Fizyka B pośrednie poszukiwanie Nowej Fizyki

Eksperyment LHCb - pierwsze lata zbierania danych i Nowa Fizyka Marek Szczekowski Instytut Problemów Jądrowych Warszawa 18 kwietnia 2008 1

Fizyka B w Modelu Standardowym Powiązana z sektorem zapachów i łamaniem CP w MS - najmniej zrozumianą częścią modelu Rozpady i oscylacje B określają 5 z 9 elementów macierzy CKM Wyraźna hierarchia przejść między kwarkami przyczyna nieznana (Zbyt) wiele parametrów (stałych przyrody w MS) opisujących masy kwarków i leptonów oraz ich mieszanie (6+3+3+4+6=22) / 28 Kosmologia Wielki Wybuch ( 13.5 10 9 lat temu) symetria produkcji materii i antymaterii anihilacja materii i antymaterii n barion / n gamma ~10-10. Dlaczego cała materia nie uległa anihilacji? Do wyjaśnienia potrzebne m.in. łamanie CP. MS łamanie CP 3 generacje kwarków Ale stopień łamania CP w MS nie wystarcza do wyjaśnienia bariogenezy potrzebne są inne źródła łamania CP Nowa Fizyka 2

Fizyka B pośrednie poszukiwanie Nowej Fizyki Z wielu względów Model Standardowy (MS) nie może być ostateczną teorią efektywna teoria przy niskich energiach, przybliżenie bardziej fundamentalnej Nowej Fizyki oczekiwanej przy E ~ O (1 TeV) Jak szukać Nowej Fizyki (nowe cząstki, nowe symetrie, nowe oddziaływania)? nowe cząstki mogą być bezpośrednio wyprodukowane, jeśli energia jest wystarczająca nowe cząstki mogą pojawiać się jako cząstki wirtualne w procesach pętlowych mierzalne odchylenia od przewidywań MS. Fizyka B jest bogatym źródłem procesów pętlowych mierzonych z bardzo dużą precyzją. B 0 B 0 m B 3

Spektakularne sukcesy podejścia pośredniego Γ( K L0 µ + µ - )/Γ( K + µ + ν) << 1 mechanizm GIM (1970) przewidywanie czwartego kwarka (c) obserwacja c (1974) Pomiar różnic mas m K przewidywanie masy c m K ~ (m c m u ) 2 sin 2 θ C cos 2 θ C Oscylacje B antyb i pomiar m B (1987) przewidywanie masy t m B ~ m t 2 (V * tb V td )2 Łamanie CP (1964) mechanizm KM (1973) przewidywanie trzeciej rodziny kwarków obserwacja b (1977), obserwacja t (1995) d' V s' = V b' V b ud cd td V cb W V V V us cs ts c V V V ub cb tb d s b arg(v td ) = -β arg(v ub )= -γ arg(v ts )= β s + π Różne macierze mieszania dla kwarków i anykwarków łamanie CP d ' V s' = V b ' V b * ud * cd * td V V V * us * cs * ts V cb W + * V V V * ub * cb * tb d s b c 4

Obecny stan Modelu Standardowego i poszukiwań Nowej Fizyki Im bardziej zaglądali do środka tym bardziej prosiaczka tam nie było 5

Zagadka zapachów w Nowej Fizyce Nowa Fizyka nowe człony w lagranżjanie np.opisujące wkłady do m dla neutralnych mezonów K, D, B, B s : g g ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) cu bd bs d γ s + c γ u + d γ b + s b 2 sd L F = 2 = 2 L µ L 2 L µ L 2 L µ L 2 Lγ µ L ΛNF ΛNF ΛNF ΛNF Ale te m są dobrze pomierzone i zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego: g g m K /m K ~ 7.0 10-15 m D /m D 2 10-14 m B /m B ~ 6.3 10-14 1. Jeśli g ij = O(1) to Λ NF = O(10 3 10 4 ) TeV 2. Jeśli Λ NF = O(1) TeV to struktura zapachów NF jest bardzo szczególna: g ij 10-4 10-7 m Bs /m Bs ~ 2.1 10-12 Y.Nir, arxiv:hep-ph/07081872 6

