
)

(2.20

0.92

0.57
)

10

stat
syst

LP2003
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0
0

BaBar
BaBar
BaBar
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Overview dei BR esclusivi
Decay
BaBar (10-4)
BELLE (10-4)
CLEO (10-4)
B0  - l+ n
-
1.89  0.15  0.30
1.33  0.18  0.13
(2002 – Ricostruzione n)
(2003 – Ricostruzione n)
B+  0 l+ n
0.78  0.32  0.13
-
-
B0  - l+ n
3.29  0.42  0.47 ± 0.55
B+  0 l+ n
0.99  0.37  0.19
1.44  0.18  0.23
(2003 – Recoil)
(2002 – Ricostruzione n)
B+   l+ n
2.20  0.92  0.57
1.3  0.4  0.2  0.3
(2003 – Recoil)
(2004 – Ricostruzione n)
B+   l+ n
-
-
-
-
(2003 – Recoil)
-
(2003 - endpoint)
2.17  0.34 + 0.47 – 0.54
(2003 – Ricostruzione n)
-
0.84  0.31  0.16
(2003 – Ricostruzione n)
Altri mesoni leggeri
(,a0,a1,b1,f0,f1,h1,…)
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20
Misure inclusive ed esclusive di |Vub|
B0  - l+ n
B0  - l+ n
B+  - l+ n
Misure
inclusive
 Accordo tra le misure
inclusive entro gli errori
 Misure esclusive al di sotto
della media inclusiva
 Discussioni in corso per calcolo
della media esclusiva
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Conclusioni
|Vub| = (4.57 ± 0.61)10-3
s(|Vub|) / |Vub|  13 %

Molte misure risultano oramai limitate da incertezze
sistematiche e teoriche.

Elevata luminosità raggiunta dalle B-factories rende
promettente lo studio dei canali esclusivi.
- estate 2004: BaBar 200 fb-1, BELLE 250 fb-1

A breve nuovi studi dei BR di B  (,,,, ’,a0,…) l n
permetteranno nuove misure di |Vub| e inoltre l’estrazione
di informazioni sui fattori di forma.
BACKUP
Shape Function
 Shape function (da LCSR) descrive smearing dello spettro osservato
(a livello adronico) rispetto allo spettro a livello partonico.
 Al 1° ordine in LQCD/mb STESSA shape function per tutte le transizioni
b  light quark (b  s   B  Xs  e b  u l n  B  Xu l n).
bs
B  Xs 
CONVOLUZIONE
con shape function
buln
Frazione di spettro
b u l n sopra 2.2 GeV:
0.13  0.03
B  Xu l n
Simulated annealing (BELLE)
Simulated annealing (BELLE)
Recoil Tecnique (BaBar)
B  0 l n
B  0 l n
B  l n
B  ql n
D
Xu
l
Brecoil
n
(4S)
Breco
D*

s