Ricerche di nuova fisica nei
decadimenti del B:
esperimenti in corso e prospettive di ricerca a LHCb
Stefania Vecchi
INFN Bologna
IFAE2006
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1
Sommario
 I decadimenti rari dei mesoni B: processi FCNC

SM solo diagrammi loop (pinguini radiativi, pinguini semileptonici e leptonici
puri): BF<~10-5
 Calcolo preciso delle ampiezze LL+NLL (NNLL) (decadimenti inclusivi)
 Sensibili a effetti di NP (scambio di particelle super-simmetriche):
 Effetti su BF, distribuzioni cinematiche e ACP dirette e nel mixing
 (evidenza indiretta)  limitazioni ad alcuni parametri e modelli SUSY
 Ottimo banco di prova per il MS e per la ricerca di NP (complementare agli
esperimenti di scoperta)
 Approccio model-indepenend per la determinazione dei Coefficienti di Wilson
 Confronto con SM per migliorare la determinazione VCKM
 Rassegna dei dati sperimentali
 Prospettive di misura a LHCb
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Decadimenti radiativi b  s(d)
(Radiative penguin)
 b  s(d) inclusivi: B  Xs(d)
 teoricamente calcolabili
 Selezione sperimentale difficile (fondi, spettro )  B factories
 b  s(d) esclusivi: canali specifici
 Teoricamente meno precisi (fattore di forma)
 Selezione sperimentale più facile, statistica limitata
 Previsioni Teoriche BF, ACP, Polarizzazione
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Misure inclusive B Xs
 Sperimentalmente: Possibile solo alle B-Factories (vincoli cinematici e chiusura
dell’evento)
 ricerca di un fotone energetico E>1.6 GeV
 Grossa contaminazione di  di fondo (ISR o decadimenti di 0 )
 vari metodi per ridurre il fondo (lepton tag B opposto BaBar) + sottrazione di
eventi off-resonance)
 Selezione semi-inclusiva (B K[n]meno fondo, più incertezze dovute ai modi
mancanti, meno statistica
 Teoricamente:
 SM calcoli precisi (NLO)
 BF(B Xsdipende dal coefficiente di Wilson |C7|;
 Il suo valore può porre limiti sui parametri di alcuni modelli di NP
 Necessita di un modello fenomenologico per tenere conto dello spettro del
fotone (moto del quark b nel mesone) adattato su decadimenti semileptonici
 ACP: evidenzia fasi extra al SM nel loop b s
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Branching Fractions
inclusivo
CLEO
18
BF (b  s )  321 43  2710
(unità10-6)
Semi-inclusivo
E>2.0GeV
30
BF (b  s )  355  3231

11
7
E>1.8GeV

BF(b  s )  367  29  34  24

E >1.9GeV
Lepton TAG

9
BF
(b

s

)

355

24
Media
10  3


BF(b  s )  357  30
SM (NLO)
50
336  53  4254
E>2.24GeV 16 canali
56
335  1941
4
9
E>1.9GeV 38 canali ≈55%
E>1.6GeV
NPB 611 (2001) 338
NPB 631 (2002) 219