Przypadki bb LHC b. duży przekrój czynny na produkcję kwarków pięknych (~ 0.5 mb) Kwarki b i anty-b produkowane parami, w większości pod małymi i skorelowanymi kątami (PYTHIA) Rozkład kątowy b b b pp interaction wierzchołek (primary vertex) oddziaływania pp B 0 b-hadron L l π + π Κ π + π + b b b Pomiar czasu własnego w rozpadzie B: t = m B L / pc a więc długości rozpadu L (~ 1 cm w LHCb) i pędów p dla produktów rozpadu ( ~ 1 100 GeV) Należy oznakować stan wyprodukowanego B: czy było to B czy B Można użyć ładunku leptonu lub kaonu z rozpadu drugiego hadronu b w przypadku 7

Produkcja kwarków b w LHCb spektrometr jednoramienny dla małych kątów 1.9 < η < 4.9 (15 300 mrad) średni pęd B 80 GeV/c tryger dla stosunkowo małych p T typowa zdolność rozdzielcza pomiaru czasu życia : σ 40 fs ( 3% τ) typowa zdolność rozdzielcza w masie: 14 18 MeV/c 2 bardzo dobra identyfikacja cząstek 2 fb -1 rocznie (10 7 sek) pt of B-hadron 10 2 10 1 ATLAS/CMS 100 µb LHCb 230 µb -2 0 2 4 6 eta of B-hadron 8

Świetlność w LHCb Problem przekrywania się n przypadków (pile-up) z tego samego przecięcia wiązek. Rozkład Poissona: <n> = L σ inel / f, σ inel 80 mb, f = 30 MHz Przy < L > = 2 10 32 cm -2 s -1 (maks. 5 10 32 cm -2 s -1 ) czyste przypadki : < n > = 0.5 mniejsze uszkodzenia radiacyjne (VELO 8 mm od wiązki) N = σ b L dt = 10 12 wyprodukowanych przypadków z b rocznie Scenariusz (optymistyczny?) dla scałkowanej świetlności: 2008 : < 0.1 fb 1? 2009 : ~ 0.5 fb 1 2010 : ~ 2 fb 1 / rok Probability 1.0 0.8 0.6 Liczba oddz. pp/przecięcie n=0 0 0.4 1 0.2 n=1 2 3 4 10 31 10 32 10 33 Luminosity [cm LHCb 1 ] 2 s 9

Detektor LHCb 1.9 < η < 4.9 or 15 < θ < 300 mrad VELO: Vertex Locator, detektor wierzchołka TT, T1, T2, T3: detektory śladowe RICH 1 2: detektory promieniowania Czerenkowa ECAL, HCAL: kalorymetry M1 M5: stacje komór mionowych Magnes dipolowy VELO Wiązka protonów Wiązka proton ów ~1 cm B Warszawa Detektor Zewnętrzny T1 T3 kontrola DAQ (Readout Supervisor+ Naważniejsze wymagania: efektywna rekonstrukcja i dokładny pomiar pędów dobra identyfikacja (p/k/π/µ/e) 10 efektywny i elastyczny tryger

Detektor w holu UX85 Komory mionowe Kalorymetry RICH-2 OT+IT Magnes RICH-1 VELO 11

LHCb w holu eksperymentalnym Ściana ochraniająca przed radiacją Punkt przecięcia wiązek przesunięty ATLAS Elektronika + farma CPU Detektory mogą być rozsuwane od linii wiązki dla lepszego dostępu CMS 12

