stato di babar · ricostruzione di vertici: rivelatore di silicio a microstrisce impulso di tracce...

Stato di BaBar

Concezio Bozzi26 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’oggiosservabile è composto dasola materia

• Big-Bang: proporzioni ugualidi materia-antimateria

• Dov’è finita l’antimateria? • Violazione della simmetria

CP è una delle quattrocondizioni (Sakharov)

• Si può osservare violazionedi CP in laboratorio?

Storia della violazione di CP1964: 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 violatanelle interazioni deboli dei quark se ci fosseroALMENO 3 famiglie di quark (solo 2 erano note a quel tempo)

1975: scoperta del leptone τ ⇒ 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 deimesoni Bd

1995: Scoperta del quark t ⇒ Completamento della terza famiglia di quark

2000: Scoperta del ντ a Fermilab, completamento della terza famiglia di leptoni

2001: Gli esperimenti alle B-factories BaBar&Belle pubblicano i primi risultati susin2β

Violazione di CP nei mesoni B

• Mesoni B: antiquark b + quark leggero– bu = B+

– bd = B0d

– bs = B0s

– 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, ricerchiamodecadimenti comuni a particella e antiparticella e ne studiamo l’evoluzione temporale

oscillazioni materia-antimateria

Il modo aureo: B0d → J/ψ K0

s

• Libero da incertezze teoriche• Facilmente rivelabile sperimentalmente

– J/ψ → ee o µµ– K0

s → π+ π-• ~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- → Υ(4S) → B0B0

• Sperimentalmente “pulito”, produzione B0B0 coerente– Possibile identificare (etichettare) se a decadere e’ stato un

mesone o antimesone B andando a vedere i decadimentidell’altro

( )( ) 28.0hadr

=σσ bb

Sperimentalmente…

At δt=0

B0

B0

particella antiparticella

−l

−K

z∆

+µ

−π

0SK

ψ/J

+π

−µe−

( )S4Υ

e+

Separazionespaziale =

misura del tempo

Ricostruzione del Modo aureo

Etichettatura:Materia o

Antimateria?0B

0B

Misure di tempo

• Vita media lunghezza di decadimento– L = v•t = v•γ t’ relatività ristretta, Einstein 1905

– v = β c → L = β γ c t’; c = velocità della luce

– “boost” βγ = p/m; p=impulso, m=massa

– vita media τ = 1.5ps → cτ = 450µm = 0.45mm• B prodotti alla Y(4S): p ~ 300MeV, m ~ 5GeV

– βγ = 0.06 → L ~ 30µm → impossibile da rivelare!• Occorre produrre B con impulso più alto

– Fasci asimmetrici– βγ = 0.56 → L ~ 250µm → 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 Υ(4S)• La risonanza bb più leggera che decade in coppie di mesoni BB

– Boost βγ = 0.56 permette di misurare tempi di decadimento dei B

• Luminosità di picco 9.2×1033/cm2/sproduzione BB ~10 Hz

– 3 volte migliore della luminosità di disegno!

Luminosità di PEP-IIRun 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

Ricostruzione di vertici: rivelatore di silicio a

microstrisce

Impulso di tracce cariche: camera a deriva in un

campo di 1.5 T

Energia dei fotoni e identificazione elettroni:

calorimetro CsI(Tl)

Identificazione di particelle: rivelatore

Cerenkov (DIRC)

Rivelazione dei muoni: giogo + camere

Tracciatore di vertice a silicio

e- beam e+ beam

• 5 strati di rivelatori a doppia facciaaccoppiati 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

Beam pipe

Layer 1,2Layer 3

Layer 4Layer 5

Beam bending magnets

Readoutchips

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 adronineutri (KL)

• RPC nel barrel in corso di sostituzionecon 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

Single ended signals are sent to Front End Cards (outside the detector) and there amplified and discriminated.

A completely new electronics has been developed to readout the signals from:

- strips (z coordinate – beam line direction) positive signal

- wires (phi coordinate – azimuthal angle)

negative signal

Not amplified signals

Daughterboard

Mother board

The new platform for the FEC crates

Designed by Angelo

Bottom sextant: forward view

Brassslabs oneveryother layer

Layer-1

Layer-18Signal cables for wires

Gas lines for Tubes

Event Display from Cosmic event

Violazione di CP: effetti sperimentali• misura del tempo ed

etichettatura perfette

• Misura del tempo perfetta, etichettatura imperfetta

• Misura del tempo ed etichettatura imperfette

F(δt) F(δt) ACP(δt)

D = (1-2ω) in cui w è la frazione di etichettature sbagliate (mistag).

