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CDF でのボトム・フレーバーの物理
素粒子実験研究室三宅 秀樹
2008/02/22 「フレーバー物理の新展開」研究会 @ 作並温泉
筑波大学
OUTLINE Tevatron における b ハドロ
ン生成 CDF 実験概要 CDF における B 物理Mixing and CPB spectroscopyB decays
将来展望
2
Tevatron 加速器
るみのシティCDFp
p
1km
Highest initial Lum store: 2.90e32
Best integrated Lum week: 45 pb-1
Best integrated Lum month: 165 pb-1
現在世界最高エネルギーを誇る陽子反陽子衝突型加速器( 重心エネルギー 1.96TeV)
3
CDF 検出器
Calorimeter CEM lead + scint 13.4%/√Et2% CHA steel + scint 75%/√Et3%Tracking (d0) = 40m (incl. 30m beam) (pt)/pt = 0.15 % pt
CDF detector: Si & tracking Endcap calorimetry L2 trigger on displaced tracks High rate trigger/DAQ
4
Flavor Creation (annihilation)
q b
q b
Flavor Creation (gluon fusion)
bg
g b
Flavor Excitationq q
bg
b
Gluon Splitting
bg
g g
b
b クォークは strong interaction で生成され、 weak interactionで崩壊
Tevatron における b ハドロン生成
Tevatron のメリット : B ファクトリー (e+e-コライダー ) に比べ、
1000 倍以上の b クォーク生成断面積 あらゆる b ハドロンを生成可能
(B0,B+,Bs,Bc,Λb,∑b,etc…)
デメリット: b クォーク生成断面積の 1000 倍以上の
QCD 背景事象トリガーが困難 π⁰ モードの解析が不得手 低 pT事象 :
Typical pT(B)=10 ~ 15GeV
これを利用した特徴的なB物理解析プログラムを遂行中
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解析モードに合わせたトリガーの最適化が要 b ハドロンの長い固有崩壊長を利用 (SVT トリ
ガー )
B triggers
Di-Muon• Conventional trigger at hadron collider• Wide mass range
Primary VertexSecondary Vertex
Impact Parameter ( ~100m)
Lxy ~ 1 mm
B decay
Sillicon Vertex Trigger: SVT• Online selection of displaced tracks using SVX• UNIQUE at hadron colliders
1-Displaced track + lepton (e, )
120 m < I.P.(trk) < 1mm
PT(lepton) > 4 GeV
Semileptonic modes
2-Displaced tracksPT(trk) > 2 GeV 120 m < I.P.(trk) < 1mm
SpT > 5.5 GeV
fully hadronic modes
Level-2 SVT trigger
6
1 year ago…
7
CDF 実験における B 解析の現状
DCPK
Semi-leptonic C
PV
BSJ/ψΦ
DsKB(S)μμ
B**
∑b Λbhh
Bcψπ
Mixing and CP
B spectroscopy B
decay
Ξb積分ルミノシティ 1~ 2fb-1
Charm physics
DD mixing
Ψ(2S)
8
Mixing and CP
9
標準理論 :6 クォーク混合モデル クォーク混合 3x3 小林益川行
列 CP 非保存 ( 複素 ) 位相 η
Large CP violation ~ λ3
Large CP violation ~ λ3
Suppressed CP violation ~ λ4
Highly suppressed CP violation ~ λ5
λ = sin(Cabibbo) ≈ 0.23:
Bd unitarity triangle Bs unitarity triangle
BS unitarity triangle
小林益川行列の精密検証 New physics への感度
Vts
Vts
10
J/ψΦ: BS golden mode
m)syst(7)stat(13456ps)syst(006.0)stat(076.0 1059.0
063.0
s
s
c
βS=0と仮定崩壊長分布CP位相SM prediction:崩壊幅差
CP-oddCP-even崩壊生成物の角度情報より、BSJ/ψΦ崩壊のCPパリティ比を得る
CP-even
CP-odd
B0における J/ψKS同様、崩壊の位相に理論的不定性が小さく、BB振動の位相を測定するのに適している
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BSJ/ψΦ CP 非保存位相測定
フレーバー同定
CDF Run II Preliminary L = 1.7 fb-1
arXiv:0712.2348
allowed
excluded
UNTAGGED analysis: BSの initial flavorを見ない
arXiv:0712.2397
eD2 ~ 4.5%
不定性が著しく減少 at 68% confidence level
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(Near)Future ProspectsPhys. Rev. D 76 , 057101 (2007 ) D0 combined results@1fb-1
CDF Prospects@6fb-1
Favored…?
Coming soon: CDF/D0 analysis w/ x2 data D0 flavor tagged analysis
βS=0.02 βS=π/8
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Λb0pK-/Λb
0pπ-
0b mass
region
b バリオンにおける世界初の CP 非対称度測定
理論予測値~ O(0.1)
offline selection
トリガーを通過した事象データ
Advanced analysis of charmless two body decays (B(S)hh)
pK-らしさ分布 pπ-らしさ分布
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b spectroscopy
15
b baryon spectrum
New!
