Stato di BaBar
Concezio Bozzi
26 Gennaio 2005
Sommario
• Asimmetria materia-antimateria
• Violazione di CP nel sistema del B:
– Il modo aureo
– Requisiti sperimentali
• Decadimenti semileptonici del B e
violazione di CP
• |Vub|
• |Vcb|
Asimmetria materia-antimateria
• Sperimentalmente si osserva
che l’universo a tutt’oggi
osservabile è composto da
sola materia
• Big-Bang: proporzioni uguali
di materia-antimateria
• Dov’è finita l’antimateria?
• Violazione della simmetria
CP è una delle quattro
condizioni (Sakharov)
• Si può osservare violazione
di CP in laboratorio?
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
Violazione di CP nei mesoni B
• Mesoni B: antiquark b + quark leggero
–
–
–
–
bu = B+
bd = B0d
oscillazioni materia-antimateria
0
bs = B s
5 volte più pesanti di un protone
• Molta energia disponibile nei decadimenti
• Molti modi di decadimento, alcuni comuni a particella e
antiparticella
– Vita media ~1.5ps
• Per studiare violazione di CP, ricerchiamo
decadimenti comuni a particella e antiparticella e
ne studiamo l’evoluzione temporale
Il modo aureo: B0d → J/y K0s
• Libero da incertezze teoriche
• Facilmente rivelabile sperimentalmente
– J/y → ee o mm
– K0s → p+ p-
• ~1 decadimento del B su 10000
– “fabbrica” di mesoni B”: macchina ad alta luminosità
• Rivelatore in grado di fornire:
– Identificazione delle particelle
– Etichettatura materia/antimateria del mesone B che
decade
– Misure precise di tempi di decadimento
Produzione di mesoni B0
• Collisore elettrone-positrone: e+e-  U(4S)  B0B0
• Sperimentalmente “pulito”, produzione B0B0 coerente
– Possibile identificare (etichettare) se a decadere e’ stato un
mesone o antimesone B andando a vedere i decadimenti
dell’altro
 
