Violazione di CP nel sistema dei B con il
rivelatore BaBar
Concezio Bozzi
INFN Ferrara
27-28 Maggio 2004
http://www.fe.infn.it/~bozzi/particelle_2004.pdf
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Indice
• Introduzione alla violazione di CP
• Il mesone B0d come laboratorio di CP
• L’apparato sperimentale:caratteristiche e
prestazioni
• Misure di Sin2b
• Prospettive future e conclusioni
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar
(I) Introduzione alla violazione di CP
cf. BaBar Physics Book, SLAC-R-504, Capitolo 1
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Perché la violazione di CP è interessante
• E’ di importanza fondamentale
– Necessaria per spiegare l’asimmetria
materia-antimateria nell’universo
• Storicamente, lo studio di
violazioni di simmetrie è
sempre stato importante
per capire proprietà fondamentali
• Ipotesi corrente: la violazione
di CP nel Modello Standard non
è abbastanza grande da spiegare
l’asimmetria materia-antimateria nell’universo
– C’è qualcosa oltre il Modello Standard…
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Storia della violazione di CP
1964: Violazione di CP nei decadimenti dei Kappa
(Nobel)
Wolfenstein postula l’esistenza di una nuova forza,
chiamata Superdebole, responsabile della violazione di CP nel mixing
K0-K0 e praticamente di nient’altro
1973: Kobayashi e Maskawa osservano che CP potrebbe essere violata
nelle interazioni deboli dei quark se ci fossero
ALMENO 3 famiglie di quark (solo 2 erano note a quel tempo)
1975: scoperta del leptone   terza famiglia di leptoni
(Nobel)
1977: Scoperta del quark b  terza famiglia di quark
(Nobel)
1981: Scoperta del mesone Bd, con vita media “grande” ~ 1ps
1986: Osservazione di oscillazioni materia-antimateria (mixing) nel sistema dei
mesoni Bd
1995: Scoperta del quark t  Completamento della terza famiglia di quark
2000: Scoperta del  a Fermilab, completamento della terza famiglia di leptoni
2001: Gli esperimenti alle B-factories BaBar&Belle pubblicano i primi risultati su
sin2b
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La matrice CKM (V)
• Gli elementi Vij descrivono gli accoppiamenti elettrodeboli
del W ai quark.
• Mescolamento tra gli autostati di massa dei quark a
carica -1/3 per dare gli autostati dell’hamiltoniana
debole.
• La matrice CKM è unitaria, con 4 parametri indipendenti
(3 angoli e una fase)
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Fasi che violano CP
• Gli elementi della matrice CKM sono complessi.
– Le fasi deboli cambiano segno sotto CP.
CP
• Possibile osservare asimmetrie che violano CP facendo
interferire ampiezze. Condizioni necessarie:
– Almeno 2 ampiezze
– Le ampiezze differiscono di una fase invariante sotto CP (ad es.: da
interazione forte)
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Interferenza tra ampiezze
| A |2 - | A |2
Asimmetria 
| A |2  | A |2
Bf
Differenza di fase
forte = 0
A
|A|=|A|
Differenza di fase debole: g
Differenza di fase forte:
d
+g
Bf
-g
A
Differenza di fase
forte ≠0
Bf
+g
|A||A|!
A
d
Bf
A
-g
d
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Parametrizzazione di Wolfenstein della matrice CKM
VCKM
 1- 2 / 2

A 3 (  - i ) 


2
2

-
1-  / 2
A

 A 3 (1 -  - i ) - A 2

1


Grandezze relative
d
u
c
t
s
Espansione in =0.22.
Si ignorano i termini del
4o ordine in .
4 parametri:
Fasi
b
 1 1 e-iγ 


 1 1 1 
 e-iβ 1 1 


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Il triangolo di unitarietà
d
VCKM
s
b
 1- 2 / 2

