Das BELLE Experiment

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Das BELLE Experiment
Gerhard LEDER Hephy ÖAW-Wien
KEK ????? Tokyo ??

• Das Experiment

• B-Physik Ausgewählte Resultate

• Zukunftsperspektiven Superbelle vs LHC

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Lpeak1.56 x1034cm-2sec-1 design1034cm-2sec
KEKB Collider
e-
e
8GeV
3.5GeV
0.425
bg
B-Fabrik (auf ?4s Resonanz)
BB threshold
3
Kontinuierliche Injektion
Kein Grund, Run zu unterbrechen Immer bei max.
Strömen, Luminosität
KEKB PEP-II
30 mehr ? L dt
normale Injektion (alt)
kontinuierliche Injection (neu)
HER Strom
LER Strom
Luminosität
1 fb-1/Tag ! (1x106 BB)
-
0
12
24
Time
4
Der BELLE Detektor
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Unterschied SVD1.6 und SVD2.0
Rbeampipe 15 mm
Rbeampipe 20 mm
Rlayer 1 20 mm
Rlayer 1 30 mm
Routside 88 mm
Routside 60 mm
8101432 Ladders
612181854 Ladders
SVD2
SVD1
6
Wiener R/O Trigger Elektronik
R-Z Trigger
R-PHI Trigger
24 input OR and analog signal input from VATA
2 x 18 FADCTF
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B Zerfälle und das Standard Modell

Vud Vub
?2(a)

Vtd Vtb
Quark Niveau
?3(g)
Elektro-schwach
?1(b)
Vcd Vcb

Hadronen
QCD/Lattice Neue Resonanzen
Endzustand
b-Quarks sind schwer ? Vielfalt von
Zerfallskanälen
Reiches Feld für fundamentale SM Parameter
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B Zerfälle und Neue Physik
Experimentelle Messung
gleich?
SM Vorhersage
Ja
Nein
Tieferes Verständnis
Neue Physik ?
Wesentlich ANP ASM (klein/verboten)
Penguin

Neue Teilchen, Phase
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Kontinuums Unterdrückung
Dominanter Untergrund für seltene Zerfälle
Continuum
ee- ? qq Kontinuum (3x
BB)
Jet-like
Zur Unterdrückung Verwende event shape Variable
BB
sphärisch
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Die Standard Modell Physik bei BELLE
i1,k3 VubVudVcbVcdVtbVtd 0
CKM-Matrix
VubVud VcbVcd
VtbVtd VcbVcd
1
0
?
-(r?ih)
-(1-r?ih)
selbstkonsistent falls SM korrekt
r?ih
Unitaritäts Dreieck
r?ih
VtbVtd VcbVcd
f2
VubVud VcbVcd
(a)
f1
f3
1
(g)
(b)
0
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Direkte CP-VerletzungB ? Kp/pp
Tree
Penguin

• Einfachster charmloser seltener Zerfall
• Tree - Penguin Interferenz ? Direkte CP
  Verletzung

Wesentliche Vorhersage des Kobayashi-Maskawa
Modells
Verstehen des Penguin
Anomalie (Neue Physik)
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ACP(B0 ? Kp-)
_ B0? K-p
B0? Kp-
Signal 2140 ?53
PRL93,191802(2004 )
ACP -0.101 ? 0.025 ? 0.005
3.9s Signifikanz
PID Effizienz Biaskorrektur dA -0.01 ? 0.004
Evidenz für DCPV bei Belle auch bei A(pp-)
3.2s
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Zeitabhängige CP Asymmetrie
Prinzip der Messung

Goldener Kanal
B-Flavour Tagging
Exklusive B Meson Rekonstruction
Dt1.6 ps ? Dz ?200, 250 mm
sin2b
B ? ?KS,L B ? ?KS,L
p/Dm
Quark Übergang b ? ccs
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• Indirekte CP Verletzung Mixing und/oder
• Tree - Penguin Interferenz

sin2f1(bgccs) 0.685 ? 0.032
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Radiative und EW Penguins
Zukünftige Untersuchungen
NEU b?dg
b?sg, sll- Zerfälle via FCNC Box und Penguin
Diagramme
b?sg

• Br(b?sg) 3.510-4
• Br(b?sll-) aemBr(b?sg) 10-6
• Neue Teilchen (via loops) können beträchtlichen
  Beitrag leisten zu Zerfallsraten und/oder
  Asymmetrien.
• Gutes Testfeld für SM und
• jenseits SM.

b?sll-
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Analysen am HEPHY (eine herausgegriffen)
Neuartige Methode der Rekonstruktion
Laurenz Widhalm
zusätzliche primäre Mesonen
e
e-
3.5 GeV
8 GeV
D
D
p
p
D
D
Vollständige Rekonstruktion
recoil
n
K
p
p
p
Siehe unser Poster bei ÖPG
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q² Verteilung Vergleich zu Lattice QCD
Semileptonischer Formfaktor
Resultate
Semileptonische Zerfälle
D0 ? pln
D0 ? Kln
Siehe unser Poster bei ÖPG
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LHC Maximale Energie
Vorteile von LHC

• Riesiger bb WQ sbb500 mb _at_14 TeV (1nb
  _at_?(4S) )
• Zugang zu allen b-Hadronen Bd,Bu, Bs,
  b-Baryonen und Bc

Ein komplettes Program mit B Physik enthält

• Präzise Messung von B0s-B0s Mixing Dms, DGs
  und Phase fs.