Occorre misurare la risoluzione in δt.

sin2β

D⋅sin2β

Occorre misurare la diluizione.

Risultati

• Evidente differenzamateria-antimateria!

• Ampiezzadell’oscillazione: “sin2β”

• Sin2β = 0.722 ± 0.040 ± 0.023

Cosa c’è sotto?• Nel modello standard delle interazioni elettrodeboli, la

matrice CKM (VCKM )

è una matrice unitaria che collega gli autostati di massaagli autostati deboli

• 3 parametri reali + 1 fase complessa

• Si tratta di una descrizione completa?– è davvero tutto consistente con una singola matrice unitaria?

( ) . .2

ud us ub

cd cs cb

td ts tb

L

L L L L

L

V V VV V VV V V

dg u c t s W hc

b

µµγ +

⎛ ⎞⎜ ⎟= − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

L

L’unica fonte di violazione di CP !

Parametrizzazione di Wolfenstein2

2 2

3

3 2

1 / 2 ( )

(1 )1 / 2

1CKM A

A i

A i A

λ λλλ

ρ η

λλ

ηλ

λρ

−− −

−

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ −

≈⎟−⎝ ⎠

VEspansione in λ=0.22.

Si ignorano i termini del

4o ordine in λ.

4 parametri:

β

-i

-i

γ1 11 1 1

1 1

e

e

⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

FasiGrandezze relative

d s b

u

c

t

Triangolo di unitarietà• Unitarietà di VCKM

– Ben rappresentata dall’arcinoto triangolo di unitarietà

– Gli angoli α, β, γ si misurano con i decadimenti dei B (es: J/ψ Ks)– Anche i lati possono essere misurati con i decadimenti dei B

0ud ub cd cb td tbV V V V V V∗ ∗ ∗+ + =

*

*

*

*

*

*

arg

arg

arg

td tb

ud ub

cd cb

td tb

ud ub

cd cb

V VV V

V VV V

V VV V

α

β

γ

⎛ ⎞= −⎜ ⎟

⎝ ⎠⎛ ⎞

= −⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞

= −⎜ ⎟⎝ ⎠1

α

βγ

ρ

ηtd tb

cd cb

V VV V

∗

∗ud ub

cd cb

V VV V

∗

∗

†CKM CKM 1V V =

Test di consistenza• Si confrontano le misure (contours) sul piano (ρ, η)

– Se il modello standard è valido, il triangolo si chiude

• Il blob ci dice chequesto è attualmente vero– ma è ancora grosso abbastanza

per nascondere effetti di nuovafisica

• La misura di sin2β è piùprecisa 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: dobbiamorestringere l’anello verde

• Lato sinistro del triangolo

1tan

ud ub ub

cd cb cb C

V V VV V V θ

∗

∗ =

Misura di |Vub/Vcb| complementare a sin2β

Dobbiamo determinare accuratamente sia |Vub/Vcb| che sin2β

Decadimenti semileptonici del B• Permettono di vedere dettagliatamente il quark b

all’interno dei mesoni B

• Analogia con la diffusione profondamente inelastica

• Ottima sonda per studiare |Vcb| e |Vub|• Possiamo studiare anche la struttura

del mesone B

Leptoni disaccoppiatidalla corrente adronica

b,c u

−l

ν

,cb ubV V

W

b ,c u

−lν

W

B,u d

,c uX

Approcci sperimentali• Inclusivo: B → Xcℓv o Xuℓv

– Tassi a livello albero

– Occorre calcolare correzioni QCD• Operator Product Expansion (OPE)

– Come si separa Xu da Xc?• Γc = 50 × Γu la misura di |Vub| è molto più difficile

• Esclusivo: B → D*ℓv, Dℓv, πℓv, ρℓv, etc.– Occorrono fattori di forma per estrarre |Vcb|, |Vub|

B

X

l

ν

22 5

2( )192

Fu ub b

Gb u V mνπ

Γ ≡ Γ → =l

22 2 3

2( ) ( )192

Fc cb b b c

Gb c V m m mνπ

Γ ≡ Γ → = −l

|Vub| inclusivo• |Vub| si misura da

• Problema: decadimento b → cℓv

• 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?