I risultati sono in perfetto accordo con SM (NP???…)
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
5
Approccio model-independent per descrivere il contributo di NP (hp: C7,
C9,C10) : Vincoli imposti dal BF(b->s) limitano R7 e R8
Lunghi, hep-ph/0210379
Phys.Rev.D66 (2002)034002
NP
SM
=MW
R7=C7NP/C7SM
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=2.5GeV
R7=C7NP/C7SM
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Punti: MFV SUSY.
NB: il segno di C7 (A7)
non è determinato!
La regione permessa
pone vincoli su C7 e
indirettamente sulle
masse di stop o Higgs
Il conoscere segno di
C7 è determinante
6
Spettro energetico 
A livello di quark E=(E-mb/2); il moto del b nel B + gluon emission determina
lo spettro osservato (non dipende da contributi NP)
fondi
CLEO
La misura dei momenti della distribuzione permette la determinazione di mb e
il suo moto.
mb = (4.59 ± 0.04) GeV
(b mass in B)
2 = (0.40 ± 0.04) GeV2 (b momentum squared in B)
Questa informazione puó essere usata per migliorare le misure di |Vcb| e
|Vub| dai decadimenti SL
hep-ph/0507253
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Asimmetrie di CP dirette
(b  s )  (b  s  )
ACP (b  s ) 
(b  s )  (b  s  )
SM ACP ≤0.5%
Alcuni modelli NP ACP ~10%
senza influenze sul BF
CLEO ACP (b  s )  (7.9 10.8  2.2)%
ACP (b  s )  (0.2  5.0  3.0)%


Media
HFAG
SM

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Semi-inclusivo
(pseudo-reconstruction Xs)
ACP (b  s )  (2.5  5.0 1.5)%
12 canali esclusivi self-tag
ACP (b  [d  s] )  (11.0 11.5 1.7)% Lepton-tag
ACP (b  s )  (0.4  3.6)%
ACP (b  s )  (0.44  0.20)%
ACP (b  [d  s] )  0 U  spin
hep-ph/0312260
“Untagged” particolarmente utli
prova di ZERO per SM
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Effetti di NP
Scan sui parametri di SUSY
Con vincolo su EDM n,e
MFV
Le previsioni teoriche su ACP dipendono
fortemente dalle assunzioni sul settore della
rottura della Super Simmmetria.
MFV con eventuali sorgenti aggiuntive di
CP violation (fasi-extra)
Nessun effetto lo rende
distinguibile da SM
Effetti <2% su ACP
Stretta proporzionalita’
MFV + extra phases
I modelli MFV non introducono grossi effetti misurabili ==> General FV scenario
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Approccio model-independent (GFV) con input sperimentale BF(b->s)
possibilità di introdurre effetti di NP indipendentemente sul flavour s/d C7,8
NP incide solo su Cs7,8
Ammette anche ACP~10%
Forte correlazione
GFV
NP incide solo su Cd7,8
piccoli effetti sulla
asimmetria untagged
Una precisa misura di ACP(untagged)
consente la discriminazione fra modelli
MFV e GFV
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Misure esclusive b s
 Sperimentalmente:
 La ricostruzione dello stato finale permette migliori risoluzioni e maggiore
soppressione del fondo rispetto al canale inclusivo (possibile anche alle macchine
adroniche)
 Problema:STATISTICA
 ricerca di un fotone energetico E>1.6 GeV
 Teoricamente:
 Stime piú difficili dei BF e meno precise (20%) (miglioramenti con metodi analitici
e LatticeQCD). Punto debole: Fattori di forma
 Rapporti di BF (canali CP coniugati / in relazione di Isospin/ canali diversi)
 ACP: si fattorizzano le incertezze teoriche: NP può originare anche grosse
asimmetrie
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BF di modi esclusivi
+ Recenti misure di BaBar:
BF (B   K  )  10.0  1.3  0.5
2.8
BF (B 0  K 0 )  11.32.6
 0.6

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 )  4.2
BF (B   K 
@90%CL
 )  6.6
BF (B 0  K 0
@90%CL
Circa il 40% dei modi inclusivi
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Risultati in
accordo
con SM
Promettenti i canali B(K) perché sensibili (interferenza) alla
polarizzazione del : SM LH polarization (<10% RH da QCD) NP
BF (B   K    )  29.5  1.3  1.9
PRL 88 (2002) 051802
Analisi ancora preliminare (soli BF)
Statistica limitata!!
SuperBFactory/LHCb ??
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BF (B  K   0 )  40.7  2.2  3.1
BF (B  K 0   )  18.5  2.1 1.2
BF (B   K 0  0 )  45.6  4.2  3.0
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Asimmetrie
Violazione di CP diretta
Accordo con le previsioni SM (≈1-2%)
ACP (K 0 *  )  (1.5  4.4  1.2)%
dir
ACP
ACP (K 0 *  )  (1.3  3.6  1.0)%
Asimmetrie di isospin (BK0*/B+K+*)

