Fisica del B: stato e prospettive

1
Fisica del B stato e prospettive
Sommario Introduzione Lati e angoli
CKM Decadimenti rari Conclusioni Disclaimer
prevalentemente B factories

• Concezio Bozzi, INFN Ferrara
• IFAE, Lecce, 25/4/2003

2
Stato dellarte

• Il meccanismo CKM predice correttamente gli
  effetti di violazione di CP nei K, charm e B
• Violazione di CP piccola nel mixing KK (eK) e nel
  decadimento K?pp (e/e)
• Violazione di CP grande in B?J/y K (sin 2b) ma
  piccola nel mixing BB (eB)
• Violazione di CP non rivelata nei decadimenti del
  charm (sensitività sperimentale non ancora
  adeguata)

• eK 2.271 0.017 10-3
• Vub/Vcb 3.7 10-3 / 40 10-3
• Dmd 0.503 0.006 ps-1
• Dms gt 14.4 ps-1
• sin 2b 0.731 0.055

3
Successo ed imbarazzo

• Il modello standard è in ottima forma ma...
• La rottura della simmetria elettrodebole non è
  capita
• MS non spiega lasimmetria barionica
  delluniverso
• Naturale cercare effetti non-MS
• Misure di precisione nel settore di gauge
  (LEP/SLC)
• Ricerca diretta di nuova fisica (Tevatron2, LHC)
• Misure di precisione nel settore di sapore (B
  Factories presenti e future, Tevatron2, LHC)

Qualsiasi estensione del MS dovrà sopravvivere a
test molto stringenti di CPV (angoli e lati del
triangolo CKM) e FCNC (decadimenti rari)
4
CPV e CKM i lati
Pinguino EM
Oscillazioni Bd e Bs
b
d
W
(s)
Vtd (Vts)
t
t
b
d
W
(s)
Decadimenti semileptonici
5
Semileptonici Vcb, Vub
cf. M. Rotondo, A. Sarti

• Approccio esclusivo a Vcb B?Dln, B?Dln
• Misura Vcb fattore di forma, conosciuto al
  4
• Sistematicamente limitata
• Sistematici altamente correlati (BR(D), D,
  fattori di forma)
• Precisione migliorerà ma impatto sul triangolo
  ormai trascurabile
• Approccio esclusivo a Vub dipendenza dai fattori
  di forma, calcolabili su reticolo
• Errore teorico 5 su una scala di 4-10 anni
  (conservativo)
• Approccio inclusivo a Vub. Rimozione fondo da
  b?cln
• Tagli in q2, mHad, El.
• Ricostruzione esclusiva dellaltro B
• Teoria non ancora sotto completo controllo
• Combinazione di tagli
• Sistematico teorico su Vub 5 asintotico?

Vcb escl.
CLEO
6
Vub da decadimenti SL sul rinculo
cf. A. Sarti
Ricostruzione completa di mesoni B e selezione di
eventi SL nel B di rinculo Efficienza10-3 Sistema
tiche fortemente ridotte Taglio su MX (lt MD) (?
60-80) e altre variabili (Pl, q2) per separare
segnale b?ul? da fondo
Xu
7
Fisica più pulita
B?Xln
Vcb
Vub
S/N1.7
S/N1/50
Analisi su rinculo
Analisi inclusiva
8
Vub stato ed estrapolazioni
Vub (B factories)(4.320.57) 10-3
Errori estrapolati (analisi Mx) Statistico
L(ab-1) 0.08 0.5 2.0 10
sstat() 7.0 2.8 1.4
0.6 Sistematico sperimentale 5 ? 2.5
(b?cln bkgd) Teorico 9 (s(mb)90MeV) ? 5
(b?uln, spazio delle fasi)
Ottimizzare il punto di lavoro!
9
Oscillazioni Vtd/Vts
Dmd
Dms gt14.4ps-1_at_95CL
0.502 ? 0.006 ps-1
LEP/SLD/CDF 13 analisi!
Tanta precisione per nulla...
Dmd/Dms Vtd/Vts _at_ O(5-10) teorico
10
Dms prospettive
S. DAuria
Decadimenti Bs ? Ds?l, Ds?l (Ds?????, K0K?,
?????) 40K eventi in 2 fb-1 Risoluzione in
tempo proprio ?t 60 fs ? t ? ?K/K ?K/K
14 Tagging ?D2 11.3 (complessivo)
CDF
Limite attuale Xsgt 20.6
Sensitività fino a xs ? 30
11
CPV e CKM gli angoli

