FABRYKI BFABRYKI B

DZIŚDZIŚ

I JUTROI JUTRO

Maria Różańska – IFJ PAN 10 listopada 2006

FABRYKI BFABRYKI B

hh bb + X

TEVATRON

(bb )/ tot~ 10-4, 109 BB/rok

LHC

(bb )/ tot ~ 10-2 , 1012 BB/rok

e+e- (4S) BB

(BB )/ tot~ 0.25

~3x107108 BB/rok

(od 1986)

Fabryki B czy zderzenia hadronów

pp (2TeV) bb + X

B0 J/Ks

(4S) BB bez dodatkowych cząstek !!!

~3MeV/c2

~10MeV

znamy energię B/B

Obszar sygnału

E

Mbc

FABRYKI B CZY ZDERZENIA HADRONÓW

22Bbeambc pEM

rekonstrukcja jednego B wyznacza czteropęd i liczby kwantowe drugiego z nich

W fabrykach BparyBB powstają bez dodatkowych cząstek

PEP-II w SLAC-u

KEKB w KEK-u

Belle

BaBar

9GeV (e-) 3.1GeV (e+)świetlność: 1.121034cm-2s-1

PEP-II i KEKB

8GeV (e-) 3.5GeV (e+)świetlność: 1.651034cm-2s-1

rekord świata11 krajów, 80 instytutów, 623 osoby

13 krajów, 57 instytutów, ~400 osób

Scałkowane świetlności KEKB i PEP-II

PEP-IIBaBar

24 lipca, 2006

KEKB Belle

KEKB + PEP-II

Świetlności znacznie przekraczają założenia obu projektów

~ miliard parBB

PROGRAM FIZYCZNY FABRYK B

1. Łamanie CP w rozpadach B

2. Parametry Modelu Standardowego (zespolone sprzężenia kwarków)

3. Poszukiwanie efektów nowej fizyki

4. Spektroskopia powabu

5. Fizyka

(0,0) (0,1)

W± qi

qjVij

Macierz CKMCabibby-Kobayashiego-

Maskawy

φ1(β)φ3()

φ2(α)TRÓJKĄT UNITARNOŚCInadokreślony poprzez pomiary z fabryk B

||||

*

*

cbcd

ubud

VVVV

||||

*

*

cbcd

tbtd

VVVV

0*** tbtdcbcdubud VVVVVV _ _(ρ, η)

Belle + BaBar

~ 500 publikacji,

180 w Phys. Rev. Lett.

>12000 cytowań

Br(K0L

) 0.002

Niezachowanie symetrii CP (CPV) 1964

(K0L l+-) -(K0

L l-+)(K0

L l+-) +(K0L l-+) 0.003

Bezwzględna różnica między materią i antymaterią !

Mechanizm Kobayashiego-Maskawy (KM)

CPV Nieredukowalna faza w Lagrangianie

s GFsinCud uGFcosC

Makoto Kobayashi

Toshihide Maskawa

1973

*CKMV

C

kąt Cabibby

C

12 , 23 , 13 , e -i

e -iβ

dduu

ss dduu

ss

?? ??

??

??

OBSERWACJA FAZY MACIERZY CKM

B B f fCo najmniej dwie amplitudy:

porównywalnej wielkości

efekty znacznie słabsze gdy A2<< A1

sinsin||||2)()()()(

21 AAfBfBfBfBACP

lipiec 2004

CPV w rozpadach

275M BBB0 K

_B0 K

ACP = -0.101 0.025 0.005 3.9

ACP = -0.133 0.030 0.009 4.2)()()()(

fBfBfBfBACP

(B0 K-+) = (B0 K+-)?

