beautiful physics mit lhcb lhcb ulrich uwer physikalisches institut universität heidelberg...
Post on 05-Apr-2015
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“Beautiful Physics” mit LHCb
LHCb
Ulrich Uwer Physikalisches Institut
Universität Heidelberg
Heidelberger LHC Treffen
B Production at LHC
LHC
• pp collisions at s = 14 TeV
• Forward production of bb, correlated
• Bunch crossing (BX) rate of 40 MHz
• Multiple interactions per BX possible
• single interactions preferred L ~ 2 x 1032 cm-2s-1 tuned ~1012 bb events/yr produced
• all b hadrons produced: Bu (40%), Bd(40%), Bs(10%), Bc and b-baryons (10%)
LHCb
• Single arm forward spectrometer 12 mrad < < 300 mrad(1.8<<4.9)
inel ~ 80 mb
bb ~ 500 b
bb production:(forward!)
b b
A typical B event
Full GEANT simulation
• decay length L typically ~ 1 cm in LHCb• decay products with p ~ 1–100 GeV• need to tag production state (flavour) of B
b hadrons are not coherent: mixing dilutes tagging
LHCb – Experiment
• Exzellente Vertex-Auflösung
• Gute Teilchenidentifikation
• gute Massenauflösung
• Flexibler+effizienter B-Trigger für nicht leptonische Zerfälle
• Moderate Lumi Anforderung L ~ 2 x 1032 cm-2s-1
Nutzung des B-Potenzials von Beginn an: ~1012 bb Ereignisse/Jahr
• Lumi-Tuning auf optimal. Wert
• Offene Geometrie erlaubt mit Upgrades auf neue physikal. Fragestellungen zu reagieren
Vorwärtsspektrometer
Trigger
HLT rate Event type Calibration Physics
200 Hz Exclusive B candidates Tagging B (core program)
600 Hz High mass di-muons Tracking J/, bJ/X (unbiased)
300 Hz D* candidates PID Charm (mixing & CPV)
900 Hz Inclusive b (e.g. b) Trigger B (data mining)
high IP, high pT tracks [software,1
ms]
HLT: software using complete event [10 ms]
40 MHz
1 MHz
40 kHz
2 kHz
high pT (m,e,g,h) [hardware, 4 ms latency]
storage
detector
30%
Leptons
B Physik - heute
037.0725.0]2[sin WA
ca. 600 Mio BB Paare on-tape
Eine Vielzahl an Messungen
B Fabriken
Highlights
Setzt den Rahmen für B Physik am LHC:
Nachmessen von sin2β ist nicht das Ziel
• CP Verletzung im Bd System
169101 o
R.Nogowski & K.Schubert, Dresden
KB0
• Messung von |Vcb| mit 2% Fehler
• Direkte CP Verletzung im Zerfall
B Physik bei LHCb
W
New Physics
WNew
Physics
Bs Meson Präzise Bestimmung der Mischungsparameter
Messung CP Verletzung in Bs Zerfällen Bestimmung der Phasen und
Die gleichzeitige Messung von Bs und Bd Zerfällen reduziert theoretische Unsicherheiten.
Bd Meson Weiterführung des Programms der B-Fabriken
insbesondere dort wo es statistisch limitiert ist.
Vielzahl an unterschiedlichen Messungen erlaubt die “indirekte Suche“ nach neuer Physik
Seltene Zerfälle mit BR ≤ 10-9
B0 →D0 K*0
= B0→ + ,
and B0 + Bs K+ K
, Bs→ J/()
Bs→ DS K
ms Bs→ DS
0,dsB
Beispiel: Neue Physik im B Mixing
Φd = 2 + ΦdNP
Φs = 2 + ΦsNP
CPV in B0 J/ Ks ~sin(2+ΦdNP)
B0 D* ~sin(2+ΦdNP+)
Bs J/ ~sin(2+ ΦsNP)
Bs DsK ~sin(2+ ΦsNP+)
Rate of B0 D0 K*0, D0K*0, D0CP
K*0
Redundante Messungen: notwendig um CKM Phasen von Effekten Neuer Physik zu untescheiden
WNew
Physics
B(s)B(s) mixing phase:
Messung der CP Asymmetrie:
Aktuell: Neue Physik in BKS ?
b ss
sd
dg
, ,u c t
0SK
0B, , ( )CPKK
W
sin2β aus ccK Zerfällen und
sin2β inssK Pinguin Zerfällen
Mögliche Beiträge Neuer Physik
4
4 Diskrepanz
Physik-Potenzial
Beispiele für Potenzial:
• Messung der BS Oszillation: mS
• Gold plated decay BsJ/Φ
• Messung des CKM Winkels • Seltene Zerfälle
B Physik am LHC erlaubt die indirekte Suche nach Neuer Physik. Komplementär zur direkten Suche bei ATLAS und CMS.