 bb
 0.28
 hadr 
Sperimentalmente…
U 4S
e-
B
0
B
0
e
K-
m - J/y
m
At dt=0
z
B0
B0
Separazione
spaziale =
misura del tempo
particella
antiparticella
Etichettatura:
Materia o
Antimateria?
K S0
p-
Ricostruzione del
Modo aureo
p
Misure di tempo
• Vita media  lunghezza di decadimento
–
–
–
–
L = v•t = v•g t’
relatività ristretta, Einstein 1905
v = b c → L = b g c t’;
c = velocità della luce
“boost” bg = p/m;
p=impulso, m=massa
vita media  = 1.5ps → c = 450mm = 0.45mm
• B prodotti alla Y(4S): p ~ 300MeV, m ~ 5GeV
– bg = 0.06 → L ~ 30mm → impossibile da rivelare!
• Occorre produrre B con impulso più alto
– Fasci asimmetrici
– bg = 0.56 → L ~ 250mm → rivelatori di vertice a silicio
PEP-II Asymmetric B Factory
• Elettroni (e− ) da 9 GeV contro positroni (e+) da 3.1 GeV
– Energia ECM = 10.58 GeV = massa della U(4S)
• La risonanza bb più leggera che decade in coppie di mesoni BB
– Boost bg = 0.56 permette di misurare tempi di decadimento dei B
• Luminosità di picco 9.2×1033/cm2/s
produzione BB ~10 Hz
– 3 volte migliore della luminosità di disegno!
Luminosità di PEP-II
Run 4
Run 4
• BABAR ha accumulato 244 fb-1 di dati (256 milioni di
coppie BB)
– Run 4 (Settembre ’03- Luglio ’04) particolarmente proficuo
Rivelatore BABAR
Impulso di tracce cariche:
camera a deriva in un
campo di 1.5 T
Energia dei fotoni e
identificazione elettroni:
calorimetro CsI(Tl)
Rivelazione dei muoni:
giogo + camere
Identificazione di
particelle: rivelatore
Cerenkov (DIRC)
Ricostruzione di vertici:
rivelatore di silicio a
microstrisce
Tracciatore di vertice a silicio
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
Tracciatore di vertice a silicio
Readout
Beam bending chips
magnets
Beam pipe
Layer 1,2
Layer 3
Layer 4
Layer 5
Instrumented Flux return
•
Fino a 21 strati di
Resistive Plate
Chambers (RPC)
alternati a piani di
ferro
•
Identificazione di
muoni oltre 500 MeV
•
Rivelazione di adroni
neutri (KL)
•
RPC nel barrel in
corso di sostituzione
con tubi di Iarocci
RPC performance…
RPC,eff. >10%
Tutte le RPC
RPC,eff. <10%
Nuovi tubi di Iarocci (LST) al posto delle RPC
LST Project Overview
•Barrel RPC’s replaced with Limited Streamer Tubes (LST’s)
–An LST is an 8(7)-cell tube ~14cm x 358cm,
running at 5500 Volts.
–Produced at pol.hi.tech company in Italy.
•Module
_A Layer within a sector consists of 6 to 10 LST
Modules
_Each module contains of 2 or 3 8(7)-cell Tubes
–At Princeton and OSU, the tubes are glued onto a
SLAC-produced “phi-plane” to form modules, with
gas, HV, and electronics connections ready for
installation into BaBar
Transition board by Ferrara
Readout and electronics
A completely new electronics has been developed to
readout the signals from:
Daughter
board
- strips (z coordinate – beam line direction)
positive signal
Not amplified signals
- wires (phi coordinate – azimuthal angle)
negative signal
Single ended signals are sent to Front End Cards
(outside the detector) and there amplified and
discriminated.
The new platform for the FEC crates
Mother board
Designed by Angelo
Bottom sextant: forward view
Layer-1
Signal cables for wires
Brass
slabs on
every
other
layer
Layer-18
Gas lines for Tubes
Event Display from Cosmic event
Violazione di CP: effetti sperimentali
• misura del tempo ed
etichettatura perfette
F(dt) F(dt)
ACP(dt)
sin2b
• Misura del tempo perfetta,
etichettatura imperfetta
Dsin2b
D = (1-2w) in cui w è la frazione di
etichettature sbagliate (mistag).
Occorre misurare la diluizione.
• Misura del tempo ed
etichettatura imperfette
Occorre misurare la
risoluzione in dt.
Risultati
• Evidente differenza
materia-antimateria!
• Ampiezza
dell’oscillazione: “sin2b”
• Sin2b = 0.722
± 0.040 ± 0.023
Cosa c’è sotto?
• Nel modello standard delle interazioni elettrodeboli, la
matrice CKM (VCKM )
L -
g
 uL cL
2
 Vud Vus Vub   d L 

 
tL  g m  Vcd Vcs Vcb   sL Wm  h.c.
V V V  b 
ts
tb   L 
 td
è una matrice unitaria che collega gli autostati di massa
agli autostati deboli
• 3 parametri reali + 1 fase complessa
L’unica fonte di
violazione di CP !
• Si tratta di una descrizione completa?
– è davvero tutto consistente con una singola matrice unitaria?
Parametrizzazione di Wolfenstein
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 


Triangolo di unitarietà
VudVub  VcdVcb  VtdVtb  0
†
VCKM
VCKM  1
• Unitarietà di VCKM
– Ben rappresentata dall’arcinoto triangolo di unitarietà

VudVub
VcdVcb
VtdVtb
VcdVcb
a
g
b

1
 VtdVtb* 
a  arg  * 
V
V
 ud ub 
 VcdVcb* 
b  arg  * 
V
V
 td tb 
 VudVub* 
g  arg  * 
V
V
 cd cb 
– Gli angoli a, b, g si misurano con i decadimenti dei B (es: J/y Ks)
– Anche i lati possono essere misurati con i decadimenti dei B
Test di consistenza
• Si confrontano le misure (contours) sul piano (, )
– Se il modello standard è valido,
il triangolo si chiude
• Il blob
ci dice che
questo è attualmente vero
– ma è ancora grosso abbastanza
per nascondere effetti di nuova
fisica
• La misura di sin2b è più
precisa delle altre
– Dobbiamo migliorare le altre
misure per poter fare un
test di precisione
Passo successivo: |Vub/Vcb|
• Zoom della regione di sovrapposizione
– È ovvio: dobbiamo
restringere l’anello verde
• Lato sinistro del triangolo
VudVub Vub 1


