DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss1 Helge Voss Einführung B s Mischung und Mischungsphase

DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss 1

Suche nach Neuer Physik bei Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit BLHCb mit Bss-Zerfällen -Zerfällen

Helge Voss

• Einführung• Bs Mischung und Mischungsphase• der seltene Zerfall Bs

• CKM Winkel


Einführung Einführung

LHCb: • spezielles B-Physik Experiment:• volles B Hadron Spektrum (incl. Bs)

LHC: • pp@14 TeV “b-Fabrik”

CP-Verletzung CKM Matrix Tests seltene Zerfälle


Das Universum, unendliche Weiten…Das Universum, unendliche Weiten…

Es ist fast leer.Es ist fast leer.Aber nicht ganz…Aber nicht ganz…

• bs

Zur Motivation:Zur Motivation:

dynamische Baryongenese braucht: (Sakharov 1967) • Baryonzahl Verletzung

• CP-Verletztung

• und einen Zustand ausserhalb des thermischen Gleichgewichts (z.B. Phasenübergang

Im Prinzip gegeben in: • GUT-Modellen an der GUT-Skala

• “schwer” zu quantifizieren,

• wird wahrscheinlich ausgewaschen in der weiteren Entwicklung des Universums

• an der elektroschwachen Skala• Baryonzahlverletzung in Quanten effekten (Sphalerons), CP-Verletzung via CKM Matrix und elektroschwacher Phasenübergang (Higgs-Feld) aber: Nicht gross genug .. O(10-19)

Neue Quellen der CP-Verletzung ? Die CKM-Phase alleine tut’s nicht

Das Universum ist fast leer:..aber nicht ganz:

10(10 )CMB CMB

Baryon Baryon Baryonn n nO

n n

following: Bigi,Sanda “CP-Violation” 2000


Neue Physik und das Neue Physik und das “Flavour Problem”“Flavour Problem”

Es gibt viele Gründe die für “Neue Physik” sprechen:• Baryongenesis • dunkle Materie• das Hierarchie Problem• Neutrinomassen• Vereinigung der Eichkopplungen Erwartung “Neue Physik” bei Skala 1TeV

• Flavour Physik (z.B. K0-,D0-,B0 –Mischung, FCNCetc) Typische Grenzen für “Neue Physik” >> 1TeV

CKM-Matrix beschreibt den dominanten Mechanismus in der Flavour Physik und CP-Verletzung

“Neue Physik” als “Korrektur” zum Standardmodell: - Minimal Flavour Violation . D.h. Neue Physik die die CKM-Struktur “intakt” lässt und keine beliebigen neuen Phasen of O(1) zulassen.

(i.e. gleiche Operatoren der effektiven Kopplungen, nur andere Wilson Koeffizienten (Kopplungskonstanten)


LHCbLHCbbb-Winkel- verteilung

-LHCb: Ein-Arm vorwärts SpektrometerAkzeptanz: 15-300(250)mrad Luminosität: 2·1032 cm-2s-1 1012 bb/Jahr (108 @(4S))

• Vertex- sowie Spur- und Impulsauflösung• Teilchenidentifikation (Pion ↔Kaon)• Trigger für leptonische und hadronische B-Zerfälle

b

b

b

b

Pythia

100μb

230μb

η of B-hadronP T

of B

-had

ron


Der LHCb Detektor in RealitätDer LHCb Detektor in Realität

Muon Stationen

KalorimeterRICH-2 Magnet

Outer-

TrackerVELO

RICH-1

TT-Station

Inner Tracker

Muon

Station


LHCb Detektor Highlights: VELOLHCb Detektor Highlights: VELO

• Exzellente Vertex Auflösung:• Silizium Detektor im Sekundärvakuum• 8mm vom Wechselwirkungspunkt

• Schnelle Impaktparameter Bestimmung• direkte r--Messung durch:

• konzentrische Ringe und• radiale Streifen

• Auflösungen incl. der anderen Spurdetektoren:

• Impaktparameter: ~30m• Eigenzeit: ~40 fs• B-Masse: 8-

18MeV/c2


LHCb Detektor Highlights: RICH1/2LHCb Detektor Highlights: RICH1/2

Rich1

Rich2

• 2 RICH Detektoren (vor/hinter dem Magneten)

• 3 verschiedene Radiatormaterialien:(Aerogel (n=1.03), C4F10 (n=1.0014), CF4(n=1.0005))

K- Trennung im Bereich 2-100GeV !