2

2( ) 1( ) 50

ub

cb

Vb ub c V

νν

Γ →≈ ≈

Γ →l

l

El

b c→

b u→

22 5

2( )192

Fu ub b

Gb u V mνπ

Γ ≡ Γ → =l

Come si sopprime un fondo

~50 x segnale?

Cinematica b → uℓv• Ci sono 3 variabili independenti in B → Xℓv

– Eℓ, q2 (massa2 leptone-neutrino), mX (massa adronica)

6%

20%

70%

E l2q νl Xm

Difficoltà Efficienza Errore teoricoEℓ Semplice Bassa

ModerataAlta

Grandeq2 Complicata ModeratomX Complicata Grande

Da dove viene

fuori?

Questioni teoriche

B

uX

−l

ν

• Bisogna fare correzioni QCD al livello albero• Operator Product Expansion dà

il tasso inclusivo– Espansione in αs(mb) (perturbativa)

e 1/mb (non-perturbativa)

– Incertezza maggiore (±10%) da mb5 ±5% su |Vub|

• Il vero problema è determinare la frazione accessibile(ad esempio, Eℓ > 2.3 GeV) di decadimenti

21

52

2

2

3( )22

9119F u

b

b b su

Gm

V mB X α λ λν

π π⎡ ⎤

Γ → = ⎛ ⎞⎜ ⎟− −⎝ ⎠

−+⎢ ⎥

⎣ ⎦Ol L

conosciuto Ο(αs2) soppresso 1/mb2

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

k+

( )f k+

B bM mΛ = −

Caratteristiche basilari(media, deviazionestandard) conosciute

Dettagli, specialmentela coda, sconosciuti

0

Shape Function – che fare?• Si misura! La stessa SF entra (al prim’ordine) nei

decadimenti b → sγ

– Caveat: occorre l’intero spettro Eγ• Si misura solo Eγ > 1.8 GeV• Troppo fondo a energie minori

– Compromesso: si assumono forme funzionali per f(k+)

• Esempio:

• Fit allo spettro b → sγ per deteminare i parametri• Sistematica: si fitta con altre forme funzionali

f(k+)Spettro Eℓ

inb→ uℓv

Eγ1.8

(1 )( ) (1 ) ;a a x kf k N x e x+ ++ = − =

Λ2 parametri

(Λ, a) da fittare

Spettro Eℓin

b→ uℓv

CLEO hep-ex/0402009

Belle hep-ex/0407052

SF da b → sγ• CLEO e Belle hano misurato lo spettro b → sγ

– BABAR lo sta facendo

Belle

Fit

Eγ

( )f k+

3 modelli

Misure

• BABAR ha misurato |Vub| con quattro diversi approcci

– Correlazioni piccole– Sistematiche indipendenti, errori teorici quasi indipendenti

Tecnica ReferenzaEℓ > 2.0 GeV hep-ex/0408075

Eℓ vs. q2 hep-ex/0408045

mX < 1.55 GeVmX vs. q2

hep-ex/0408068

Campione B→ Xev inclusivo.Statistica alta, purezza bassa.

Rinculo di B ricostruite completa-mente. Purezza alta, stat.moderata.

Misure con mX e q2

• Dati BABAR, 81 fb-1 sulla risonanza Υ(4S)• Eventi con un mesone B completamente ricostruito

– ~1000 modi di decadimento adronici– Il resto dell’evento contiene un B “di rinculo”

• 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

• Fin qui il campione è in prevalenza b → cℓv– Criteri di reiezione del fondo

B→ adroniricostruito

completamente

lepton

v

X

BABAR hep-ex/0408068

BABAR hep-ex/0408068

Reiezione del fondo• b → cℓv soppresso vetando i decadimenti del D(*)

– I decadimenti del D producono tipicamente almeno un kappasi rigettano eventi con K± e KS

– B0 → D*+(→ D0π +)ℓ−v hanno una cinematica caratteristica• π + quasi a riposo rispetto al D*+

impulso del D*+ calcolato solo col π +

• Si Calcola per tutti i π +

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 campionearricchito di eventi di segnale

*2 2( )B Dm p p pν = − − l

BABAR hep-ex/0408068

Fit a mX

• Dati BABAR, 80 fb-1 sulla risonanza Υ(4S)