Accordo con le previsioni SM (≈5-10%)
 0 (K *  )  (1.2  4.4  2.6)%
4.6%   0 (K *  ) 14.6%
90%CL
ACP dipendenti dal tempo
SM prevede b s LH prevalente.
Nel mixing i due stati di polarizzazione
ortogonali non interferiscono:
AmixCP~-2(ms/mb)sin21~-0.06sin21
BaBar
Belle
0.01±0.52 ±0.11
-0.06 ±0.37
BaBar
Belle
NP potrebbe alterare le polarizzazioni e
AmixCP
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-0.21±0.40 ±0.05
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0.08±0.41 ±0.10
mix
ACP
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bd
Transizione soppressa di |Vtd/Vts|2≈0.04 rispetto a
bs
Contribuiscono diagrammi a loop + annichilazione
Effetti di NP potenzialmente ancora più visibili
A causa del fondo elevato
sono possibili solo misure
esclusive di alcuni canali
Vtd
 0.19
Vts
2
2
2 3
BF (B  ( , ) ) Vtd (1 m(  , ) mB ) 2

 1 R
2
BF (B  K *  )
Vts (1 mK*
mB2 ) 3
=0.85 ±0.10 Rapporto di FF
R=0.1 ±0.1 SU(3)-breaking factor
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Vtd
0.026
 0.1990.025
Vts

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0.018
0.015
15
Decadimenti radiativi bsl+l–
(semi leptonic penguin)
 Ottimi canali per lo studio FCNC con alta precisione
 Nuova sorgente di osservabili cinematici utili per il test della teoria
(complementare ai rate bs): m2l+l- ,,ACP, AFB(e il suo Zero) permettono
informazioni sull’interazione a corto raggio (Coefficienti Wilson)
 SM: processo dipende dagli operatori Q7 (em), Q9 (sl vettoriale),Q10 (sl vettore
assiale)
 Calcoli a NLL (precisione <10%) e NNLL
 Forte sensibilità a fenomeni di NP nell’asimmetria FB
 Problema: statistica. Decadimenti molto rari BF~10-6

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Prime misure alle B-Factories
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Misure (semi)inclusive BXsl+l –
d  b  s
     G m V V 1  sˆ
 
 
2
em
dsˆ
2
F
5
b
2
*
ts tb


4

48 3



eff 2
 1  2sˆ  C9  C10eff


2
2

 2  eff 2
eff eff * 
 4 1   C7  12 Re  C7 C9 
 sˆ 

T.Goto et al. PRD 55 4273 (1997)
Le diverse regioni di massa sono pesate in
modo diverso dai Ci.
Sensibilità anche al segno C7-C9 attraverso
l’interferenza
SM
Previsioni SM del BF e dello spettro di
massa l+l- : possibili in regioni lontane dai
contributi risonanti di ccbar.
Per ridurre le incertezze teoriche AFB,
m2(l+l-) e i BF sono riferiti al canale semi
–C7 (NP)
leptonico: BXcl+v
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Vincoli sui coefficienti di Wilson
misure semi-esclusive