• sin 2b Bd ? J/y Ks, f Ks
• sin 2a Bd ? pp, rp
• sin(2bg) Bd ? Dp e Bs ? DsK
• g Bd ? pp, Bd ? DK

A(t) S sin(Dm t) C cos(Dm t)
12
Misure di b
cf. M. Pierini

• CharmonioKs (canali aurei)
• Stessa fase per alberi e pinguini, no incertezze
  teoriche
• Segnale abbondante e puro
• Sistematiche sotto controllo
• D()D() e J/y p0
• Fasi differenti, asimmetria non necessariamente
  sin2b
• Necessitano di analisi piu complesse
• fKs e h()Ks
• Prevalentemente pinguini, misurano sin2b nel MS
  ma sono particolarmente sensibili a nuova fisica

13
Modi con charmonio
cf. M. Pierini
PRL 89 (2002) 201802
PRD 66 (2002) 071102
Belle
BaBar
14
sin2b fKs
cf. M. Pierini
Modello Standard SfKsSyKssin2b
SUSY DF 0.01 0.7
tasso(fK) 10-2 tasso(J/yK) ? Misura
statisticamente limitata!
15
Sommario sin2b

• Fit di CP dipendenti dal tempo oramai maturi
• Misure con charmonio solide, consistenti con
  vincoli da misure indirette, non piu fattore
  limitante nelle analisi CKM
• Modi con pinguini ancora con statistica limitata
• fKs a 2.8s dal valore atteso (0.74)
• ? nuova fisica?
• h Ks 1.6s piu bassa
• ? valore inatteso per la contaminazone
  dellalbero?

http//www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/triangle/w
inter2003/index.shtml
16
sin2b prospettive
Errore sistematico
Sistematico tag leptonico (Statistico aumenta
70 )
B Factories
Super B Factories
Canale B-Factories 0.1 ab-1 B-Factories 0.5 ab-1 LHCb/BTeV 107 s Super-B 10 ab-1
J/Y Ks 0.067?0.033 0.03 0.017 0.008
fKs 0.51 ? 0.009 0.23 0.14 0.056
Misure ridondanti ? sensibilità a nuova fisica
17
Sin2a(eff) da B? pp
cf. M. Bona
Fase debole b, fase forte d e P/T modificano
a

• da analisi di isospin

A(t) Sppsin(Dm t) Cppcos(Dm t)
18
sin2?(eff) stato e prospettive
cf. M. Bona
Oggi 0.08 ab-1
Differenza a livello di 2.2s. Valore di Belle
fuori dalla regione fisica Speculazioni teoriche
sulla media. Troppo presto per tirare conclusioni
Estrapolazioni
Super BFactory s(sin2aeff) 0.03 in 10 ab-1
Stesso ordine di grandezza per LHCb/BTeV
19
Analisi di isospin?
Occorre misurare
k
f
ambiguità quadrupla! ( triangolo invertito e
f?p-f)
f
Toy MC BR(p p-) 4.7x10-6, BR(p- p0 )
4.1x10-6 BR(p0 p0)? 1.0 x10-6
Alta statistica e/o Br(p0p0)0
20
sin2a da rp?

• Analisi dipendente dal tempo, flavor-tagged,
  delle interferenze di stati finali pp-p0 tramite
  plot di Dalitz, misura a
• Dipendenza da BR(r0p0)
• Ambiguità dovute a bassa statistica
• S/N basso (0.3)
• contributi non risonanti e/o riflessioni da
  risonanze superiori
• dipendenza da fattori di forma, fasi,

difficile!
21
sin2a quando?
Misura di precisione esclusivamente a super-B
factory
22
Il ruolo di g

• Esiste nuova fisica nel mixing
• Non è rivelata da misure di Dm, sin2b, sin2a
• Si può rivelare da processi ad albero che
  coinvolgono g
• Errori anche grossi sarebbero sufficienti per
  dare evidenza di nuova fisica se si trovasse
  ggt90.

bnuova fisica
(1-r)2h2nuova fisica
r2h2
23
Metodi per ?
cf. G. Marchiori

• Interferenza tra mixing e decadimento di B ?
  D()? ricostruito parzialmente o completamente
  sin(2???)
• unampiezza è Cabibbo soppressa difficile
  sperimentalmente e teoricamente!
• errore di 10 con 1-2ab-1 analizzando anche
  B0?D()r,a1,Ks