LHCb wirtualny 13

Detektor Wierzchołka VELO vertex locator 21 stacji (= 42 dyski pasmowych detektorów krzemowych pomiar r lub φ 180 tys. kanałów analogowego odczytu 8 mm ( 3 cm) od wiązki (~ 10 14 n eq /cm 2 / rok) GeV/c zdolność rozdzielcza σ IP = (14 + 35/p T ) µm ½ VELO z 21 stacjami detektorów krzemowych Wprowadzenie do komory próżniowej 14

RICH-1 + 2 Ring Imaging CHerenkov: cos θ c = 1/ βn RICH 1: dwa radiatory : - 5 cm aerożel, n =1.03, (2-10 GeV/c) - gaz C 4 F 10, n = 1.014, (10 60 GeV/c) RICH 2: dla małych kątów i szybkich czastek - gaz CF 4, n = 1.0005, ( 15 120 GeV/c) odczyt : hybrydowe fotodiody (HPD) (430), każda z 1024 pikselami (0.5*0.5mm) 2.5 * 2.5 mm σ (θ c ) = 0.6 mrad Zwierciadła sferyczne płaskie 3.8 m aerożel 15

Identyfikacja cząstek w licznikach Czerenkowa Wiele rozpadów dwuciałowych o podobnej topologii Counts 1200 - B π π Bez identyfikacji + d + - B d K π + - 1000 B s K K - B π + s K - Λ b p K 800 - p π Λ b 600 400 200 5100 0 5150 5200 5250 5300 5350 5400 5450 5500 2 MeV/c Masa niezmiennicza ππ 300 - B π + d π + B π - d K + - 250 B s K K - B π + s K - Λ p K 200 b - p π Λ b Counts z identyfikacją 250 200 150 z - B identyfikacją π + d π + B K π - d + - B s K K - B π + s K - Λ b p K - Λ b p π 150 100 100 50 50 0 5.1 5.15 5.2 5.25 5.3 5.35 5.4 5.45 5.5 2 GeV/c Masa niezmiennicza ππ 0 5.2 5.25 5.3 5.35 5.4 5.45 5.5 5.55 5.6 2 GeV/c Masa niezmiennicza Kπ 16

Detektor Zewnętrzny 3 stacje (2 * 6 ram C), każda z 4 płaszczyznami modułów Każdy moduł 2 warstwy słomek z kaptonu/al. σ (p) / p = 0.35 0.55 % dla p do ~120 GeV/c Warszawski system monitorowania położeń ram - RASNIK Rozprowadzenie gazu i chłodzenia Rozprowadzenie LV,HV, ECS/TFC, etc. 9+9 modułów 2 2 9 modułów elektroniki Front-End 130 modułów ( ok.15 000 słomek) wyprodukowanych w Warszawie 17

Tryger w LHCb Detektor Efektywność L0, HLT i L0 HLT 40 MHz L0: duże p T (μ, e, γ, h), [sprzętowy, 4μs] 1 MHz HLT: duży parametr zderzenia, tory z dużym p T, [programowy] nastepnie pełna rekonstrukcja przypadku 2 khz Zapis (wielkość przypadku ~50 kb) Częstość HLT Typ przypadków Kalibracja Fizyka 200 Hz Ekskluzywne rozpady B Znakowanie B 600 Hz Dwumionowe o dużej masie Rekonstrukcja torów J/ψ, b J/ψX (nieobciążona) 300 Hz D* Identyfikacja K/π Cząstki powabne (mieszanie i łamanie CP) 900 Hz Inkluzywne rozpady b (np. b µ) Tryger B (różne procesy) 18

Początki zbierania danych Przy jakiej świetlności system zbierania danych w LHCb zostanie wysycony ( potrzebny tryger)? Całkowity przekrój czynny dla pp σ MB 100 mb Szybkość zapisu danych w LHCb R 2 khz Odpowiadająca świetlność L = R / σ MB 2 10 28 cm -2 s -1 10 8 przypadków MB w 14 godzin: - 5 milionów przypadków z cząstkami powabnymi (c) - 0,5 miliona przypadków z cząstkami pięknymi (b) Ustawianie i sprawdzanie trygera Kalibracja detektorów: alignment, RICH (π/k/p), kalorymetry (π 0 ). Efekty systematyczne: symetria azymutalna produkcji cząstek, n + /n -. Dopasowanie programów Monte Carlo Analiza fizyczna nie ma danych przy tych energiach wszystko jest nowe! 19