A 3 (  - i )  u


2
2

-
1-  / 2
A
 c
 A 3 (1 -  - i ) - A 2

1

 t
Condizione di unitarietà per la prima e terza colonna:
• Tutti i lati di ordine 3
• Violazione di CP  area del triangolo
• Test di unitarietà: il triangolo si chiude?
Le asimmetrie di CP nei decadimenti
dei B dipendono dagli angoli del
triangolo di unitarietà
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Misura della violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar
(II) Il mesone B0d come laboratorio di CP
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Perché studiare la violazione di CP nei mesoni B
Contenuto in quark dei mesoni B
B0 = bd, B0 = bd,
B+ = bu, B- = bu
• Il Modello Standard predice parecchie asimmetrie che
violano CP nei mesoni B
• Alcune di esse possono essere interpretate in modo non
ambiguo in termini di elementi della matrice CKM
(= parametri della Lagrangiana del Modello Standard)
• Si prevedono asimmetrie grandi, O(1), cf. 10-3 per i K
• Mesoni B0 prodotti e rivelati “facilmente”
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Osservabili che violano CP
• Per generare un’osservabile che violi CP dobbiamo avere
– Interferenza tra almeno due ampiezze diverse tra loro
• Nei decadimenti dei B, ci sono
due tipi di ampiezze:
– quelle responsabili del decadimento
– quelle responsabili del mixing
• Ciò dà luogo a tre possibili
meccanismi di violazione di CP:
B0
b
d
W-
u,c,t
b
B0
d p
u
u
p
d
W-
W-
d
– Violazione di CP indiretta
• (interferenza tra due ampiezze di mixing)
– Violazione di CP diretta
• (interferenza tra due ampiezze di decadimento)
– Violazione di CP nell’interferenza
tra decadimenti con e senza mixing
d
u,c,t
B0
b
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Violazione di CP diretta
• Si osserva violazione di CP diretta nel decadimento se
G(B  f)  G(B  f)
– Nel Modello Standard, la CP coniugata di un’ampiezza può
differire solo di una fase: CP ABf = exp(-if) ABf
•
Le condizioni per la violazione di CP nel decadimento:
–
esistono almeno 2 ampiezze di decadimento, per esempio
G(B  f) = |A1 + A2|
– Le ampiezze hanno 2 fasi:
CP ABf = e-i (df + ff
)
ABf
• Una fase forte (non cambia segno sotto CP)
• Una fase debole (cambia segno sotto CP)
– Le fasi forte e debole devono essere differenti,
le ampiezze devono essere simili
– L’interpretazione CKM di una violazione diretta di CP è complicata
• I calcoli teorici delle fasi forti sono complicati…
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Misure di violazione diretta di CP
Misure statisticamente limitate ancora per anni
–0.095±0.028
a 3.4σ effect
http://www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/rare/index.html
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Violazione di CP indiretta: il mixing B0-B0
•
I mesoni B0 e B0 oscillano tra di loro con una frequenza
sperimentalmente rivelabile!
– Gli autostati di sapore sono diversi
dagli autostati dell’interazione debole
– Transizione debole al secondo ordine
– Frequenza di oscillazione
M(B0)-M(B0)  Dmd  0.5 ps-1
– Condizione per violazione di CP nel mixing:
– Mixing dominato dal diagramma con il quark top
 grandezza della violazione di CP (mb/mt)2
<< 1
– Violazione di CP nel mixing piccola nel sistema dei B