BF
Belle
Babar
HFAG
SM
C7 = -C7SM
q2>(2m)2
4.11±1.
1
5.6±2.0
4.5±1.0
4.4±0.7
8.8±0.7
1<q2<6GeV2 1.5±0.6 1.8±0.9
1.60±0. 1.57±0.16 3.30±0.25
Le misure sperimentali di BF(B->Xs) e 5BF(B->Xsll) nonché il valore parziale
nell’intervallo 1<q2<6GeV2 possono essere combinate.
Approccio model-independent se NP non introduce nuovi diagrammi si ricavano
limiti sui coefficienti C7TOT, C9NP, C10NP.
BF(B->Xs) pone dei limiti su |C7TOT|
Gambino & al PRL 94 061803 (2005)
C7>0
C7<0
SM=(0,0) C7<0
MFV MSSM
Sfavoriti i modelli che prevedono
C7= –C7MS e C9, C10 invariati
-
(MSSM MFV big tan light stop)
C9NP
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C9NP
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Misure esclusive BK(*)l+l –
Canali estremamente rari.
Previsioni SM affette da
incertezze ~30% f.f.
Con statistica sufficiente diventano
importanti TEST di asimmetrie:
• ACP
• RK(*) = BF(K(*))/BF(K (*) ee)
SM previsioni precise 0.01% (~0.2%)
NP puo’ introdurre grosse deviazioni
O(10%) es. MSSM con nuove
sorgenti di LFV
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RK  (1.06  0.48  0.05)
RK*  (0.93  0.46  0.12)
0.39
0.06
RK  (1.38 0.41
0.07 )

0.30
RK *  (0.980.31
 0.08)
RK  (1.000  0.0001)
RK*  (0.991 0.002)

Rapporto in relazione con
BF(Bs)
(vedi slide n.25)
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Bologna
19
Asimmetria FB
AFB e’ determinata dall’interferenza tra
l’ampiezza C10 (vettore assiale , Z, W QCD free) con C7, C9 (vettoriale).
Lo ZERO di AFB definisce il segno di
Ceff7/Ceff9
SM q02=4.2 ±0.6 GeV2 (NNLO)
TEST importante di SM/NP
Goto &al Phys. Rev., D 55 (1997) 4273
Misure in canali esclusivi
B+K+l+l– canale di controllo: AFB=0 (anche con NP)
0.21
AFB (B   K  l  l )  0.150.23
 0.08

  
AFB (B  K l l )  0.10  0.14  0.01
AFB (B  K * l  l )  0.55 (95%CL)
 
AFB (B  K * l l )  0.50  0.15  0.02
0.28
 0.720.26
 0.28
Moriond'06
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20
SM
Risultati in accordo con
SM.
Esclusi alcuni scenari di
NP (A9xA10>0)
A10/A7
Ai diversa parametrizzazione dei Ci
ＳＭ
A9/A7
Escluso SM q2<8 GeV2 al 98%CL.
Esclusi alcuni scenari di NP (A9xA10>0)
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Decadimenti leptonici puri Bl+ l
Teoria: decadimenti leptonici puri Bl+ l- sono processi FCNC
 SM:
 proibito al Tree-level può avvenire con 1 loop
(penguin/box)
 soppresso per elicità
 Nell’approccio OPE dipende solo da Q10. Calcoli dei
contributi a corto raggio semplici (correzioni QCD
piccole)
 BF(Bd->)= |Vtd/Vts|2 BF(Bs->) se NP non
introduce nuove sorgenti di FV
 NP può contribuire aumentando notevolmente il BF:
 MSSM: BF~(tan)6/mA4 fattore 100
 Rapporto Bd/Bs utile per discriminare fra diversi modelli
 Indicazioni su 2HDM, mSUGRA,SO(10) GUT, Rp
violating models
SM:
Q10
 Sperimentalmente molto difficile:

statistica, PID, controllo dei sistematici (blind analyses)
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Soppressione di elicità
Decadimenti leptonici B(s)l+l–
e
BF(Bdl+l-)
BF(Bsl+l-)
3.4 × 10-15
8.0 × 10-14
< 19× 10-8
Eccezione: CDF in Bs  +–
si sta avvicinando al valore
dello SM
< 6.1× 10-8
1.0 × 10-10
Ancora lontani dalla misura:
solo CL (90%)
3.4 × 10-9
< 16× 10-8