Channel Trig (L0+L1) tot Yield B/S
B0 34 % 0.69 % 26 k < 0.7
B0 K 33 % 0.94 % 135 k 0.16
Bs K-+ 37 % 0.55 % 5.3 k < 1.3
Bs KK 31 % 0.99 % 37 k 0.3
Bs Ds 31 % 0.34 % 80 k 0.3
Bs Ds-+K+- 30 % 0.27 % 5.4 k < 1.0
B0 J/KS 61 % 1.39 % 216 k 0.8
B0 J/e-eKS 27 % 0.16 % 26 k 1.0
Bs J/ 64 % 1.67 % 100 k < 0.3
Bs J/e-e 28 % 0.32 % 20 k 0.7
B0 36 % 0.03 % 4.4 k < 7
B0 K 38 % 0.16 % 35 k < 0.7
s 34 % 0.22 % 9.3 k < 2.4
1 year (107s) at L = 2x1032 cm-2 s-1
tot det* rec/det* sel/rec* Tri g = 0.120.920.180.34norm. to 4 ( for B0
Ereignis-Raten
470
1600
2800
1200
2x640
BABAR
events
ms with BsDs+(KK)-
Expected unmixed Bs Ds sample
in one year of data taking (fast MC)
Annual event yield: 80k
Background B/S: 0.32
Tagging probability: 55 %
Mistag probability w: 33 %
Proper time res. 33 fs (core)
ms (ps-1) 15 20 25 30
(ms) 0.009 0.011 0.013 0.016
Statistical precision / yr
5 observation of Bs oscillation: 68 ps-1 / yr
SM prediction: ms20 ps-1
Φs and and ΓΓss with B with BssJ/J/ΦΦ
• The “gold plated decay” of Bs: SU(3) analogue of Bd J/Ks
• ACP measures mixing phase Φs
In SM: Φs = -2 = -22 ~ -0.04
• event yield () / yr: 100k background B/S <0.3
proper time resolution 38 fs
If Γ/Γ is ~0.1, can do a 5 discovery in one year
() ~ 2 O
/JBs
SM in 0
)/()/(
)/()/(00
00
CP
CP
A
JBNJBN
JBNJBNA
Sensitivity after 1 year
)(2
1LH
LH
ACP0 New Physics in Bs mixing
from BsDs+K+
Measure s from time-dependent rates: BsDs
K and BsDsK
(+ CP-conjugates) Use s from BBssJ/J/
After 1 year, if s/s = 0.1, 55 < < 105O
ms 20 25 30
(+Φs) 14 0 16 0 18 0
event yield () / yr: 5.4k
background B/S: <1.0
Only tree diagrams:insensitive to new physics in B mixing
Time dependent BsBs asymmetries
5 yrs of data, ms=20 ps-1
BsDsK
BsDs
from B and BsKK
• bu decays are sensitive to
• large penguin contributions in both decays
• Theoretically difficult to extract P/T ratioBd/s
/K
/K
/K
/KBd/s
Measure time-dependent CP asymmetry for B and BsKK and exploit U-spin flavour symmetry for P/T ratio (R. Fleischer).Take s, d from J/,J/Ks can solve for
BdM=17 MeV
Use RICH for K/separ.
without RICH
B (26k / yr)
BsKK (37k / yr)
BK+ (135k / yr)
BsK+ (5.3k / yr)
() = 46 deg
B0K*0 +-
SM:
BR(B0K*0 +-) = (1.2 0.4) x 10-6
Measurement determines |Vts|
Variables sensitive to New Physics:
+- invariant mass distribution
+- forward-backward asymmetry FBA = (+, B direction in +- CMS)
Annual yield (SM): 4.4kEfficiency: 0.7%Background (B/S) <2
(BR) ~ 2%(ACP) ~ 2%
AFB(s)
(AFB)
In 5 years: (AFB )~ 0.1
Bs0
BR(Bs0+)SM = (3.50.1)x10-9 Good sensitivity to NP
BR(Bs0+)SUSY ~(tan6, ACP ~(tan3 for large tan
LHCb: 1 year 17 events Bs0
Backgr. study requires additional MC statistics, present limit from bX+cc. B/S<5.7 (MBs)=18 MeV/c2 SM signal in the first
year !
Heidelberger BeiträgeBisher haben sich die Heidelberger Gruppe auf ihre Hardware Aufgaben konzentriert.
Gruppe ist aber auch im Bereich der Datenanalyse nicht unvorbereitet:
• HERA-B Beteiligung
• BABAR Beteiligung
Ab 2006 müssen wir uns auch verstärkt an Physik-Vorbereitung beteiligen
• Wichtiger Zugang zur Datenanalyse werden die Beiträge zur Spur- und Vertex-rekonstruktion sein.
1. Bs Mischungsmessung
Messung der Bs Mischung ist Voraussetzung zur Messung der zeitabhängigen CP
Asymmetrien. Erstes wichtiges Resultat von LHCb.
2. CP Verletzung im Bs System
Messung zeitabhängiger Zerfallsasymmetrien zur Bestimmung der CP Phasen: und . Test möglicher Beiträge neuer Physik.
Zu diesen Messungen gehören eine Reihe vorbereitender Bench Mark Messungen.
Analyse-Schwerpunktthemen
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