eB ~ 10-3
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Violazione di CP nell’interferenza tra Mixing e Decadimento
• Si osservano 2 processi che danno lo stesso autostato di
CP attraverso autostati intermedi di sapore:
B0
B0(t)
Stato
iniziale
Autostato
di sapore
B0
Autostato
di CP
fCP
B0
B0(t)
Stato
iniziale
Autostato
di sapore
Autostato
fCP di CP
B0
• Evoluzione temporale degli autostati di sapore:
p/q  1
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Violazione di CP nell’interferenza tra Mixing e Decadimento
•
Probabilità di osservare l’autostato di CP fCP al tempo t:
Rapporto ampiezze B0fcp/B0fcp
Autovalore di CP
•
1
Asimmetria CP osservabile
Acp(t)=( F+(t) - F-(t) )/( F+(t) + F-(t) )
– L’asimmetria di CP è dipendente dal tempo
–
o
–
→ violazione di CP diretta
Se ||=1
per osservare violazione di CP
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Il “modo aureo”: b->c c s
• Ampiezze dominanti per il decadimento b  ccs:
Wb
Wd
c
c
s
d
b
t
s
c
g
c
d
d
“Albero”
“Pinguino”
• Entrambe hanno la stessa fase debole:
nessun’altra ampiezza ha la stessa grandezza
,
– Modello Standard: nessuna violazione di CP nel decadimento
• Violazione di CP nel mixing trascurabile
• Il Modello Standard prevede che la violazione di CP (se
presente) sia dovuta esclusivamente all’interferenza tra le
ampiezze dovute al mixing e al decadimento
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L’interpretazione CKM del “modo aureo”
• Consideriamo B0 g J/y K0S (il mixing del K0 è
fondamentale!):
B0 mixingDecadim. K0 mixing
Acp(t) = Im sin (Dm t)
*
Vud Vub
a
g
Acp(t) = cp sin(2b) sin(Dm t)
Vtd V*
tb
β
*
Vcd Vcb
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Altri angoli?
• Misura di beta: abbiamo sfruttato l’interferenza tra
mixing (fase debole: 2b) e una singola ampiezza di
decadimento (fase debole: 0)
• Possiamo misurare gli altri angoli analogamente
• In generale i decadimenti dei B hanno le seguenti fasi
deboli
– b→c (dominante): 0
– b→u (soppresso): g
• Alfa: interferenza tra mixing e una singola ampiezza
b→u
– In principio: 2(b+g)
– Chiudiamo il triangolo: abg = p → misura di 2a
• Gamma: interferenza tra ampiezze b→u e b→c in
decadimenti del B+
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L’angolo alfa.
• Occorre un decadimento del B0 in un autostato di
CP dominato dalla transizione bu. Si effettua
un’analisi dipendente dal tempo
– Esempio classico: B0  p+p-.
• Assumendo che il diagramma ad albero bu sia
dominante
– Analisi dipendente dal tempo dà
albero
Acp(t) = cp sin(2a) sin(Dm t)
• Sfortunatamente, si tratta di una assunzione
sbagliata per pp-.
– Il contributo dei pinguini potrebbe essere ~30% in pp-!
– analisi di isospin
– Altri canali: B +-
pinguino
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Violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar
(II) L’apparato sperimentale:
caratteristiche e prestazioni
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Produzione di mesoni B0
• Electron-Positron collider: e+e-  U(4s)  B0B0
– Coppie di mesoni B solo dalla risonanza 4S
– Bassa sezione d’urto di produzione B0: ~1 nb
Approccio
B-Factory
– Sperimentalmente “pulito”, produzione B0B0 coerente
 