<8.3× 10-8
< 30× 10-8

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< 2.3× 10-8
< 8×10-8 780 pb-1
3.1 × 10-8
7.4 × 10-7
3.2 × 10-3
780 pb-1
Difficilissimo
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23
hep-ph/0204225 MSSM Zpenguin
tan=50
tan=60
Polesello G.// Workshop Flavour Physics @LHC 11/05
BF(bs
BF(Bs
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1

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Analisi model-independent
Il BF(Bs può essere messo in relazione con gli altri processi FCNC finora
visti: bs, bsll, AFB,RK, RK*
Con un approccio Model Independent, estendendo la base degli operatori per
includere transizioni MSSM, si possono ricavare i limiti sui Coefficienti di Wilson
e/o scartare modelli.
hep-ph/0310219
EsclusadadaCDF
CDF
Esclusa
Esclusa
dada
CDF
Esclusa
CDF
Misurare R al
10~5% può
essere utile
molto utile
RK
RK*
R
RKK*
BF(Bsx
BF(Bsx
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
BF(B

sx
BF(B
x
s
25
Decadimenti leptonici: Btnt
Non è raro, non è FCNC…ma….
2 2

G mB 2
m
2
BF (B   t n t ) 
mt 1 t2  f B2 Vub t B
8
 mB 
2
F
BF (B   t n t )  (1.59  0.40) 104
0.18
0.34
BF (B   t n t )  (1.060.28
) 104
0.16
0.95
BF (B   t n t )  (1.280.90
) 104
 2.6 104
fit
SM(VCKM
)
New!!
90%CL
Assumendo i valori fittati di VCKM e
calcolati di fBsi pongono limiti ai
parametri di SUSY
BF (B   t n t )  BF (B   t n t ) SM  rH
mB2
rH  (1 2 tan 2  ) 2  0.67 0.29
0.26
mH
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26
Prospettive di misura a LHCb
 Abbiamo visto quante grandezze se misurate con maggiore precisione possono
contribuire a test più stringenti del SM e a porre dei vincoli sui parametri di NP.
 Dal punto di vista sperimentale occorrono:




Statistica (Trigger, accettanza)
Reiezione del fondo
Precisione di misura (masse invarianti, particle ID)
Controllo dei sistematici
 LHCb: ottimizzato per lo studio della fisica del B
1012 coppie bbar in un anno in accettanza (misure con Bd, Bs, b)
Trigger per la selezione dei decadimenti del B (IP) + di-muon trigger
Eccellente PID (/K/e/ )
Risoluzioni di massa invariante (10-18 MeV) e vertici secondari (100-200m)
Svantaggi rispetto agli esperimenti alle B-factories: “chiusura” degli eventi, pulizia
del segnale, possibilità di run off-resonance per il controllo dei fondi.
 Possibili misure eclusive o semi-inclusive di decadimenti rari.





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Misure di BF/Rapporti/ACP di canali esclusivi @LHCb
B K* 
0
d
0
Bs0  
eTOT [%]
0.16
S/B
<0.7
N/year
0.22
<2.3
9.3k
35k
2fb-1
Bd0  
Bd0  
Bd0  K *0  
B K  