Kalibracja identyfikacji cząstek w RICH Kalibracja identyfikacji K/π przy użyciu K i π z D *+ D 0 (K π + )π + wybranych bez użycia informacji z RICH : ~ 5 Hz D* przy nominalnej świetlności, Czystość 90%. Pierwsze ~10k przypadków pozwoli na zgrubną kalibrację w funkcji pędu K K, p π K, p Efektywno fektywność vs p (dla p T > 1 GeV/c) Kalibracja z D* prawda z MC π e, µ, π K e, µ, π Docelowo: Pełna kalibracja estymatora PID ln(l i ) dla przedziałów p i p T ln(l K ) ln(l π ) (dla 1 < p T <2 GeV/c i 45 < p < 50 GeV/c) kalibracja K z D* prawda z MC, B s KK 20

Program badań w fizyce zapachów w LHCb Precyzyjne pomiary łamania CP, rzadkich rozpadów B, Pośrednie poszukiwania Nowej Fizyki w rozpadach opisywanych przez diagramy pętlowe Pomiar rozpadu B s µµ Parametry mieszania B, w szczególności faza mieszania dla B s Łamanie CP w ekskluzywnych hadronowych rozpadach pingwinowych b sss Łamanie CP w amplitudach rozpadów B (np. B K π) Pomiary ekskluzywnych rozpadów b s l + l and b sγ (tzn. struktury chiralnej) Pomiar różnicy słabych faz między V ub i V cb ( kąt γ ) z pomiarów rozpadów drzewowych B DK Poszukiwanie LFV w leptonowych rozpadach B (np. B s µ e ) Poszukiwanie NF w sektorze cząstek powabnych (mieszanie D, łamanie CP, rzadkie rozpady) Spectroskopia hadronów b, stany związane ciężkich kwarków, Jeśli NF zostanie znaleziona przez ATLAS/CMS, LHCb dostarczy komplementarnych informacji badając strukturę zapachową NF W przeciwnym przypadku, można badać fizykę przy znacznie wyższych energiach niż osiągane w pomiarach bezpośrednich 21

Bardzo rzadkie rozpady : B s µ + µ B s 0 SM s µ + W t ν b W µ SM MSSM Bardzo rzadki rozpad BR MS = (3.55 ± 0.33) 10-9 czuły na wkłady od NF może być bardzo wzmocniony w SUSY (silna zależność od tan β w CMSSM) J. Ellis et al., hep-ph/0411216 Obecne ograniczenia: 47 10-9 = 13 BR MS CDF 2 fb -1 ( 90 % CL) 75 10-9 = 21 BR MS D0 2 fb -1 ( 90 % CL) (g µ 2) odchylenie 3.4 σ 250 < m 1/2 < 650 GeV/c 2 przewidywanie MS 22 uniwersalna masa gaugino

B s µ + µ w LHCb Łatwy dla trygera i selekcji efektywność rekonstrukcji 10 % Główny problem: odrzucenie tła (MC ograniczona statystyka) - największe tło od b µ, b µ - dominujący kanał ekskluzywny B c J/ψ(µµ) µ ν mały Wykorzystanie zalet detektora: - dobra identyfikacja mionów, - dokładna rekonstrukcja wierzchołka, - dobra zdolność rozdzielcza w masie B s ( 18 MeV/c 2 ) BR (x10 9 ) Granice 90% CL na BR (tylko tło jest widoczne) Oczekiwany ostateczny wynik z CDF+D0 Niepewność w oszacowaniu tła Przewidywanie MS 0.05 fb 1 wynik lepszy od CDF+D0 0.5 fb 1 wykluczenie wartości BR aż do MS 2 fb 1 3σ ewidencja sygnału MS 6 fb 1 5σ obserwacja sygna gnału MS Scałkowana świetlność (fb 1 ) Najbardziej obiecujący kanał do szybkiego odkrycia NF w LHCb! 23