 bb
 0.28
 hadr 
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Proprietà della produzione B0B0 coerente
B0B0
• Il sistema
evolve in maniera coerente
fino al decadimento di un mesone
– L’orologio che misura CP/Mixing
entra in funzione all’istante del primo
decadimento, tutto dipende da dt:
Incoerente
At tcp=0
B0
B0
dt = tCP - tOtherB
– I B hanno sapore opposto a dt=0
– Circa metà delle volte dt<0
• L’asimmetria integrata nel tempo è 0:
+
-
+
At dt=0
B0
B0
-
• Occore fare un’analisi dipendente
dal tempo
Coerente
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Tecniche sperimentali per misurare asimmetrie dipendenti dal tempo
• Grosso campione di eventi B0B0
in cui un B0 sia ricostruito in autostato di CP
– Bassi rapporti di decadimento, O(10-4)
– Occorre un collider ad alta luminosità
• Determinare il sapore iniziale del B completamente
ricostruito
– A partire dai prodotti di decadimento dell’altro B
– Buona identificazione delle particelle
• Misurare il tempo proprio dei decadimenti
– Impulso del B0 nel riferimento della Y(4s) piccolo (~300 MeV),
separazione spaziale dei mesoni B0 trascurabile
– Collider asimmetrico per produrre Y(4s) con spinta di Lorentz
per avere separazione spaziale di ~250 μm
– Tracciatore a silicio ad alta risoluzione vicino al punto di collisione.
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L’anello di accumulazione PEP-II
PEP-II accelerator schematic and tunnel view
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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
8.6 x 1033
Boost: bg = 0.56
4ns bunch
crossing
Correnti alte
100  106 B0/anno
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Luminosità di PEP-II
• Da Maggio 1999: 183 fb-1
sulla risonanza Y(4s)
– Altri 17 fb-1 sotto la Y(4s)
• 192 x 106 coppie BB
– Assumiamo B0B0:B+B- = 1
L di 1 fb-1 contiene (in
media) 1 evento per un
processo con una sezione
d’urto di 1 fb
1 fb-1 = 106 coppie BB
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L’esperimento BaBar
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USA
Italy
[38/300]
California Institute of Technology
UC, Irvine
UC, Los Angeles
UC, Riverside
UC, San Diego
UC, Santa Barbara
UC, Santa Cruz
U of Cincinnati
U of Colorado
Colorado State
Florida A&M
Harvard
U of Iowa
Iowa State U
LBNL
LLNL
U of Louisville
U of Maryland
U of Massachusetts, Amherst
MIT
U of Mississippi
Mount Holyoke College
SUNY, Albany
U of Notre Dame
Ohio State U
U of Oregon
U of Pennsylvania
Prairie View A&M U
Princeton U
SLAC
U of South Carolina
Stanford U
U of Tennessee
U of Texas at Austin
U of Texas at Dallas
Vanderbilt
U of Wisconsin
Yale
The BaBar Collaboration
10 Countries
77 Institutions
593 Physicists
Canada
[4/20]
U of British Columbia
McGill U
U de Montréal
U of Victoria
China
The Netherlands [1/5]
NIKHEF, Amsterdam
Norway
[1/5]
Inst. of High Energy Physics, Beijing
France
[4/31]
Ruhr U Bochum
Technische U Dresden
Univ Heidelberg
U Rostock
[1/3]
U of Bergen
Russia
[5/51]
[1/11]
Budker Institute, Novosibirsk
LAPP, Annecy
LAL Orsay
LPNHE des Universités Paris VI et VII
Ecole Polytechnique, Laboratoire Leprince-Ringuet
CEA, DAPNIA, CE-Saclay
Germany
[12/101]
INFN, Bari
INFN, Ferrara
Lab. Nazionali di Frascati dell' INFN
INFN, Genova & Univ
INFN, Milano & Univ
INFN, Napoli & Univ
INFN, Padova & Univ
INFN, Pisa & Univ & ScuolaNormaleSuperiore
INFN, Perugia & Univ
INFN, Roma & Univ "La Sapienza"
INFN, Torino & Univ
INFN, Trieste & Univ
United Kingdom [10/66]
U of Birmingham
U of Bristol
Brunel U
U of Edinburgh
U of Liverpool
Imperial College
Queen Mary , U of London
U of London, Royal Holloway
U of Manchester
Rutherford Appleton Laboratory
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Il rivelatore BaBar
Instrumented Flux Return
19 strati di RPC
Rivelatore Čerenkov
144 barre di quarzo
Magnete da 1.5 T
Camera a deriva
Calorimetro EM
5680 cristalli di CsI
Tracciatore
di vertice a silicio
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5 strati di silicio a doppia faccia
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
Beam bending chips
magnets
Beam pipe
Layer 1,2
Layer 3
Layer 4
Layer 5
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Camera a deriva
• 40 strati di fili all’interno del campo magnetico da 1.5 Tesla
• Misura dell’impulso delle particelle cariche
• Misura della perdita di energia per ionizzazione (particle ID)
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Rivelatore Čerenkov
• Luce Čerenkov nel quarzo
–
–
–
–
Trasmessa per riflessione interna
Anelli proiettivi nella “standoff box”
Rivelazione con fotomoltiplicatori
Essenziale per identificare K >2 GeV
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
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
 (E)
E