VcdVcb Vcb tan C
Misura di |Vub/Vcb|
complementare a sin2b
Dobbiamo determinare accuratamente sia |Vub/Vcb| che sin2b
Decadimenti semileptonici del B
• Permettono di vedere dettagliatamente il quark b
all’interno dei mesoni B

-
Leptoni disaccoppiati
dalla corrente adronica
W
b
Vcb ,Vub
c, u
• Analogia con la diffusione profondamente inelastica

b
-
W
• Ottima sonda per studiare |Vcb| e |Vub|
• Possiamo studiare anche la struttura
del mesone B
c, u
X c ,u
B
u, d
Approcci sperimentali
• Inclusivo: B → Xcℓv o Xuℓv
– Tassi a livello albero

B
GF2
2
5
Gu  G(b  u  ) 
V
m
ub
b
192p 2
GF2
2
2
3
Gc  G(b  c  ) 
V
m
(
m
m
)
cb
b
b
c
192p 2
– Occorre calcolare correzioni QCD
• Operator Product Expansion (OPE)
– Come si separa Xu da Xc?
• Gc = 50 × Gu  la misura di |Vub| è molto più difficile
• Esclusivo: B → D*ℓv, Dℓv, pℓv, ℓv, etc.
– Occorrono fattori di forma per estrarre |Vcb|, |Vub|
X
|Vub| inclusivo
GF2
2
5
Gu  G(b  u  ) 
V
m
ub
b
192p 2
• |Vub| si misura da
• Problema: decadimento b → cℓv
2
G(b  u  )
1


G(b  c  ) Vcb 2 50
Vub
Come si sopprime un fondo
~50 x segnale?
• mu << mc  cinematica differente
– Energia massima del leptone:
2.64 vs. 2.31 GeV
– Tecnica usata nelle prime
misure (CLEO, ARGUS, 1990)
Spazio delle fasi accessibile: solo 6%
• Quanto accuratamente lo conosciamo?
bc
b u
E
Cinematica b → uℓv
• Ci sono 3 variabili independenti in B → Xℓv
– Eℓ, q2 (massa2 leptone-neutrino), mX (massa adronica)
q 2
E
6%
mX
20%
70%
Difficoltà
Efficienza
Errore teorico
Eℓ
Semplice
Bassa
Grande
q2
Complicata
Moderata
Moderato
mX
Complicata
Alta
Grande
Da dove viene
fuori?
Questioni teoriche
• Bisogna fare correzioni QCD al livello albero
• Operator Product Expansion dà
il tasso inclusivo
-

– Espansione in as(mb) (perturbativa) B
e 1/mb (non-perturbativa)
2
GF2 Vub mb5
G( B  X u  ) 
192p 3

 as
1
O


p

 92 - 1

2
2mb

conosciuto O(as2)



soppresso 1/mb2
– Incertezza maggiore (±10%) da mb5  ±5% su |Vub|
• Il vero problema è determinare la frazione accessibile
(ad esempio, Eℓ > 2.3 GeV)
di decadimenti
Xu
Funzione di struttura
• OPE non funziona sull’intero spazio delle fasi
– non converge ad esempio vicino l’endpoint di Eℓ
– Calcolo delle accettanze diventa problematico
• Si risommano termini non perturbativi in una funzione di
struttura (Shape Function)
– Parametrizza il moto di Fermi del quark b all’interno del mesone B
– Distribuzioni a livello di quark  spettri osservabili
Caratteristiche basilari
(media, deviazione
standard) conosciute
Dettagli, specialmente
la coda, sconosciuti
f (k )
0
  M B - mb
k
Shape Function – che fare?
• Si misura! La stessa SF entra (al prim’ordine) nei
decadimenti b → sg
Spettro Eℓ
in
b → uℓv
f(k+)
Spettro Eℓ
in
b → uℓv
– Caveat: occorre l’intero spettro Eg
• Si misura solo Eg > 1.8 GeV
• Troppo fondo a energie minori
1.8
– Compromesso: si assumono forme funzionali per f(k+)
k
a (1 a ) x
f
(
k
)