Schematische Ansicht

flacher sphärischer Spiegel

Photon Detektor

Aerogel

C4F10 gas

CF4 gas


LHCb Detektor Highlights: RICHLHCb Detektor Highlights: RICH

Kaon ID = 88% bei- mis ID von 3%

rekonstruierte -Masse

Bd+-

mit ID

rekonstruierte K-Masse

BdK+-

Bs-K+

mit /K ID

RICH1 und RICH2

Wird die beste Teilchenidentifikation die jemals bei einem Hadron Collider erreicht wurde

rekonstruierte hh-MasseOhne Particle ID !

Bd+-

BdK+-


Bs Mischung(sphase)


CKM-MatrixCKM-Matrixschwache Eigenzustände Masseneigenzustände

W+

c s(d)

Vcs (Vcd)

bsd

VVVVVVVVV

bsd

tbtstd

cbcscd

ubusud

'''

12/12/12/1

2/1

4253

2252

32

iAAiAiAAiA

iA

CKM-Matrix: Nicht diagonal Mischung ( z.B. B0 B0 ) Komplexe Phase CP-Verletzung

Wolfenstein Parametrisierung (O(5) , ´≈0.2 : sin(“Cabibbo Winkel”)


BBss Oszillationen ( Oszillationen (mmss) )

Mischung: B0 B0

m(BH) – m(BL) = m = Oszillations Frequenz

VtsVtb*|s

b

b

sW W

t

t

Bs0 Bs

0

B

0 0s sB B

b

bPrimärvertex

0sB

l-

D0

flavour spezifischer Zerfall des Bs0:

verrät eindeutig ob es als B0 oder B0 Zerfallen ist

bzw. s s 0 0s sB BD D

0sBtagging Zerfall: l- aus b quark

anderes b-quark war b 0sB

• “opposite side-” aber auch “same side tagging” finden Verwendung

eff=(1-2w)2 = 7-9% (Bs)


BBss Oszillationen ( Oszillationen (mmss) )

Simulation: (incl. Detektor)0.5fb-1, ms = 20ps-1

CDF: 17.77±0.12ps-1

D0: 18.56±0.87ps-1

• 140k Ereignisse/Jahr (2fb-1)• Bbb/S < 0.05 @90%CL• ~ 40fs• Referenze Kanal für BR Messungen

stat(ms) = 0.012ps-1 (0.5fb-1)

Fehler wird voraussichtlich dominiert durch:Systematik auf Skala der Eigenzeit

• Bs Oszillation am Tevatron:

• LHCb Ausblick:


Die UnitaritätsdreieckDie Unitaritätsdreieckee

)()()(

05

***

OOO

VVVVVV tstdcscdusud

K0 Systemmultipizieren

)()()(

0333

***

OOO

VVVVVV tbtdcbcdubud

Bd0 System“Das Unitaritätsdreieck”

multiplizieren

)()()(

0224

***

OOO

VVVVVV tbtscbcsubus sBs

0 System

multiplizieren

tbtstd

cbcscd

ubusud

VVVVVVVVV

Bd0J/Ks

Bs0J/

*ubudVV *

tbtdVV

*cbcdVV

*

*arg argtd tbtd

cd cb

V VV

V V

*ubusVV

*tbtsVV

*cbcsVV

*

*

1.043

arg arg( ) (0.002 )ts tbs ts

cs cb

V V V OV V

*ud usV V

*cd csV V

*td tsV V


BBSS00

J/ J/

b

s

c

W+

s

J/c

s

s

bW-

c J/

s

s

c

b

sW W

t

t

Bs0 und Bs

0 zerfallen beide in den gleichen Endzustand J/

Bs0 Bs

0

Bs0

zwei verschiedene Amplituden (mit und ohne MischungBs

0 ↔ Bs0) mit verschiedenen

schwachen Phasen interferieren

*

*arg arg( )ts tbs ts

cs cb

V VV

V V

tsV*csV

*tbV

tsV

csV*cbV

cbV

*tbV

CP-VerletzendenPhasen


Mischungsphase in BMischungsphase in BssJ/J/CP-verletzende Bs Mischungsphase: s

SM = 2s

• Standardmodell sSM=-arg(-Vts

2) = -2 CKMfitter 2007: s

SM=-0.0368±0.0018

• Zeitabhängige CP-Asymmetrie in Bs0J/

misst genau sin(2s) • eine einzige schwache Phase• kleiner Pinguin zusätzlich doppelt Cabibbo unterdrückt

Abweichung “Neue Physik”

0.470.390.70 rads

s und die Sensitivität auf “Neue Physik”:• z.B. “Littlest Higgs with T-parity” (M.Blanke,A.Buras hep-ph/0703117) deutlich grössere Phasen s