(2.32  0.03  0.3)%
 (1.85  0.07  0.1)%
4
E
p0
 = 5.0%
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Instrumented Flux return: identificazione μ, KL
•
Fino a 21 strati di RPC
alternati a piani di
ferro
•
Identificazione di
muoni oltre 500 MeV
•
Rivelazione di adroni
neutri (KL)
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Prestazioni della particle ID
Kappa
Elettroni
Muoni
•
Efficienza: 70-90%
•
Efficienza: 90%
•
Efficienza: 60-75%
•
misID pioni: 1-7%
•
misID pioni:<0.2%
•
misID pioni: <3%
•
Dipendente dall’impulso
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Ricostruzione degli eventi online & offline
• Tasso di collisioni al punto d’interazione: parecchi MHz
• BaBar ha un sistema di trigger a due livelli per
selezionare solo eventi interessanti:
– Trigger di livello 1 (hardware), tasso di uscita di ~2 kHz
– Trigger di livello 3 (software), tasso di uscita di ~100 Hz
– Dimensioni di un evento ~30 kB  scritti ~10Gb all’ora!
• La ricostruzione “offline” dei dati avviene entro ~24 ore
– Effettuata in parallelo da una farm di ~500 calcolatori Linux
• Circa 2000 calcolatori Linux sono disponibili per ricostruzione, simulazione e analisi
dei dati
– Tutti i dati sono immagazzinati in un database Object Oriented
– Dimensioni attuali del database ~ 1.2 Pb
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Efficienza di raccolta dei dati
Efficienza giornaliera
Luminosità integrata
giornalmente
Valore di disegno
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Misura della violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar
(III) Misure di Sin2b
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Schema generale delle misure di sin2b
Ia: Ricostruzione completa di
autostati di CP (p.e. B0 J/y KS)
II: Etichettatura del sapore iniziale
del B0CP/Mix usando l’altro B
G( B 0  f CP , t ) - G( B 0  f CP , t )
ACP (t ) 
 S  sin( Dm  t )  C  cos( Dm  t )
0
0
G( B  f CP , t )  G( B  f CP , t )
S ~ Im 
III: Misura precisa del tempo
proprio sfruttando Dz ~ bgcDt
C ~ 1- |  |2
  CP
qA
pA
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Schema generale delle misure di sin2b
0
U 4S
e-
e
Fasci asimmetrici:
Y(4S) con boost bg~0.55
Etichettatura
K-
Btag
m - J/y
m
B0rec
Dz
Δt  Δ z/ < βγ  c
Tempo proprio
~1.6ps distanza
~0.25mm!
K S0
p-
p
Ricostruzione esclusiva
in autostati di CP
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Effetti sperimentali sulla misura di CP
•
•
dt vero, etichettatura
perfetta
F(dt) F(dt)
ACP(dt)
sin2b
dt vero, etichettatura
imperfetta
Dsin2b
D = (1-2w) in cui w è la frazione di
etichettature sbagliate (mistag).
Occorre misurare la diluizione.
•
dt misurato,
etichettatura imperfetta
Occorre misurare la
risoluzione in dt.
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Ia: Modi Aurei: J/y KS (p+p-,p0p0), y(2s) KS(p+p-)
•
Si ricostruiscono 2 variabili cinematiche
independenti per ciascun candidato B
ricostruito
mes: B0  y(2s)
KS
Si sfrutta il vincolo dell’energia dei
fasci per migliorare la risoluzione
mes: B0  J/y KS
mes: B0  J/y
KS(p0p0)
Taglio a 3
sul DE
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II: Etichettatura del sapore iniziale del B0CP
• Determinato dal sapore dell’altro B
– 4 categorie di etichettatura
• Etichettatura leptonica:
b
b  l- , b  l+
c
– Leptoni da decadimenti b  c l 
W-
– Si rigettano leptoni da c  s l  con
tagli in impulso: p*(l) > 1.GeV
– Bassa efficienza, basso mistag
• Etichettatura con kappa:
b
b  K- , b  K+
– Essenziale una buona identificazione
l-