N
(1
x
)
e
;
x


• Esempio:

• Fit allo spettro b → sg per deteminare i parametri
• Sistematica: si fitta con altre forme funzionali
2 parametri
(, a) da fittare
Eg
CLEO hep-ex/0402009
SF da b → sg
• CLEO e Belle hano misurato lo spettro b → sg
– BABAR lo sta facendo
Belle
Eg
3 modelli
Fit
f (k )
Belle hep-ex/0407052
Misure
• BABAR ha misurato |Vub| con quattro diversi approcci
Tecnica
Referenza
Eℓ > 2.0 GeV
hep-ex/0408075
Eℓ vs. q2
hep-ex/0408045
mX < 1.55 GeV
mX vs. q2
hep-ex/0408068
Campione B → Xev inclusivo.
Statistica alta, purezza bassa.
Rinculo di B ricostruite completamente. Purezza alta, stat.moderata.
– Correlazioni piccole
– Sistematiche indipendenti, errori teorici quasi indipendenti
BABAR hep-ex/0408068
Misure con mX e q2
• Dati BABAR, 81 fb-1 sulla risonanza U(4S)
• Eventi con un mesone B completamente ricostruito
– ~1000 modi di decadimento adronici
– Il resto dell’evento contiene un B “di rinculo”
B  adroni
ricostruito
completamente
• Sapore e impulso noti
• Leptone (pℓ > 1GeV) nel B di rinculo
– Carica del leptone consistente col sapore del B
– mmiss consistente con un neutrino
• Tutte le altre particelle appartengono a X
– Miglioramento della misura di mX
con fit cinematico
– Calcolo del q2 di lepton-neutrino
v
lepton
• Fin qui il campione è in prevalenza b → cℓv
– Criteri di reiezione del fondo
X
BABAR hep-ex/0408068
Reiezione del fondo
• b → cℓv soppresso vetando i decadimenti del D(*)
– I decadimenti del D producono tipicamente almeno un kappa
 si rigettano eventi con K± e KS
– B0 → D*+(→ D0p +)ℓ−v hanno una cinematica caratteristica
• p + quasi a riposo rispetto al D*+
impulso del D*+ calcolato solo col p +
2
2
• Si Calcola m  ( pB - pD* - p ) per tutti i p +
 si eliminano gli eventi consistenti con mv = 0
• Gli eventi scartati non contengono b → uℓv
– Si usano per validare le simulazioni delle distribuzioni del fondo
• Si ottiene una distribuzione in (mX, q2) su un campione
arricchito di eventi di segnale
BABAR hep-ex/0408068
Fit a mX
• Dati BABAR, 80 fb-1 sulla risonanza U(4S)
BABAR
– Segnale chiaro di b → uℓv dal fit in mX
– BF inclusiva:
-3
B ( B  X u l )  (2.81  0.32stat  0.31sys -0.23
)

10
0.21theo
BABAR
Vub  (5.22  0.30stat  0.31syst  0.43theo ) 10-3
BABAR hep-ex/0408068
Fit a mX, q2
• Fit 2-D per misurare B in {mX < 1.7, q2 > 8}
– Buona risoluzione, misura
pulita di B
-3
B  (0.90  0.14stat  0.14syst -0.01
)

10
0.02 theo
• Accettanza calcolata da
Bauer et al.
– hep-ph/0111387
Vub
192p 3 B