SM+sNP

im Einklang mit derzeitigen Messungen

Derzeitige Situation: • bisher keine CP-Verletzung gefunden

klein (~2) genaue Vorhersage

genaue Messung ohne theoretische Unsicherheit

D0, Phys.Rev.D76(2007)057101


Mischungsphase in BMischungsphase in BssJ/J/

nun ist ein Vektorteilchen: A0 , A|| (fCP gerade) A┴ (fCP ungerade)

2(1 cos ) 2sin Zerfallswinkelabhängige Analyse

LHCb Simulation:• ~131k Ereignisse/Jahr (2fb-1)• B(bb) / S = 0.12 (sins) = 0.023 mit 2fb-1

0 0

0 0

( ( ) ) ( ( ) )( )

( ( ) ) ( ( ) )sin( ) cos( )

CP

C

CP

P

s CP s CPf

s CP

sf

C

sf

s P

B t f B t fA tB t f B t

m t Cf

m tS

= 0= sin(2s) keine “direkte” CP-Verletzung in Bs J/

Zeitabhängige CP Asymmetrie:

0 0/ /s sB B J


Weitere b Weitere b ccs Zerfälle ccs ZerfälleBs

(2s)mit 2fb-1

J/ 0.109J/ 0.080

J/ 0.142J/ 0.154c(4h) 0.108Ds

+Ds- 0.133

Summe = 0.046J/ 0.023

Summe = 0.021

• Zeitabhängige CP-Asymmetrie Eigenzeitauflösung! (Ereignisse generiert mit Detektorsimulation)

Kombinierte Sensitivität nach 10 fb-1 (Fast Simulation)

10fb-1 (sin2s) = 0.009 SM: -0.0368 ±0.0018(Systematiken (Tagging, Auflösung) fehlen noch)

Bs

CP-

Eige

nzus

tand

Belle/Babar: sin2 = 0.681±0.025 (ccs)SM 0.800 [+0.020 -0.086]

zum Vergleich:


Bs Mischungsphaseund Pinguin


bbsss hadronischer Pinguinsss hadronischer Pinguin• „Goldener“ Pinguin: Bs(K+K-)(K+K-)

reiner Pinguin Zerfall in CP-Eigenzustand

b

s

s

s

g

s

s(Bs0) Bs

0

Neue P

hysik

NP+bW-

s

s

s

t g

(Bs

0) Bs0

s

s

• SM: < 1% (Vts in Mischungs- und Zerfallsamplitude: Effekt “hebt sich auf”)

evtl. beobachtete CP-verletzende Phase

• ~3.1k Ereignisse in 2fb-1 mit B/S < 0.8 @90%CL • Winkelabhängige Analyse: (s) = 0.1 (2fb-1) (s) = 0.05 (10fb-1)

tsV*tsV


BBss• Vergleich: 2s aus BsJ/ (bccs “Tree Diagramme)

2seff aus Bs (bsss “Pinguin Diagramm)

Neue Physik in M (Mischung) oder D (Zerfall) ?

• Versteht man die Extraktion der Phase aus den Pinguin Diagramm?

• Selbiges im Bd System bccs vs. bqqs (Penguin) >2007: Abweichung bis 2.8 2007 : “naïve average” stimmt überein

2 des Fit schlecht


Seltene Zerfälle


b

st

W

W

BBss

SM

• Äusserst seltener Zerfall im Standardmodell: BR(Bs+-) = (3.4±0.4) 10-9

• Experimentelle Grenzen (90%CL): D0 : BR(Bs+-) < 7.5 10-8 @90%CL

CDF : BR(Bs+-) < 4.7 10-8 @90%CL

• Präzisionsmessung Eingrenzung des Parameterraumes z.B. im MSSM ähnlich wie bs und g-2

• MSSM: BR(Bs+-) ~ tan6Mögliche grosse Effekte!


10-8

10-7

10-9

10-6

[J.Ellis et.al, hep-ph/0411216]

• g-2 vom Muon: 2.7 Abweichung von Standardmodell a=(25.2±9.2)10-10

Im “constrained MSSM” (mSugra):

250GeV<m1/2<650GeV 5 ·10-9 < BR(Bs+-) < 10-7 (4.7·10-8)

CDF limit

BR

(Bs+-

)


BBss

Integrated luminosity (fb–1)

BR

(x10

–9)

Uncertainty in background prediction

Expected final CDF+D0 limit

SM prediction

90% CL imit on BR (only bkg is observed) 0.05fb-1

Verbesserung der Grenzen von CDF

und D0 !

