Fisica con i mesoni B
[ossia: test di sapore del Modello Standard]
CB, INFN-FE
9-18 Maggio 2007
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
Mesoni B: perché ?
• Mesoni B: antiquark b + quark
–
–
–
–
•
•
•
•
•
•
bu = B+
bc = B+c
bd = B0d
bs = B0s
L’unico mesone composto da 2 quark pesanti!
oscillazioni materia-antimateria
Decadimenti deboli
quark b pesante (~5 GeV/c2)
Vita media “lunga” (tB~1.5 ps)
Oscillazioni di sapore (Dmd~0.5 ps-1)
Violazione di CP
Sensibilità a nuova fisica
Decadimenti deboli nello SM
• Corrente carica debole non conserva il sapore
– Autostati deboli ≠ autostati di sapore
– Trasformazione unitaria: matrice CKM
L 
g
 uL cL
2
 Vud Vus Vub   d L 

 
tL  g   Vcd Vcs Vcb   sL W  h.c.
V V V  b 
ts
tb   L 
 td
– 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
Decadimenti dei B nello SM
LOOP
TREE
u
d
c
s
t
b
Where to B ?
Bersagli fissi
e+e- sulla Y(4S), nel continuo e sulla Z0
Collisori adronici
1977: scoperta della risonanza 
•
•
•
•
Esperimento a Fermilab (Lederman et al.)
Protoni da 400 GeV su bersaglio nucleare
~9000 muoni con massa invariante >5GeV
Eccesso a ~9.5 GeV
Commenti su bersagli fissi
Energia nel c.m. ~√Efascio
Sezione d’urto sbb~ 10nb per pfascio 800 GeV
 Luminosità alta. Tipicamente
~1010 particelle s-1 su bersaglio di densità ~1024 cm-2
→ L~1034 cm-2 s-1
 Fondi alti e non sempre tollerabili
 S/N ~ 3×10-7, strategia di trigger fondamentale
• ad esempio, si richiede J/Y → 
• inefficienza sul segnale: Br(B→J/YX)*Br(J/Y→)~ 0.6%
• …oppure si cercano vertici separati
• Ad esempio, per pfascio=920GeV, il B viaggia in media 8mm
NB:
1barn = 1b = 10-24cm-2;
1nb = 10-9b = 10-33cm-2
Un esempio (sfortunato)
Desy, Hamburg, Germany
Esperimento ambizioso:
Br(B→J/YKs)~10-4
S/B ~ 10-11 !!!
Le ragioni di un insuccesso
• ~150 particelle/evento a 10MHz
– Richieste pesanti su tracciamento e trigger (100Hz su nastro)
• Danneggiamento da radiazione e alti rate
– Problemi con rivelatori (MSGC)
– Inefficienze nella tracciatura → inefficienze di trigger
Ma nonostante tutto…
Sezione d’urto bb totale
Produzione di 
Acceleratori e+e-
e+e-→ (4S) → BB
• Sezione d’urto BB: ~1nb, continuo (e+e- → qq): 3.5nb
• (4S) sopra la soglia di produzione BB → solo B+ e B0d
• Produzione coerente, JPC=1-- → importante per
oscillazioni e violazione di CP!
G ~ O(10keV)
G ~ 24MeV
 
s bb
 0.28
s hadr 
Cinematica (4S) → BB
• m(4S)=10.580Gev; 2mB=10.557 GeV
• pB=340MeV; bgct~30m
– 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
Variabili di event shape
• Thrust
• Sfericità
 ˆ
pi  t