• Präzise g(f3) Bestimmung von Prozessen nur bei
  tree-level, um mögliche NP-Beiträge
  herauszufiltern.
• Mehrere andere Messungen von CP Phasen in
  verschiedenen Kanälen um Unitaritätsdreieck
  überzubestimmen

• Suche nach Effekten der NP, die in seltenen
  exklusiven and inklusiven B Zerfällen auftritt

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Die Sensitivität zukünftiger B-Experimente
FCNC sind offensichtlich stark unterdrückt

• Jede Neue Physik im TeV-Bereich muss einen
  Mechanismus haben, der FCNC-Prozesse unterdrückt.
• Ausgeprägte Flavor-Struktur auch bei niederer
  Energie!
• Abweichungen vom SM in Flavor Physik suchen!
• Verschiedene SUSY-Modelle haben unterschiedliche
  Vorhersagen für Zeitabhängige CP-Asymmetrien,
• obwohl sie ähnliches Massenspektrum
• haben können (etc.)

Maximale Luminosität
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KEKB Collider Upgrade Scenario
1010 B mesons/year !! also tt-
world records !
Lpeak 1.56?1034cm-2s-1 Ltot 431fb-1 (May.14,
2005)
Major upgrade of KEKB Belle (gt1yr shutdown)
SuperKEKB
crab cavities
1.5x1034 431 fb-1
5x1034 1 ab-1
5x1035 10 ab-1
Lpeak (cm-2s-1) Lint
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Zusammenfassung (1)
SM bisher überraschend selbst in Details
erfüllt! Bestimmung der CKM-Matrix-Elemente im SM
Indirekte CP-Verletzung A(t) bestimmt mit hoher
Präzision
sin2f1(bgccs) 0.685 ? 0.032
Grosse Anstrengung auch die beiden anderen Winkel
zu messen (f2 und f3) Außerdem Seitenlängen des
Dreiecks Dmd und Dms, sowie Vub/Vcb etc.
sin2f1(bgsqq)
Bedeuten andere Werte für schon neue Physik
oder nur Penguin-Beitrag ?
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Zusammenfassung (2)
Beträchtliche Direkte CP-Verletzung (3.9 s )
ACP (B0 ? Kp -) -0.101 ? 0.025 ? 0.005
Asymmetrie Materie-Antimaterie im Universum ?
Molekül D0D0 4 Quarkzustand oder
konventionelle Erklärung?
Neues Gebiet Ds- Spektroskopie etc.
BELLE ist bei vielen Gebieten an vorderster
Front ? SUPERBELLE mit höherer Luminosität
Komplementarität LHC Superbelle
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Prozedur, um B Signal zu extrahieren
Verwende spezielle Kinematik des U(4S)
Zwei fast unabhängige VariableN MB und DE können
verwendet werden --gtB Meson

MB (Ebeam)2 (S Pi)2
DE SEi - Ebeam

Methoden um B Signal zu extrahieren 1) Cut auf
MB und Fit an DE 2) Cut auf DE und Fit an MB 3)
Zwei-dimensionaler Fit an MB und DE
Verteilung 4) Falls B-gtP1P2P3 Cut DE und MB Box
und suche resonante Strukturen in M(P1P2) Massen
Verteilung.
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Zeitabhängige CP Asymmetrie

• CP Verletzung zeigt sich aus Eigenzeit Differenz
  Verteilung von zwei B Meson Zerfällen

• Zeitabhängige CP Asymmetrie ACP ist

• Standard Modell Vorhersage S(ccs) sin2f1,
  A(ccs) 0 S(sss) sin2f1, A(sss) klein

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Überblick Background Zusammensetzung
D ? pen
D ? pmn
DATA
DATA
Invariante Neutrinomasse2 Alle Cuts außer
Neutrino- masscut
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Christoph Schwanda
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Continuums Unterdrückung

• To separate spherical BB events from jet-like
  continuum events, topological variables are
  used
• Second Fox-Wolfram moment
• Super Fox-Wolfram
• (six modified Fox-Wolfram moments, Fisher
  discriminant)
• 3) Angle between B meson and
• beam axis direction
• 4) Angle between thrusts of
• selected B meson particles and all other
  particles in event
• Likelihood ratio includes all info.

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Prinzip der Messung
BCP
e- 8.0 GeV e 3.5 GeV
e-
e
fCP (J/yK0)
?(4S)
bg 0.425
Btag
Dz ? cbgtB 200 m m
Flavor tag
Dz

• Rekonstruiere B ? J/yK0 Zerfälle
• Messe Eigenzeit Differenz Dt
• Bestimme flavor von Btag
• Berechne CP Asymmetry aus beiden Dt Verteilungen