• Analogamente Bs?D()sK
• Ampiezze dello stesso ordine di grandezza
• Dms gtgt Dmd
• Solo collider adronici, PID necessaria
  (LHCb/BTeV)
• Precisione dellordine di 8
• Caveat
• Errore dipende da valore misurato
• Rapporto tra ampiezze incognito oppure piccolo e
  impreciso

24
Metodi per g
cf. G. Marchiori

• Misure di processi B ? D()X (violazione di CP
  nel decadimento) ? g, es. B?D()K
• Soppressione di colore
• Ambiguità x8 non risolvibile con la statistica
  delle B factories attuali
• Studio effettuato con 600fb-1
• Riscalando a 10 ab-1, si risolvono ambiguità e si
  ottiene una precisione di 1-2.5 su Dg
• Rates e asimmetrie in B ? ??? K?, KK
• Dipendenza da modelli teorici non ancora giunti a
  maturità
• Sviluppi promettenti decadimenti a 3 corpi,
  analisi Dalitz
• B ? D()K(), D()Ks, DKs?, D()K()?,

Misure ridondanti ? riduzione di errori e
ambiguità
25
Sommario angoli CKM
Angolo Babar (0.5ab-1) SuperBabar (10 ab-1) CDF RunII BTeV/ LHCb Atlas/ CMS
sin2b (J/y Ks) 0.03 0.008 0.05 0.02 0.02
sin2b(fKs) 0.25 0.06 0.15 0.14 ?
sin2aeff (pp-) 0.14 0.03 0.1 0.03 0.1
aeff-a (p0p0) lt18 lt7 - 5 (rp) -
g(DK, Dp, DsK) lt10 lt2.5 lt10
1 anno di run
Una parola chiave ridondanza (nuova fisica,
ambiguità discrete, incertezze e input
teorici) b la fase meglio misurata, B
factories a la misura più difficile e a lungo
termine, (S)B Factories g LHCb/BTeV la misura
migliore, B Factories concorrenziali
26
Scenario CKM tra 10 anni?

• BaBar, Belle, LHC-b e BTeV
• s(sin2b)0.01, s(sin2a(eff))0.03, s(g)5o
• s(lati) 5
• Se non si saranno viste deviazioni dal meccanismo
  CKM, sarà la fine dei test di precisione sulla
  violazione di CP
• Ma la ricerca di nuova fisica deve procedere
  anche attraverso lo studio di processi FCNC,
  cioé di...

27
Decadimenti rari
Pinguino EW
Pinguino EM
Decadimenti leptonici
28
Pinguini EW (BaBar)
cf. F. Bucci

• 85M coppie BB

Misure esclusive
B(Xsll, inclusivo) (6.11.41.4-1.1) 10-6
Preliminare
Teoria (SM) B(B?K??) ? 3.8 x 10-6
56M coppie BB, completamente ricostruito tag SL
2 eventi osservati (2.2 bkgd atteso)
B(B?K??) ? 9.4?10-5 (90 CL)
29
Decadimenti leptonici (BaBar)
cf. F. Bucci

• Già pubblicato, da aggiornare (Run12)
• BF(B ? ??) lt 1.7? 10-6 (90 CL) int.lumi. 19.4
  fb-1
• ICHEP 2002 (Run12)
• BF(B ? ee-) lt 3.3? 10-7 , BF(B ? ??-) lt 2.0?
  10-7 ,
• BF(B ? ?e-) lt 2.1? 10-7 (90 CL)
• Nuove analisi B ??? (Run12), con
• Tag semileptonico o adronico completamente
  ricostruiti
• Miglior limite disponibile (lt4.1 ? 10-4 _at_90 CL)

30
Decadimenti radiativi e nuova fisica

• b?sg inclusivo BR sensibile ai bosoni di Higgs
  carichi e alle particelle supersimmetriche
  asimmetria di CP diretta è anche sensibile a
  nuova fisica

• B?r/wg, B?Kg
• asimmetria di CP diretta e rapporto
  Br(rg)/Br(Kg) sensibili a MSSM
• Rapporto sensibile anche a Vtd/Vts, con
  incertezza teorica 10. Cross-check con
  oscillazioni

31
Decadimenti B?Xsll e nuova fisica

• B Factories Misura di distribuzioni di
  decadimento oltre che di BR
• Asimmetrie piccole in MS, grandi in MSSM
• Lattraversamento a 0 dellasimmetria FB di Kll
  permette di discriminare tra vari modelli
• Anche I decadimenti in Xsnn sono particolarmente
  sensibili a nuova fisica.