c
W-
s
W-
– Efficienza più alta, mistag
leggermente più alto
• Etichettatura con reti neurali (2)
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Effetto di una etichettatura imperfetta
• Sia sul valore che sull’errore dell’asimmetria:
Fattore di diluizione
Valore
ACP  D  (1 - 2w )

Precisione
stat
1
( ACP ) 
Q
Q e
tag
D e
2
tag
Frazione di mistag
Efficienza efficace
di etichettatura
(1 - 2w )
2
Efficienza dell’etichettatura
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
III: Misura precisa del tempo dt
Tag B
z ~ 190 mm
CP B
z ~ 70 mm
U(4s)
bg = 0.56
J/Y
K0
Dz
dt @ Dz/gbc
gbcB @ 250 mm
•
J/y g l+l- domina la precisione del vertice CP.
•
Le tracce non appartenenti al vertice CP sono
B0 flavour
sample
combinate nel vertice di tag
–
•
Procedura per eliminare tracce provenienti dal vertice del charm
Efficienza per il campione CP 86 %.
CP sample
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
0
400
200
 Dz (mm)
Un “evento aureo”
III: misura del:dt
dz
I:autostato CP
Y(4s) B0  J/y KS
(p+p-)
 B0  K- X
II:etichettatura
del sapore
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Eventi selezionati
 Campione di circa ~1500 candidati
Ks (purezza ~94%) a partire da
88 x 106 coppie BB
 Circa 500 eventi KL con
purezza 55%
Variabili cinematiche:
ES
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Distribuzioni Dt e Asimmetrie
CP=-1
Eventi con KS
CP=+1
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Eventi con KL
Distribuzioni Dt per campione con etichettatura leptonica
Purezza 98%
Mistag 3.3%
Dt 20%
meglio che
nelle altre
categorie
…il meglio del
meglio!
220 eventi, sin2b = 0.79  0.11
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Interpretazione dei risultati
• Test di precisione del triangolo di
unitarietà
• Accordo eccellente con le misure
indirette
per I “modi aurei”
sin(2b) = 0.741 ± 0.067(stat) ± 0.034(syst)
•
|Vub/Vcd|: Vub decadimenti
semileptonici del B senza
charm
•
Dms/Dmd: Bs e Bd mixing
–
•
eK : violazione di CP nel K0-K0
–
Diagrammi a scatola con quark t e c
•
Le incertezze teoriche si cancellano
nel rapporto
Dmd: B0 mixing
Dmd  |VtdV*tb|2
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Sin2b: altri modi di decadimento?
• Modi aurei: il modello CKM per la violazione di CP ha superato i
primi test di precisione!
– J/y KS, J/y KL, altro charmonio
• Per consistenza, S=sin2b e C=0 per tutti i decadimenti del B0 in
cui
– Tutte le ampiezze contribuiscono con la stessa fase debole.
– La fase del decadimento è zero.
• Consideriamo i modi di decadimento dominati dai pinguini bs
– Sensibilità a nuova fisica: particelle virtuali non-SM
(supersimmetriche?) nei loop?
– Occorre valutare con precisione eventuali contributi SM soppressi
con diverse fasi deboli
– f K0, ’K0 , p0 K0
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
sin2b dai pinguini…
• B0  fKs , B0  ’ Ks , B0  p0 Ks sono dominati da pinguini b  s
– Pinguino col quark u ha fase debole diversa (g) ma è soppresso (0.02)
, p0
• Domina il diagramma Vts Vtb* allora: S = sin2b, C = 0
• Limiti sul contributo dovuto al diagramma ad albero
“Naïve”
flavor symmetry
T/P
|-fSf – sin2b|
0
,p
fKs
0.0
< 0.3 (<0.04)
’ Ks
~0.02
< 0.4 (<0.09)
p0 Ks
~0.04
< 0.2
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
…misure difficili: B0  f Ks
BABAR
110 fb-1