0.5fb-1 Limit erreicht Standardmodell Vorhersage

oder 5Messung von BR=10-8

2fb-1 Standardmodell Messung mit 3

6fb-1

~3 Jahre

Standardmodell Messung mit 5

FIR

ST Y

EAR

LH

Cb

phys

ics



from Bfrom B00s s D D±±

ss K K

Bs0 Bs

0

10fb-1: (-2s) =±4.6º (DsK)() ≈ ±2.5º (alle Tree Graphen)

(Schätzung)

aus B0s D±

s K im “Tree Graphen”!

s

c

s

b uBs

0 K-

W+

Ds+

=-arg(Vub)

s*ubV

csV

Ds+

b cW- s

u K-

s s

*usV

cbV

• damit könnte das Szenario für die -Messungen irgendwann so aussehen:

oderso

sin(-2s)

sin(2s)

aus B Oszillation


Ohne Fleiss kein PreisOhne Fleiss kein Preis

Aber nur die Ruhe! Verglichen mit wieviel “Verkabelung” und “Commissioning” da drin wohl noch vor September gemacht werden muss…

The Birdsnest: Olympia stadium Beijing


ZusammenfassungZusammenfassung • LHCb ist ein dediziertes B-Physik Experiment am LHC

• Design Luminosität und daher mit Physikprogramm vom “ersten Tag” an

• Gute Massen und Zerfallszeitauflösung

• Excellente Teilchenidentifikation

•

Bs-Mischungsphase lässt derzeit noch reichlich Platz für Überraschungen

• Finden wir endlich “Neue Physik” in Verzweigungsverhältnis von Bs ?

• Vergleich von Messung aus “Tree” Prozess mit Loop Prozessen

• Komplementäre Suche nach Neuer Physik verglichen mit Atlas/CMS

reiches B-PhysikProgramm


Backup Slides


Grenzen für Neue Physik aus Grenzen für Neue Physik aus ss

s s

hs

>90% CL

>5% CL>32% CL

Constraints mit ms Messungen

hep-ph/0604112v3

hs

Nach 1 Jahr (2fb-1) LHCb

• Modellunabhängige Parametrisierung einer möglichen zusätzlichen Phase in der Mischung:

212 12

s

(1 )::

si SMs

s

M h e Mh

Stärke der neuen PhysikPhase


BBss

• Atlas und CMS (30fb-1 = 3Jahre)

• LHCb(10fb-1 = 5Jahre)

Potential zur Messung: (workshop on Flavour in the Era of the LHC)


Spur RekonstruktionSpur Rekonstruktion• Spurrekonstruktion:

• Effizienz > 95% (Spuren von B-Zerfällen die komplett in der Akzeptanz liegen)

• ~4% „ghosts“ (pT > 0.5 GeV/c)

• Ks+- > 75% (Zerfall innerhalb des VELO)

• Spurauflösungen:• Impaktparameter ~30m• Impuls ~0.36%

• B-Rekonstrutionsauflösung:• Eigenzeit ~40 fs• Masse: 8-18MeV/c2

Bs 18 MeV/c2

BsDs 14 MeV/c2

BsJ 16 MeV/c2

BsJJmass constraint)

8 MeV/c2

Effizienz vs. p~95%

p/p vs. p0.3 – 0.5


TriggerTrigger• pp@ 2·1032 cm-2s-1 ~16MHz Ereignisrate mit ~100kHz bb Ereignissen

_

• L0: (Hardware) trigger 16MHz1MHz• pile-Up• Kalorimeter• Muon

• High Level Trigger (HLT): (Software) 1Mz2kHzRate Ereignistyp Physik

• 200Hz exclusive B-Zerfälle(Standardprogramm)

• 600Hz grosse inv.Masse (b J/ X)• 300Hz D* Kandidaten (charm Physik)• 900Hz Inklusive b (z.B. b) (“data mining”)

L0 + HLT Effizienz:30%-80% bezüglich “offline-Selektieren” Ereignissen

pp-Wechsel-wirkungen je“Beam Crossing”

LHCb


from Bfrom B00s s D D±±

ss K K

s

c

s

b uBs

0 K-

W+

Ds+ =-arg(Vub)

Bs0 Bs

0 Ds+

b cW- s

uK-

s

s

s

(+s) = ±4.6º (10fb-1) = ±4.6º

= ±0.027 ms= 20 ps1, s/s = 0.1, =60º, T1/T2 = 0

• Messung von CP Verletzung mit der Phase im “Tree Graphen”!

• 4 Zeitabhängige Messungen vonEreignissen “tagged” als

• 2 “untagged” Messungen simultaner Fit in +s, starke

Phasendifferenz und Amplitudenverhältnis

Ds-K+

tagged as Bs

Ds+K-

tagged as Bs

Ds-K+

tagged as Bs

Ds+K-

tagged as Bs

Bs0,bzw. Bs

0

*ubV

csV*usV

cbV

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DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss1 Helge Voss Einführung B s Mischung und Mischungsphase