bW-

u

d d

s

u

0B

K

b

W- s

d

u0B

u

Kd

50 108.1)( KBBr

Vub

t

015.0093.0)(

2006 BaBar Belle

KACP

ASYMETRIE CP ZALEŻNE OD CZASU (tCPV)

b c

d

csd

J/KS

b

d c J/KS

bcsddt

t+

Vtd

Vtd

trzeba “poczekać” (t0) żeby mieć wkład drugiej amplitudy

BB00 f fCPCP

BB00

)(/)(/)(/)(/)( 00

00

fBdtdfBdtdfBdtdfBdtdtACP

)sin(2sin)( tmtA dCPCP

t =0

Jak mierzyć d/dt

B 0

(4S)

The two mesons oscillate coherently : at any given

time, if one is a B0 the other is necessarily a B0

In this example, the tag-side meson decays first.

It decays semi-leptonically and the charge of the

lepton gives the flavour of the tag-side meson :

l = B 0 l = B 0. Kaon tags also used.

tagB 0l (e-, -) =0.425

z = t c rec

sK

t picoseconds later, the B 0 (or

perhaps it is now a B 0) decays.

B 0

ll

d0B b

W

At t=0 we know this

meson is B0

from Richard Kass

B0 J/ K0 : 535106 parBB

B0 J/ KS B0 J/ KL

Nsig = 7482Purity 97 %

CP oddNsig = 6512Purity 59 %

CP even

0 0

hep-ex/0608039

B0 J/ KS

B0 tag_B0 tag

0 B0 J/ KL

B0 tag_B

0 tag

0

ACP(t) = -CPsin2βsinmt

sin2β= +0.643 ±0.038 sin2β= +0.641 ±0.057

hep-ex/0608039sin2β= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst)

2006: BaBar + Belle

• CPV ~O(1) !

• faza CKM wyznaczona bez niepewności hadronowych

(w przeciwieństwie do ε, ε’ z rozpadów kaonów)

TRÓJKĄT UNITARNOŚCI

/3 = [62 ]+38 -24

/2 = [83 ]+12 -23(1) B0,

,

BD(*)K(*)

sin2 =0.764± 0.039pośredni pomiar

(pozostałe pomiary bez sin2)

sin2=0.675±0.026bezpośrednie pomiary

SM FitUTfit collaboration: http://utfit.roma1.infn.it, hep-ph/0605213

sin2 vs |Vub|/|Vcb||Vub| @ 7.4%

Exp. stat 2.2%Exp. syst 2.7%

Teor. (SF) 4.1%

Teor. (inne) ~5%

Czego się dowiedzieliśmy ?

• Zaobserwowano różne przejawy łamania CP w rozpadach B, przewidywane przez mechanizm Kobayashiego-Maskawy– łamanie CP wprost – łamanie CP poprzez interferencję mieszania i rozpadów

• Asymetrie CP w sektorze B są duże (O(0.1)O(1))– duża wartość fazy odpowiedzialna za CPV ustalona doświadczalnie – przybliżona symetria CP (mogła być zgodna z CPV w rozpadach kaonów) jest wykluczona

• Pomiary z fabryk B „nadokreślają” Trójkąt Unitarności

• Model łamania CP Kobayashiego-Maskawy jest sprawdzoną teorią

Rzadkie rozpady B

• Czy możemy zaobserwować?• Czy możemy wykluczyć?

MS NF?Poszukiwanie efektów spoza Modelu Standardowego;

ACP(BK)

• ACP(B0K+-) = -0.0950.013 7

• ACP(B+K+0) = 0.04 0.04

niezgodność z ACP(B0K+-) 4.9

• Czy niezgdność z MS ?