N f K S0   p p -   70  9
eventi
Sf Ks = 0.45 ± 0.43(stat) ± 0.07(syst)
Cf Ks = -0.38 ± 0.37(stat) ± 0.12(syst)
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Sin2b: riepilogo dei risultati
Risultati interessanti
ma non
ancora definitivi!
Media pinguini
bs
sin2b = 0.27  0.22
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Misura della violazione di CP nel sistema dei B con il rivelatore BaBar
(IV) Risultati e prospettive per a e g
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
What’s next…
B.R. ~ qualche 10- 6
(,)
…e qualche
incertezza teorica…
a
B0dpp
g
B0dDK
(0,0)
B.R. ~10- 7, difficile!!
B0dJ/yK0S
b
(1,0)
Molto pulito,
B.R. ~ 10- 4
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
L’angolo alfa.
• Occorre un decadimento del B0 in un autostato di
CP dominato dalla transizione bu. Si effettua
un’analisi dipendente dal tempo
– Esempio classico: B0  p+p-.
• Assumendo che il diagramma ad albero bu sia
dominante
– Analisi dipendente dal tempo dà
albero
Acp(t) = cp sin(2a) sin(Dm t)
• Sfortunatamente, si tratta di una assunzione
sbagliata per pp-.
– Il contributo dei pinguini potrebbe essere ~30% in pp-!
– analisi di isospin
– Altri canali: B +-
pinguino
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
“Penguin pollution”
• Includendo la componente dovuta ai pinguini (P) in 
– Il rapporto tra le ampiezze |P/T| e la differenza di fase forte d non sono
calcolabili accuratamente!
• I coefficienti per l’analisi time-dependent diventano
• L’interpretazione teorica dei termini (S,C) diventa più
complicata!
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Analisi di isospin
• Si possono scrivere relazioni triangolari sfruttando
simmetria di isospin (Gronau e London)
2
• Occorre misurare i
decadimenti del B e del B in
stati finali pp.
-
• Limite di Grossman e Quinn:
• Utile se il decadimento in p0p0 ha branching ratio piccolo.
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Il decadimento B→ p0p0
– Combine a p0 from each quark jet.
– Fight continuum with
• event shape information
• neural network with rest of event as input (leptons, kaons).
– Some overlap if p+ at rest in B frame
p0p0
– We measured the branching fraction
Babar hep-ex/0307087
p0
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Il decadimento B→ p0p0
Branching ratio molto piccolo: ~10-6
Fondo principale da eventi di continuo.
Altro fondo: B+ +p0 ,(+p+p0)
p0p0
4.2