Asymetria CP w B s J/ψ φ Dominacja jednej amplitudy nie ma łamania CP w rozpadzie Odpowiednik dla B s złotego rozpadu B 0 J/ψ K S Asymetria CP zależna od czasu powstaje z interferencji B s J/ψ φ i B s B s J/ψ φ faza φ s = 2β s jest odpowiednikiem φ d = 2β dla B : φ s bardzo mała w Modelu Standardowym φ SM s 0 0 ( Bs ( t ) f ) s ( ) 0 0 B ( t ) f ( B t f ) ( Bs t f ) Γ Γ ACP ( t) = Γ + Γ A CP ( s ) ( ) ηf sinφs sin( mst) ( t) = ΓSt ΓSt cosh ηf cosφs sinh 2 2 SM = arg(v ts2 ) = 2λ 2 η = 0.0368 ± 0.0018 może być znacznie większa przy NF B s 0 B s 0 m s b s b V cb * s B s 0 B s 0 V cs A A c c s s V * tb V ts t W W t V ts V tb * J/ψ φ f CP = J/ψ φ s b B s 24 0

Faza mieszania φ s dla mezonów B s Ale ponieważ B V V to potrzebna jest analiza kątowa, żeby oddzielić wkłady od stanów z CP-ujemnym i CP-dodatnim Jak dotąd: Nie znaleziono łamania CP Wynik D0 (1.1 fb 1, ~1k B s J/ψφ) φ s = 0.79 ± 0.56 + 0.14 0.01 [PRL 98, 121801 (2007)] Czułość LHCb z 0.5 fb 1 : ~33k przypadków B s J/ψ(µµ)φ (bez znakowania), B bb /S = 0.12, σ t = 36 fs K - θ φ φ K + l - z J/ψ θ tr y φ tr x l + σ stat (φ s ) = 0.046 Docelowo: Można dodać (J/ψη ( ), η c φ, D s D s ) Przy 10 fb 1, można otrzymać ewidencję >3σ dla łamania CP (φ s 0), nawet jeśli tylko MS 25

Ograniczenia na Nową Fizykę z pomiarów fazy w oscylacjach B s B s 0 b s W t +NF? t W s b B s 0 σ s Obecnie Nowa Fizyka w oscylacjach B s : amplituda M 12, NF sparametryzowana przez h s i σ s : M 12 = ( 1+h s e 2iσ s)m 12 SM MS + NF pierwsze dane z LHCb pozwolą wykluczyć znaczącą część dozwolonego obszaru dla h s i σ s >90% CL >32% CL 2009 Z. Ligeti >5% CL hep-ph/0604112 h s Po pomiarze φ s z σ(φ s ) = ± 0.1 w LHCb (~ 0.2 fb 1 ) 26

Asymetria przód-tył A FB (B K * µµ) A FB (m (m 2 µµ ) przewidywania modeli A FB ( s) + 1 0 1 = Γ d d / ds 0 1 2 d Γ cosθ dsd cosθ BR(B K*µµ) = 1.22 +0.38-0.3210-6 zgodne z MS ale NF może pojawić się w rozkładach kątowych rozpad opisywany przez trzy kąty (θ l,φ, θ K* ) A FB m 2 µµ [GeV2 ] asymetria A FB ( θ l ) w funkcji m 2 µµ W MS dokładne przewidywania dla punktu przecięcia: s 0 = m µµ2 (A FB =0)=4.36 +0.33-031 GeV 2 BELLE 06 Pomiary BaBar i Belle ~ 100 przypadków M µµ 2 µµ (GeV 2 ) 27