B+ B+

u

uuu

++

++

1. Uprościćnp. ACP(t)

w rozpadach z przejściem bs (K, ’K,…)

2. Unikać hadronówrozpady leptonowe, półleptonowe, radiacyjne

B, B, BD bs, B(,ω), bsll

3. Jedno i drugieACP w bs

AFB w BK*ll

Jak się pozbyć “niepewności hadronowych”

)sin(2sin)( tmtA dCPCP

pierwsza obserwacja tCPV (5.6w pojedynczym kanale b s

_535M BB

ACP(t) w B0 'K0

_347M BB

2006: sin2 z rozpadów b s

Smaller than bccs in all of 9 modes

Theory tends to predictpositive shifts(originating from phasein Vts)

Naïve average of all b s modessin2eff = 0.52 ± 0.052.6 deviation betweenpenguin and tree (b s) (b c)

M. Hazumi ICHEP’06

ACP(t) BXs

• Model Standardowy ACP(t)0

– foton jest spolaryzowany B0s L, B0s Rstany końcowe różne dla B0 iB0

B0s L tłumione ~ms/mb

• ACP(t) potrzebny wierzchołek rozpadu B

b s

t

W

C7b

b

Ls

Rs

mb

mb

msms

trajektoria Ks

IP B vertex

100 , 5 , 3 ,x y zm m mm

pomiar dla super-fabryk Bprofil wiązki

ACP(t)

H+

B• Diagram anihilacyjny

• W Modelu Standardowym:

Br()=1.6x10-4

Br()=7.1x10-7

Br(e)=1.7x10-11

222

SMB

H H 2H

mr , r = 1- tan βmBr =Br

fB – stała rozpadu B

Rozpady leptonowe B

b s

, Z

t

W

b

u

W

b s

W W

t

Penguin Box Annihilation

Wiele różnych procesów

Stany końcowe z neutrinami

• Pełna rekonstrukcja jednego z dwóch B (Btag)pozostałe cząstki pochodzą z rozpadu drugiego B (Bsig)znamy ładunek/zapach Bsig znamy pęd Bsig

Υ(4S)e (8GeV) e+(3.5GeV

)

B

B

w pełni zrekonstruowany rozpad B (0.1~0.3%)BD etc.

Badany rozpad BXu l , BK BD,

Narzędzie do badania rozpadów B z neutrinami, do pomiarów inkluzywnych

B

BB++ D D0 0 ++ KK++ - - ++ --

BB-- -- ee--ee

Pierwsza ewidencja rozpadu B

Signal +

background

Background

B

Signal

17.2 przypadków w

obszarze sygnału 3.5

+5.3 - 4.7

: statystyczna znaczącość

E ECL- energia w kalorymetrze „nie wykorzystana” w rekonstrukcji przypadku

+0.56 +0.46 -4-0.49 -0.51Br B 1.79 ×10

Ograniczenia na naładowany bozon Higgsa

+0.56 +0.46 -4exp -0.49 -0.51

-4SM

Br =(1.79 )×10Br =(1.59 ±0.40)×10

222B

H 2H

exp

SM

mr = 1- tan βmBr =1.13±0.53Br

HPQCD fBHFAG |Vub|

Te obszary są wykluczone.

Silniejsze ograniczenia niż z ekspeymentów przy wyższych energiach.

BK(*) .

• Czyste teoretycznie, czułe na „Nową Fizykꔕ Bardzo trudne eksperymentalnie.

Sygnatura: BK(*) + nic.

Przewidywanie MSBr ~ 4x10-6.

• Babar @82fb-1

Btag z rozpadów hadronowych i półleptonowych

• Belle @253fb-1

Btag z rozpadów hadronowych

+ -5Br(B K νν) <3.6×10 (90%C.L.)

Obserwacja bd

Fabryki B dzisiaj

Obserwacja BK l+ l-

tCPV w rozpadach B0

pierwsze pomiary tCPV w B->K0

ACP B0K+

AFB BK* l+l-

Ewidencja B

DIR

5 ACP(t) w B->’K0

Obserwacja bd

Dsb

c

c

cq

cs

q

b c

q

csq

e

e

e

e

BABAR

Belle

2003 2004 2005

DsJ(2317)

DsJ(2458)

X(3872)Y(3940)

Y(4260)

Z(3930)

continuum ISR

B decays

B decays

Nowe cząstki z powabem

Picture: R. Faccini, DOE review 2005

Fabryki B dzisiaj produkcja i rozpady cząstek z kwarkiem c e+e- cc rozpady B

rozpady leptonów e+e- +- ~500 M

D,c , X

K

Co dalej ?