p0
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Un candidato Bp0p0
• mes = 5.277 GeV/c2
 DE = -0.006 GeV
p0
• Il fotone meno energetico
ha energia di 290 MeV.
• L’altro B nell’evento ha un K
e un p± da decadimento di
un D*±.
p0
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
p0p0 e il limite di Grossman-Quinn
• Medie mondiali:
–
p0p0:
(1.9±0.5)x10-6
–
p±p0:
(5.3±0.8)x10-6
• Limite praticamente inutile,
dato che il BR(B→p0p0) è
relativamente “grande”.
-2
+2
• Necessaria l’analisi
completa di isospin!
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Considerazioni sull’analisi di isospin pp
• Attenzione alle ambiguità:
– L’inevitabile 2aeff vs p-2aeff
Estrapolazioni usando i
valori attuali dei BR
– I triangoli di isospin sono orientabili
tra loro in 4 modi (→4 valori per
2a-2aeff )
Scenari con B(p0p0) ai limiti
attuali inferiore e superiore
I pinguini nei decadimenti in pp
system rendono difficile la misura di
a hidden, anche in futuro…
atrue=p/2
Il sistema ?
• Stato finale vettore-vettore (CP misto)
• Analisi in onde parziali (oppure autostati di elicità):
– CP=+1 (onde S,D), CP=-1 (onda P)
– oppure polarizzazioni longitudinale (CP=+1) e trasverse (2,
CP mista)
• Misura sperimentale: domina la componente
longitudinale a CP=+1 (come previsto dai teorici*)!
Babar
hep-ex/0308024
hep-ex/0307026
• Si può applicare a +- lo stesso formalismo del p+p-!
*G.Kramer, W.F.Palmer, PRD 45, 193 (1992).
R.Aleksan et al., PLB 356, 95 (1995).
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
“Penguin pollution” nel sistema 
• Limite di Grossman-Quinn
per il sistema 
• Si assume solo componente
longitudinale (a CP=+1)
Babar hep-ex/0307026
90% CL
Belle hep-ex/0306007
Molto meglio del sistema pp!
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Misura dipendente dal tempo di B0   -
B
0
113 fb-1
B0
a  (96  10stat  4syst  13peng )
SS
long  -0.19  0.33stat  0.11syst
CC
long  -0.23  0.24stat  0.14syst
NB: analisi di isospin con
parecchie assunzioni
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
PRELIMINARY
Prospettive per a da Bpp,
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Gamma – Missione impossibile?
• Si misura direttamente la fase di bu (g) relativa alla
fase bc (0).
• Canale più immediato: BDK
• Per fare interferire queste ampiezze, occorre prendere
decadimenti accessibili sia dal D0 che dal D0
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Gamma da BDK
• Contributo relativo delle 2 ampiezze
Ru è il lato sinistro del
triangolo di unitarietà (~0.4)
Fcs è un fattore sconosciuto
dovuto alla soppressione di colore.
Presumibilmente nell’intervallo
[0.2,0.5].
• Auspicabile rb grande per avere più interferenza.
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Gamma da BDK: metodo GLW
• Gronau, London e Wyler: si usano decadimenti del D in autostati di
CP.
Le ampiezze di
decadimento di D0
e D0 sono uguali
per costruzione
CP=+1:
p+p-,K+K-
CP=-1:
Ksp0, Ks0
• Decadimenti D autostati di CP hanno BR piccolo ( da ~0.1 a 1 %).
• rb potrebbe essere piccolo. Ambiguità discrete…
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Gamma da BDK: metodo ADS
• Atwood, Dunietz e Soni: interferenza tra ampiezze simili
favorito
soppresso
soppresso
favorito
GLW
ADS
• Complementare al metodo GLW
–
BR complessivo più piccolo.
–
Interferenza maggiore.
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004
Conclusioni
• L’interpretazione CKM della violazione di
CP ha superato un primo test (sin2b).
• L’anomalia nella misura di sin2b tramite
pinguini bs sarà risolvibile
accumulando dati alle B Factories.
• Il sistema  sembra al momento più
promettente di pp per la misura di a.
• Si iniziano analisi per misurare g E’
ancora presto per prevedere cosa
succederà:
– Non esistono “modi aurei”
– Occorre combinare più metodi e più misure
– Occorre alta statistica
• BaBar misura anche i lati del triangolo
di unitarietà (decadimenti semileptonici
con e senza charm, oscillazioni).
Concezio Bozzi, INFN Ferrara, 27-28 Maggio 2004