Czym materia różni się od antymaterii - najnowsze wyniki z eksperymentu LHCb M. Witek 730 members 15 countries 54 institutes CERN LHC Large Hadron Collider LHCb CMS Atlas Alice
Plan Motywacja badań Detektor LHCb Wybrane pomiary Angels and demons Tara Shears z eksperymentu LHCb?
Symetria CP C - sprzężenie ładunkowe, q -q cząstka antycząstka P - odbicie przestrzenne, r -r zmiana skrętności układu współrzędnych Symetria kombinowana CP to symetria pomiedzy materią i antymaterią. Czy proces w zwierciadle CP jest realizowany w ten sam sposób (dla antymaterii)? Ujęcie popularnonaukowe symetrii CP: Jakie pytanie zadać kosmitom aby ustalić czy są zbudowani z materii czy z antymaterii? W przypadku zachowania symetrii CP nie można ustalić zdalnie czy obiekt jest zbudowany z materii czy antymaterii.
Materia i antymateria Teorie pola CPT zachowane (T odbicie czasu t t). W przeciwieństwie do symetrii ciągłych zachowanie symetrii dyskretnych C, P i T z osobna we wszystkich oddziaływaniach nie wynika z zasad pierwszych jest faktem eksperymentalnym. C i P były uważane jako symetrie dokładne (zachowane w oddziaływaniach elektromagnetycznych i silnych) do czasu znalezienia łamania C oraz P w oddziaływaniach słabych (maksymalne łamanie). Niespodziewana obserwacja łamania kombinowanej symetrii CP w 1964 (0.2 %) Jim Cronin KS CP K S 0 KL 0 KS CP KL KL K L + events Val Fitch
Czym różni się proton od antyprotonu? Znak ładunku protonu jak i ładunku kwarków jest konwencją + - - symetria C jest zachowana w oddziaływaniach EM Ale zachodzi łamanie symetrii CP! B d 0 B s 0 proton ( uud) antyproton( uud ) Jednoznaczna definicja protonu: Proton to cząstka złożona z kwarków uud. Kwark d jest składnikiem neutralnego mezonu pięknego którego rozgałęzienie rozpadu na naładowany kaon i pion jest większe niż dla odpowiedniego antymezonu.
Bariogeneza materia + antymateria fotony anihilacja baryon baryon baryon 10 Łamanie symetrii CP jest konieczne aby wytłumaczyć dlaczego obecny wszechświat jest zdominowany przez materię (Sacharow 1967). n n n n n ~ O 10 We wczesnej fazie wyprodukowana została niewielka nadwyżka materii 1 czastlka na 10 10 par cząstka-antycząstka d' s' b' V V V ud cd td V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b Vˆ CKM d s b Faza obecna w macierzy V CKM jest źródłem (jedynym) łamania symetrii CP w modelu standardowym. Ale przewidywana wartość Δn baryon /n γ ~O(10-20 ) jest o 10 10 za mała. Musi istnieć tzw. Nowa Fizyka (NF) teoria opisująca zjawiska spoza modelu standardowego (rozszerzająca MS)
Zalety pomiarów pośrednich Dwa główne podejścia: Pomiary bezpośrednie. Np. bezpośrednia obserwacja nowej cząstki na wykresie masy niezmienniczej w eksperymentach Atlas i CMS. Pomiary pośrednie (LHCb). Przykłady z historii Trzecia rodzina kwarków zapostulowana przez Kobayashi i Maskawa (1973) aby wyjaśnić łamanie symetrii CP dla neutralnych kaonów; bezpośrednia obserwacja w 1977 (b) i 1995 (t) Istnienie kwarków c i t zostało pośrednio zaobserwowane w postaci efektów FCNC (Flavour Changing Neutral Current) dla mezonów K i B. NC (ν+n ν+n) odkryte w 1973; bezpośrednia obserwacja bozonu Z w 1983. Komplementarność względem pomiarów bezpośrednich Po odkryciu nieznanych efektów należy poznać szczegóły nowej teorii, w szczególności obalić lub potwierdzić istniejące obecnie rozszerzenia MS. Precyzyjne pomiary pośrednie sięgają do wyższych skali energii LHC bezpośrednio ~3 TeV (zderzają się kwarki i gluony w protonach) Pomiary pośrednie mogą sięgnąć skali ~100 TeV
Obserwowalne efekty NF A. Buras arxiv:0910.1032v1
Zagadki fizyki zapachu Struktura trzech generacji? Rozpiętość mas fermionów? Zródło macierzy CKM? Co powoduje łamanie CP?