 BGF2 mb5 G
G = 0.282 ± 0.053
 (4.98  0.40stat  0.39syst  0.47 theo ) 10-3
BABAR hep-ex/0408075
Risultati |Vub| inclusivi
BABAR hep-ex/0408045
BABAR hep-ex/0408068
• Riepilogo dei risultati |Vub| di BaBar
Tecnica
|Vub| × 103
(SF) × 103
Eℓ > 2.0 GeV
4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo
0.46
Eℓ vs. q2
4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo
0.42
mX < 1.55 GeV
5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo
0.45
mX vs. q2
4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo
0.06
– Correlazione statistica tra le misure con mX e
Quanto varia |Vub|
mX-q2 = 72%. Trascurabile per le altre
se si usa la SF
– Errore teorico della misura mX-q2 diverso
misurata da
dalle altre  dipendenza dalla SF
CLEO
trascurabile
|Vub| inclusivo: prospettive
Eℓ endpoint
mX fit
mX vs. q2
Eℓ vs. q2
Risultati “omogeneizzati” dallo
Heavy Flavor Averaging Group
– Misura di |Vub| al ±9%?
Caveats + Outlook
• Per migliorare la precisione nella misura d |Vub| occorre
ricalcolare le incertezze teoriche
– Il calcolo OPE non converge per mX piccoli
• Sono ora disponibili calcoli usando la SCET
– Le correzioni non-perturbative NLO(1/mb) per b → uℓv e b → sg
sono diverse
• Le stime disponibili in letteratura sono più o meno equivalenti
– I diagrammi di annichilazione debole possono contribuire
significativamente (20%?) vicino all’endpoint di Eℓ
• Occorre misurare separatamente per B0 e B+
• C’è uno sforzo congiunto tra gruppi sperimentali e teorici
per migliorare la situazione
|Vcb| Esclusivo
• Il tasso B  D*ℓv è
Fattore di forma
2
d G( B  D l ) G Vcb
2
d

(
w
)
G( w)
F
3
dw
48p
*
2
F
Spazio delle fasi
boost g del D* nel sistema del B
– F(w) calcolabile a w = 1, cioè a D* fermo
• F(1) = 1 nel limite di quark infinitamente pesanti (mb = mc = ∞)
Hashimoto et al,
• Calcoli su reticolo danno F
F (1)  0.919-0.030
0.035
PRD 66 (2002) 014503
– Forma funzionale di F(w) sconosciuta
• Parametrizzata con 2 (derivata a w = 1) e R1, R2
• R1 and R2 misurabili sperimentalmente, es. CLEO, PRL 76 (1996) 3898
• Misura di dG/dw per determinare F(1)|Vcb| e 2
Misure esclusive di |Vcb|
• Usando F(1) = 0.91 ±
0.04, si ottiene
Vcb  (41.4  1.0expt  1.8theo ) 10-3
– In accordo con le misure
inclusive
– precisione ±5%, ±2% se si
includono le misure
inclusive
Una nuova tecnica sperimentale
• Ricostruzione parziale di D*ℓ tramite leptone e pione
– Si sfrutta la cinematica caratteristica del D*+→ D0p +
– Efficienza alta (non si ricostruisce il D0)
• Su rinculo di decadimenti adronici del B completamente
ricostruiti
– Si elimina il fondo dovuto al secondo B
– Efficienza di ricostruzione bassa
• Sistematiche ridotte rispetto ad un’analisi più esclusiva
(ricostruzione completa del decadimento semileptonico)
–
–
–
–
–
Normalizazione (BF della Y(4S)).
BF del D0
Efficienza di ricostruzione delle tracce
Efficienza/errori di identificazione delle particelle
Fondi fisici da D**
• Work in progress…
Conclusioni
• BaBar è un esperimento che produce risultati
fondamentali nel settore di sapore del modello standard
delle interazioni elettrodebolie
– Violazione di CP nella fisica del B
• I decadimenti semileptonici costituiscono sonde
eccellenti per le interazioni forti e deboli dei mesoni B
– |Vcb| e |Vub|  complementari a sin2b per la violazione di CP
– Determinazione delle masse dei quark pesanti e di parametri
non-perturbativi
• |Vcb| noto al ±2%
– Misure inclusive ed esclusive (B  D*ℓv) in accordo
Conclusioni
• Progressi significativi nella misura di |Vub|
– Quattro (!) misure di |Vub| ottenute in BABAR con b →
uℓv inclusivo
Technique
|Vub| × 103
Eℓ > 2.0 GeV
4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo
Eℓ vs. q2
4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo
mX < 1.55 GeV
5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo
mX vs. q2
4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo
• Precisione complessiva su |Vub| attorno al 10%