A FB (B K * µµ) Efektywność ~ 1% 7300 przyp./ 2 fb -1 Tło: B/S 0.5+0.2 dla 90% CL bb: b µ,b µ bb: b µ,c (c µ) Problem: Funkcja akceptancji a( θ l,m 2 µµ ) Czułość: przy 0.07 fb -1 konkurencja z BaBar i Belle A FB 0.1fb -1 0.5fb -1 σ(s 0 ) 0.5 fb -1 2 fb -1 10 fb -1 0.8 GeV 2 0.5 GeV 2 0.3 GeV 2 M µµ µµ 2 (GeV 2 ) 28

Przykłady fizyki B w LHCb z 0.5 fb 1 Kanał rozpadu B d J/ψ(μμ)K S B s D s π + B s D s K ± B s J/ψ(μμ)φ 33k σ(φ s B d φk S 230 σ(sin(2β eff )) = 0.46 B s φφ B + D(hh)K ± B + D(K S ππ)k ± B d π + π B s K + K 9.0k σ(s, C) = 0.088, 0.084 B d ρπ π + π π 0 3.5k α 2 fb 1 B d K *0 γ B s φγ B d K *0 μ + μ B s μ + μ Liczba przyp. dla 0.5 fb 1 59k 35k 1.6k 780 16k 1.3k 8.9k 15k 2.9k 1.8k 18 Stat.. czułość dla 0.5 fb σ(sin(2β)) = 0.04 σ( m s ) = 0.012 ps 1 σ(γ) = 21 deg σ( φ NP ) = 0.22 σ(γ) = 12 14 deg σ(s, C) = 0.074, 0.086 A CP A CP (t) σ(q 2 0 ) = 0.9 GeV2 BR SM at 90%CL SM fb 1 Świetlno wietlność potrzebna do zrównania się z konkurencją * 2 fb 1 0.2 fb 1 0.3 fb 8 fb 1 0.3 fb 1 1 2 fb 1 0.4 fb 1 fb 1 0.1 fb 1 0.05 fb fb 1 * Zakładając (zbyt) proste skalowanie 1/ N statystycznych niepewności dla obecnych wyników z Tevatronu ( 16 fb 1 ) i fabryk B ( 1.75 ab 1 ) 29

Podsumowanie (scenariusz na początek) Uruchamienie detektora: Pierwsza wiązka (!) i pierwsze zderzenia bez pola magnetycznego: ustalenie procedury zbierania danych, sprawdzenie synchronizacji czasowej poszczególnych detektorów, sprawdzenie programów rekonstrukcji przypadków dla rzeczywistych danych, określenie wzajemnych położeń detektorów (alignment) Pierwsze zderzenia z włączonym magnesem (obie polaryzacje): Kalibracja pędu, energii, identyfikacji cząstek, oraz sprawdzenie alignment u, analiza podstawowych rozkładów (zdolności rozdzielcze, ) i uruchomienie trygera, przetestowanie modelu obliczeniowego z rzeczywistymi danymi (użycie centrum Tier1 i analizy w GRID), jak najszybsze przejście do wiązek 25ns i świetlności 2 10 32 cm 2 s 1 30

Podsumowanie (scenariusz na początek c.d.) Fizyka: Podstawowe pomiary (np. produkcja J/ψ, σ bb, ) Zasadniczy program badań (fizyka B, poszukiwanie NF) może zacząć się bardzo wcześnie już od 0.1 0.5 fb 1 z konkurencyjnymi wynikami np. dla Bs µµ, φ s z Bs J/ψφ. Wyniki z eksperymentów CDF i D0, a w przyszłości z LHCb oraz CMS i ATLAS, dowodzą, że zderzacze hadronowe określane często jako discovery machines są również miejscem bardzo dokładnych pomiarów. 31

Dodatkowe 32

Layout Stacje komór mionowych M2-M5 RICH-2 Rura wiązki IP RICH-1 OT IT M1 Kalorymetry VELO TT Magnes 33