Precyzyjne pomiary przy niskich energiach Nowe fazy łamiące CP ? Prądy prawoskrętne ? Efekty dodatkowych pól Higgs’a ?……

Nowa Fizyka @ TeV

2007 rusza LHC znaleziony Higgs (SM) i nic więcej

poszukiwania Nowej Fizyki nadal poprzez niewielkie odchylenia od SM w rozpadach b, s, c, ….

Przykład:

Coraz dokładniejsze pomiary masy t z Tevatronu.

Sprzężenia |Vts|, |Vtd,| i fazę (Vtd) mierzymy

w rozpadach B.

Vtd

Vtd

Przykłady z historii:

KL kwark c

Częstość oscylacji K masa kwarku c

Częstość oscylacji B masa kwarku t

CPV 3 rodziny kwarków

Identyfikacja Nowej Fizyki

Bd- unitarity

m(Bs) B->Ks B->Ms indirect CP

b->s direct CP

mSUGRA- - - - - +

SU(5)SUSY GUT + R(degenerate)

- + + - + -

SU(5)SUSY GUT + R(non-degenerate)

- - + ++ ++ +

U(2) Flavor symmetry + + + ++ ++ ++

++: duże, +: znaczne, -: małe

Observ-ables

SUSYmodels

Odchylenia od Modelu Standardowego

Split fermions in large extra dimensions

Universal extra dimensions

Universal extra dimensionsKK graviton exchange

mSUGRA (moderate tan )b

mSUGRA ( large tan )b

SU(5) SUSY GUT with nR

Effective SUSY

Bd unitarity

Time-dependent violationCP

Rare decaysBOther signals

“DNA identification”of new physics

SuperKEKBSuperKEKB vs LHCb vs LHCb

B(Bs) < 0.53×10-4 (90% CL)

< 2 fb-1 (3 dni naświetlań @ (5s))

Crab crossing

Crab cavity

Super-KEKB można zbudować teraz!

SuperKEKBSuperKEKB Asymetryczny zderzacz e+e- - na bazie fabryki KEKB. świetlność 81035 cm-2s-1 1010 BB /rok. 8109 + - /rok. List intencyjny: http://belle.kek.jp/superb/loi “Physics at Super B Factory” hep-ex/0406071 cykliczne konferencje i warsztaty

Wyższe prądy,mniejsze y* „wnęki kraba” L = 81035

ECM=M((4s))

– Naturalna kontynuacja KEKB– Technologie sprawdzo(a)ne

przy KEKBHEP community in Japan is now discussing “Grand Lepton Collider”

plan to accommodate both Super-KEKB and ILC.

Harmonogram Super KEKB

Crab cavity

1.5x1034

470 fb-15x1034

1 ab-14x1035

10 ab-1

Lpeak (cm-2s-1)Lint

5x109 BB/yr.& also +-

M. Yamauchi - 2004

źródło e+

Ares RF cavity

Detektor Belle

świetlność: L = 1.6 x 1034/cm2/sec

SCC RF(HER)

ARES(LER)

The KEKB Collider 8 x 3.5 GeV 22 mrad kąt przecięcia wiązek

~1 km in diameter

Mt. Tsukuba

KEKBBelle

od 1999 r.

BK(*) .

• Czyste teoretycznie, czułe na „Nową Fizykꔕ Bardzo trudne eksperymentalnie.

Sygnatura: BK(*) + nic.

• „nic” może być ciemną materią( Pespelov et al.).

DAMA NaI 3Region

CDMS 04

CDMS 05Bezpośrednie poszukiwania ciemnej materiinieczułe w obszarze M<10GeV.

Przewidywanie MSBr ~ 4x10-6.