– Segnale chiaro di b → uℓv dal fit in mX

– BF inclusiva:

BABAR

BABAR3

stat syst theo(5.22 0.30 0.31 0.43 ) 10ubV−= ± ± ± ×

3stat sys theo

0.230.21( ) (2.81 0.32 0.31 ) 10uB X lν −+

−→ = ± ± ×B

BABAR hep-ex/0408068

Fit a mX, q2

• Fit 2-D per misurare ∆Β in {mX < 1.7, q2 > 8}– Buona risoluzione, misura

pulita di ∆Β

• Accettanza calcolata daBauer et al.– hep-ph/0111387

3stat syst theo

0.010.02(0.90 0.14 0.14 ) 10−+

−∆ = ± ± ×B

3

2 5

3stat syst theo

192

(4.98 0.40 0.39 0.47 ) 10

ubB F b

VG m G

πτ

−

∆=

= ± ± ± ×

BG = 0.282 ± 0.053

BABAR hep-ex/0408075

BABAR hep-ex/0408045

Risultati |Vub| inclusivi BABAR hep-ex/0408068

• Riepilogo dei risultati |Vub| di BaBar

– Correlazione statistica tra le misure con mX emX-q2 = 72%. Trascurabile per le altre

– Errore teorico della misura mX-q2 diversodalle altre dipendenza dalla SF trascurabile

Tecnica |Vub| × 103 ∆(SF) × 103

Eℓ > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo

4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo

5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo

4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo

0.46Eℓ vs. q2 0.42

mX < 1.55 GeV 0.450.06mX vs. q2

Quanto varia |Vub| se si usa la SF

misurata daCLEO

|Vub| inclusivo: prospettive

mX vs. q2

– Misura di |Vub| al ±9%?

Eℓ endpoint

mX fit

Eℓ vs. q2

Risultati “omogeneizzati” dalloHeavy Flavor Averaging Group

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 → sγ

sono diverse• Le stime disponibili in letteratura sono più o meno equivalenti

– I diagrammi di annichilazione debole possono contribuiresignificativamente (20%?) vicino all’endpoint di Eℓ

• Occorre misurare separatamente per B0 e B+

• C’è uno sforzo congiunto tra gruppi sperimentali e teoriciper migliorare la situazione

|Vcb| Esclusivo• Il tasso B → D*ℓv è

– Φ(w) calcolabile a w = 1, cioè a D* fermo• Φ(1) = 1 nel limite di quark infinitamente pesanti (mb = mc = ∞)• Calcoli su reticolo danno

– Forma funzionale di Φ(w) sconosciuta• Parametrizzata con ρ2 (derivata a w = 1) e R1, R2

• R1 and R2 misurabili sperimentalmente, es. CLEO, PRL 76 (1996) 3898

• Misura di dΓ/dw per determinare Φ(1)|Vcb| e ρ2

22*2

3

( ) ( ) ( )48F cbG Vd B D l w w

dwν

πΓ →

=d F G Spazio delle fasi

Fattore di forma

boost γ del D* nel sistema del B

0.0300.035(1) 0.919+

−=F Hashimoto et al,PRD 66 (2002) 014503

Φ

Φ

Misure esclusive di |Vcb|• Usando Φ(1) = 0.91 ±

0.04, si ottiene

– In accordo con le misureinclusive

– precisione ±5%, ±2% se siincludono le misureinclusive

3expt theo(41.4 1.0 1.8 ) 10cbV

−= ± ± ×

Una nuova tecnica sperimentale• Ricostruzione parziale di D*ℓν tramite leptone e pione

– Si sfrutta la cinematica caratteristica del D*+→ D0π +

– 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 sondeeccellenti per le interazioni forti e deboli dei mesoni B– |Vcb| e |Vub| complementari a sin2β 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

• Precisione complessiva su |Vub| attorno al 10%

Technique |Vub| × 103

Eℓ > 2.0 GeV 4.40 ± 0.13stat ± 0.25sys ± 0.38theo

4.99 ± 0.23stat ± 0.42sys ± 0.32theo

5.22 ± 0.30stat ± 0.31sys ± 0.43theo

4.98 ± 0.40stat ± 0.39sys ± 0.47theo

Eℓ vs. q2

mX < 1.55 GeVmX vs. q2