32
Decadimenti leptonici

• B?ll BR molto piccoli, ma potrebbero diventare
  misurabili grazie a contributi di nuova fisica
  (leptoquarks, nuovi bosoni di gauge, SUSY con
  violazione dellR-parità)
• Nessun evento SM atteso in 10ab-1, livelli di
  sensibilità 10-9 10-7, corrispondente a masse
  di 10TeV per nuove particelle in alcuni modelli
• B?ln poca sensibilità a nuova fisica, ma
  sensibile a VubfB, importante per calcoli su
  reticolo e cross-check per Vub
• Precisione del 5 su tn e 8 su mn in 10ab-1

33
Sommario decadimenti rari
Collider BFact
Solo (S)BFact
Solo collider
Solo (S)BFact
CAVEAT nuova fisica a LHC dovrebbe manifestarsi
soprattutto in altri canali...
34
Conclusioni

• I test di precisione di CPV e FCNC in fisica del
  B saranno un campo di ricerca avvincente nei
  prossimi anni
• Non esiste un canale doro
• Necessario interpretare misure di diversi
  processi, effettuate in condizioni sperimentali
  differenti
• La sensibilità sperimentale va confrontata con la
  chiarezza teorica
• Non esiste un rivelatore vincente
• Le B factories hanno scoperto la violazione di CP
  nei decadimenti dei B
• sin2?misura di precisione.
• Luminosità attuale 0.1ab-1 0.5ab-1 nel 2006
  almeno 2ab-1 per esperimento per la fine del
  decennio
• Super-B factory (10ab-1) per misure esclusive
  (a, decadimenti rari con neutrini) o
  concorrenziali con collider adronici nel settore
  della fisica del sapore esclusive
• Collider adronici competitivi per b,g, Dms,
  canali rari in 2 leptoni

35
Ringraziamenti

• M. Bona, F. Bucci, G. Cavoto, S. DAuria, R.
  Faccini, F. Ferroni, L. Lanceri, M. Pierini, M.
  Rotondo, A. Sarti, F. Simonetto

36
Backup
37
PEP-II without upgrades
1.1 ab-1
1.6 x 1034
peak
0.5 ab-1
integrated
2006
2009
38
PEP-II upgrade scenarios

• From J.Seeman/SLAC

39
What about KEK-B/Belle upgrades ?

• EoI (January 2002) Super KEK-B, L 1035cm-2s-1
• - LER e- , I 10A HER e, I 3A
  Linac upgrade (e- ? e)
• - Vacuum system (ante chambers) RF system (52
  cavities, 12SC)
• - 15 mrad crossing, final focussing
• Total cost (KEK-B Belle)
• ? 400 M
• EoI preliminary plan

40
Vincolo su k
cf. M. Bona
k
sin2aeff -0.020.340.05 with 2aeff 2a k
Grossman-Quinn bound
F
BR(B0?p0p0) lt 3.6?10-6 (81 /fb) _k/2aeff-a lt
51o
F
UL corrente
aeff a lt 190 con 10 ab-1
Luminosità ininfluente
Metodo funziona meglio
signal BR 0.5e-6
41
Quasi-2-body B0 ???
hep-ex/0207068
Acp
81.9 fb-1
Violazione diretta di CP?
42
? da B-gD0(CP)K-
cf. G. Marchiori
Osservabili n1, p1, n2, p2
Parametri teorici ?, r, ??
43
? da B-gD0(CP)K- proiezioni

• Risultati sperimentali recenti (BaBar)
• Proiezioni da Toy MC
• (Fit non stabile per r 0.1)

r0.3 (0.5 ab-1), sin2g 0.75 ? fit sin2g
0.72?0.23, g (59.9?10.2)o
r0.2 (2ab-1), sin2g 0.75 ? fit sin2g
0.71?0.14, g (58.5?7.4)o
r0.2 g60o Dd30o (2ab-1)
ACP0.174 ?0.031
CPV diretta accessibile anche a statistica
moderata
44
Charmless decays Direct CP violation?
Time-integrated CP asymmetries No evidence for
direct CPV yet
Theoretical expectations Tree Penguin ACP ?
10 Pure Penguin ACP ? 1
Present sensitivity (most channels) ?statACP ?
10 ?systACP ? 1?2
Charge asym.