T

 pi

3 ( pi  sˆ) 2
S
2
2 pi
• Fox-Wolfram
• Si può costruire un
discriminante di Fisher
BB
qq
Variabili cinematiche
2
Si sfrutta il vincolo
dell’energia dei fasci per
migliorare la risoluzione
Tipicamente:
smes  3 MeV
s DE  15 MeV
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)
Fabbriche di B asimmetriche: PEP2
PEP-II accelerator schematic and tunnel view
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 m
190 m
Beam size y
6.7 m
6.0 m
Luminosità
3 x 1033
1.2 x 1034
Boost: bg = 0.56
4ns bunch
crossing
Correnti alte
130  106 B0/anno
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-)
Prestazioni delle 2 fabbriche
• Ottimo funzionamento sia di
PEP-2 che di KEK-B…
design
• Disegno: 30 fb-1/anno…
Lmax (1033/cm2/s)
BaBar
12.1
Belle
17.1
best 24h (pb-1)
891
1243
totale (fb-1)
422
710
Il rivelatore Babar
Instrumented Flux Return
19 strati di RPC/LST
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
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
Tracciatore di vertice a silicio
Readout
Beam bending chips
magnets
Beam pipe
Layer 1,2
Layer 3
Layer 4
Layer 5
DCH: 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)
DIRC: Rivelatore Čerenkov
• Luce Čerenkov nel quarzo
–
–
–
–
Trasmessa per riflessione interna
Anelli proiettivi nella “standoff box”
Rivelazione con fotomoltiplicatori
Essenziale per identificare K >2 GeV
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
s (E)
E

(2.32  0.03  0.3)%
 (1.85  0.07  0.1)%
4
E
p0
s = 5.0%
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)
Belle a KEK-B
e+e- nel continuo
I quark b adronizzano
75% B0d/B+; 15% B0s
10% barioni/stati eccitati
 I B viaggiano
– (pB~70% Efascio)
– Misure dipendenti dal tempo!
 s ~ 1/s ~ (87nb)/(4E2fascio)
– 35 pb a √s = 29GeV
– 8 pb a √s = 60GeV
– S/B ~ 1/10
Reiezione del fondo:
– leptoni ad alto impulso (1-2GeV)
– Boosted sphericity product
– Parametri d’impatto
– vertici secondari
…ampio uso in LEP/SLC
e+e- al picco della Z0
• Adronizzazione
• Boost bgct ~ 2mm
• G(Z0→ff)~GFM3Z(g2V+g2A)
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
– sbb ~ 5nb
– S/B ~ 1/5
LEP (1989-2000)
L ~ 1031 cm-2 s-1
ALEPH (1989-2000)
Reiezione del fondo (1)
• b→cℓn (BR~20%)
– 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 →, p →
– g →e+e– Misidentificazioni
• p>3GeV, p>1GeV
– 80% bb
– 15% cc
– 5% altro
Reiezione del fondo (2)
• Parametro d’impatto
• vertici secondari
Collisori adronici
• Sezione d’urto molto alta
• Tevatron, √s=1.8 TeV
sbb~ 18b
sbb /stot ~ 10-3
sbb~ 100b
sbb /stot ~ 2×10-3
• LHC √s=14 TeV
• B0d, B0s, B+, Lb, b, B(s)*, B(s)**
• Trigger essenziale
– B→ J/y → +– 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
Tevatron a Fermilab, Chicago
Run1 (1992-1996)
L ~ 1031 cm-2 s-1
Integrati ~ 150 pb-1
Run2 (2001-2009)
L > 1032 cm-2 s-1
Integrati ~ 2 fb-1
Nel 2009 ~ 4-8 fb-1
CDF & D0
CDF:
• trigger con tracce e
vertici secondari
• PID: TOF e dE/dx
• ottima risoluzione in
massa invariante
D0:
• accettanza per 
• tracciamento in avanti
LHCb al CERN
LHCb al CERN
~75 tracce
L ~ 2 x 1032 cm
-2
s-1
1012 bb/anno !
Where to B? Sommario
Acceleratore
√s
L
sbb
sbb/
shad
Nbb/107
s
Commenti
cm-2 s-1
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
~50b
1/1000
5 x 1010
+tutti gli adroni; +time-dep.
-trigger, fondi. accettanza,
LHCb
14 TeV
2 x 1032
~200b
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+