Mezony B (s) 0 Stany wlasne zapachu nie sa stanami własnymi masy a oba stany własne nie sa stanami własnymi symetrii CP. Wartości własne Stany własne masy różniące się o Δm i ΔΓ Specjalność LHCb
Detektor LHCb σ(pp bb) = 284 ± 53 mb dla (s = 7 TeV) [PLB 694 209] ~ 100,000 bb par/sekundę b B q b B q
Detektor VELO B-decay displaced vertex K VELO najprecyzyjniejszy detektor wierzchołka na LHC B s D s K K B-production at pp-collision primary vertex B b tag + Makro przesunięcia ~cm Mikro precyzja ~μm Parametr zderzenia Wierzchołek oddziaływania σ z ~70 μm
10 10 zapisanych przypadków Zbieranie danych 2011
System wyzwalania 1092 pęczków, 3*10 32 /cm 2 /sek, 3.5*10 14 zderzeń w LHC w 2011 8.5 MHz: widoczne w detektorze 650 khz: L0 3.6 khz: HLT Sygnały obserwowane w HLT Stosunek sygnał/tło używany do monitorowania jakości danych
Najważniejsze pomiary LHCb Poszukiwania oznak Nowej Fizyki spoza modelu standardowego w procesach z wirtualnymi efektami w diagramach pętlowych Mezony B ~10-16 m - Nowa Fizyka ~10-19 m Ale w niektórych rzadkich procesach mogą pojawić się efekty z zakresu 10-20 -10-21 m Obserwacja B s μμ Faza mieszania dla oscylacji mezonów B s z dokładnością do 0.01 rad (SM -0.036±0.03) Precyzyjny pomiar kąta γ B K*μμ pomiar punktu-0 dla asymetrii z dokładnością 7% Pomiary mieszania D 0, poszukiwanie łamania CP (~10-3 ) Poszukiwanie Nowej Fizyki w gluonowych diagramach typu pingwin B s φφ
B s,d μ + μ - Przykład wzmocnienia w MSSM Silnie wzbronione w SM A.J.Buras, arxiv:1012.1447
B s,d μ + μ - B 0 s μμ? Selekcja z zaślepionym obszarem spodziewanego sygnału Szukamy kilku przypadków z 3.5*10 14 wszystkich zderzeń MVA Boosted Decision Tree Dominujące tło: kombinatoryka dwóch dobrze zidentyfikowanych mionów: μ + μ - BDT oparte na zmiennych geometryczno-kinematycznych: B: parametr zderzenia, czas lotu, pęd poprzeczny, izolacja μ: parametr zderzenia, pęd poprzeczny, polaryzacja, wierzchołek Kalibracja na B s,d h + h -
B s,d μ + μ - - pomiar CDF 12.07.2011 W tym czasie analiza LHCb ciągle zaślepiona Gdyby wartość średnia CDF była prawdą LHCb powinien zobaczyć ogromny sygnał. 20 przypadków na niewielkim tle (<1) Odsłonięcie obszaru sygnałowego LHCb przed konferencją EPS Grenoble 21.07.2011.
Bs,d μ+μ-
ϕs - faza oscylacji mezonów Bs
ϕ s - faza oscylacji mezonów B s d s b V V V ud cd td V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b B 0 s s V ts V ts s B 0 s Teoria (SM)
ϕ s - faza oscylacji mezonów B s Jak zmierzyć fazę ϕ s? Interferencja
ϕs - faza oscylacji mezonów Bs
ϕ s z B s J/ψφ
Porównanie pomiarów ϕs
Łamanie CP dla mezonów D Znikome łamanie CP dla mezonów D w SM <10-3 Trudne pomiary tak małych asymetrii CP wobec silnych innych źródeł jak asymetrie detektorowe i produkcyjne. Odpowiedni dobór procesów rozpadu oraz definicja obserwabli: Procesy: D* D 0 ( K + K - ) π +, D* D 0 ( π + π - ) π + Obserwabla: podwójna różnica (różnica dwóch asymetrii)
Sygnały D i D* Ogromne statystyki pomimo tego, że D KK i D ππ sa rozpadami wzbronionymi
Asymetria CP dla mezonów D Znaczącość statystyczna 3.5 σ Wynik na bazie 0.5 fb -1 Jeszcze połowa danych z tego roku do analizy.
Podsumowanie Bardzo dobre działanie LHC i LHCb Dane i wyniki wysokiej jakości Wiele pomiarów najlepszych w świecie. Aplikacja c++ do analizy fizycznej w LHCb nazywa się DaVinci Dokumentacja kodu źródłowego