d



Bd  K e e
Bd0 / s   
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Vedi trasparenza successiva
Precisione di misura di RK=BF(B± K± +-)/ BF(B±K±e+e-)
= 10% (1anno 2fb-1) 4.5% (5 anni)
MB)=(74/15 MeV/c2 ee/)
Misura di RK* possibile, da svolgere gli studi MCarlo
Vedi trasparenza
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28
BK0*+–
2fb-1
Punti di forza di LHCb per questa misura:
PID K/  in p=[10:100]GeV/c
Trigger L0 di-muone
Ottime risoluzioni in massa (16/10/3.3
MeV/c2 B//K*) e angolo FB (4.1mrad)
Precisioni
(stat.)
1 anno
5 anni
BF(B)
[1.7,2.5]%
ACP
[1.2-1.8]%
~0.04-0.10
BF(s)
~6% (grandi s)
~14%(piccoli s)
~2.5% (grandi s)
~6.5% (piccoli s)
AFB
[0.09, 0.026]
[0.04, 0.10]
Zero AFB
1.2GeV2
(*) 0.5GeV2
(*) Ceff7/ Ceff9 stimati al 13%
Gia’ dopo un anno di presa dati LHCb e’ in grado di raggiungere la precisione
necessaria per discriminare fra i vari modelli……
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29
Bs+–
LHCb ha ottime possibilità di misurare
questo canale nei primi anni di misura.
Le valutazioni Monte Carlo non
consentono per ora di avere una stima
affidabile del fondo atteso.
Solo sui dati sperimentali sarà possibile
studiare gli effetti sistematici di questo
canale
ATLAS
Risoluzione massa B=80MeV
30fb-1=primi 3 anni
Luminosita’
integrata
CMS
Risoluzione massa B=46MeV
30fb-1=primi 3 anni
B
Upper limit
90% CL
B
~0
~ 0.2
Luminosita’
integrata
S
6.4×10-8
Upper limit
90% CL
10 fb-1
~7
~ 20
7.0×10-9
10 fb-1
7
<1
??
30 fb-1
~ 21
~ 60
6.6×10-9
100 fb-1
26
<6.4
??
100
pb-1
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S
LHCb
Risoluzione massa B=18MeV
2fb-1=primi 1 anno
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30
aggiunte
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Conclusioni
 Lo studio dei decadimenti rari del B FCNC è un ottimo settore in cui
svolgere test precisi del Modello Standard ed avere eventuali indicazioni di
Nuova Fisica
 Numerosi canali e osservabili sono misurabili e possono essere messi in
relazione fra loro per svolgere indagini model-independent e porre limiti ai
parametri di NP
 Grazie alle misure svolte alle B-Factories, il quadro sperimentale attuale è
piuttosto ricco. Tuttavia le precisioni sperimentali in molti casi sono
inferiori a quelle teoriche a causa della statistica limitata e dei sistematici
 LHCb contribuirà a migliorare in modo significativo lo studio di questi
processi almeno nell’ambito dei canali esclusivi di decadimento
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•LHC: collisioni pp a s = 14 TeV, rate di intersezione dei bunch = 40 MHz
bb ~ 500 b (~ 0.5% rispetto al mbias)
•Ad alte luminosità cresce il pile-up di interazioni pp per bunch crossing:
•LHCb ha scelto di lavorare a L ~ 2 1032 cm-2s-1
(regolabile - fasci defocalizzati)
disponibile dall inizio
1 anno di misura = 2 fb-1
 1012 bb in accettanza in un anno
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–K separation
Mass resolution
(MeV)
Impact parameter
resolution
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Momentum resolution
(full spectrometer)
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Production bb
Typical bb rate
ee  (4S)  BB
PEPII, KEKB
1 nb
10 Hz
bb purity
~1/4
Pileup
0
B+B– (50%)
B0B0 (50%)
Small
Not reconstructed
Coherent B0B0 pair
mixing
b-hadron types
b-hadron boost
Production vertex
Neutral B mixing
Event structure
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BB pair alone
ppbbX (√s = 14 TeV, tbunch=25 ns)
LHC (LHCb–ATLAS/CMS)
~500 b
100–1000 kHz
bb/inel = 0.6%
Trigger is a major issue !
0.5–5
B+B- (40%), B0 (40%), Bs (10%)
Bc (< 0.1%), b-baryons (10%)
Large (decay vertexes well separated)
Reconstructed (many tracks)
Incoherent B0 and Bs mixing
(extra flavour-tagging dilution)
Many particles not associated
with the two b hadrons
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



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Hamiltoniana effettiva per bs, bsll
MFV
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