Tevatron: b-”baryon” factoryこれまでに bottom baryon Λb、∑ (*)
bを発見16
2MeV/c)syst(7.1)stat(5.29.5792)( bm
新バリオン Ξb の発見
Phys. Rev. Lett. 99, 052002
シリコン飛跡検出器を用いたカスケード崩壊の再構成
統計有意度 7σ 以上でシグナルを観測
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B decays
18
910)5.04.3()( sBBR1010)14.000.1()( dBBR
Observe no events new physics への制限Observe events new physics の発見!
A.J. Buras, Phys. Lett. B566, 115 (2003)
小林益川行列要素 (Vtd/Vts)2による抑制
B(s)μμ 崩壊 中性 B 中間子のレプトン二体崩壊
FCNC 過程 : 標準理論で強く抑制 (Br: ~ 10-9)
超対称性理論モデルによっては(MSSM,R-parity
violation,mSUGURA)、崩壊分岐比に 100倍の寄与
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B(s)μμ 崩壊 @2fb-1
全領域
シグナル BOX 近傍
BR(Bs) < 5.8×10-8 @ 95% CL < 4.7×10-8 @ 90% CL
BR(Bd) < 1.8×10-8 @ 95% CL < 1.5×10-8 @ 90% CL
World’s best!20
SUSY モデルへの制限
Foster,Okumura,Roszkowski Phys.Lett. B641 (2006) 452
SUSY General Flavor Mixing (GFM) framework への制限
パラメータ δxy :Minimal Flavor Violation (MFV) モデルからのずれ
BXSγ 崩壊、 Bs 質量差(Δms) 、 Bsμμ 崩壊を用いる事で、非 MFV SUSY モデルのパラメータ領域を大きく制限できる
tanb=40
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p-
u
uudK
csW+
D0
u
uus
p+
KcdW+
D0
D0-D0 混合D0K+π- 崩壊は二重 Cabbibo 抑制崩壊の他にD0-D0 混合によっても起こり得る
D*+p+D0p+K+p-D*+p+D0p+K-p+
Doubly Cabibbo Supressed “wrong sign” (WS)
Cabibbo favored“right sign” (RS)
Mixing:D0D0
• D* を用いてリファレンス D フレーバーをタグ• D からの Pion 電荷により RS/WS を決定
pppp mmmm KK
_
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Allowed regions of charm mixing parameter phase spaceDecay time in D0 lifetimes
Rd = 3.04±0.55 x 10-3
y’ = 8.5±7.6 x 10-3
x’2 = -0.12±0.35 x 10-3
Evidence for charm mixing!
D0-D0 混合解析結果
No mixing 統計有意度 : 3.8σ (no mixing prob.=0.013%)
No mixing
Best fit
時間に依存した崩壊幅比 : R(t)=ΓK+π-(t)/ΓK-π+(t)
_
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CDF 実験においては重心系衝突エネルギー 1.96TeV の陽子反陽子衝突事象を用い、ユニークかつ多様な B 解析プログラムが遂行されている。
現在までに解析された 1-2fb-1 のデータを用い、世界初もしくは最高レベルの測定結果を多数得た。これらは B-factory 実験と相補的もしくは comparable である。
これをもとに標準理論の多角的な精密検証、 New physics の探索及び制限が行われている。
2009(10?) ~ 6-8.5 fb-1 : 敵は top/Higgs trigger :-) 今回用いた数倍の統計量を用いた高精度実験
より多くの Time dependent CP analysis (ex. B(S)hh)
B(S)μμ等による New physics モデルへの制限
まとめ
将来展望
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ご清聴ありがとうございましたそれでは、温泉とスキーをお楽しみください
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26
B 中間子の L=1励起状態 B** の観測
World’s Best!World’s Best!1st measurement!
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Bc J/Y p ; J/Y Bc excess >8
M(Bc) = 6274.1 ± 3.2(stat) ± 2.6(syst) MeV/c2
+18 - 0
I. F. Allison et al., Phys. Rev. Lett. 94, 172001 (2005)
BCJ/ψπ 質量測定BC: ハドロンコライダーのみで生成可能
Bc mass: Lattice QCD の精密検証
M(BC)Lattice=6304±12+18-0 MeV/c2
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RARE DECAYS (CDF)
at 95(90)%CLat 95(90)%CL
- 0.9 fb-1B(B+ → μ+μ−K+) = (0.60 ± 0.15 ± 0.04)×10-6, consistent with world average andB(B0 → μ+μ−K*0) = (0.82 ± 0.31 ± 0.10)×10-6 competitive with best measurements
B(Bs → μ+μ−φ)/ B(Bs → J/ψφ) < 2.61(2.30)×10-3 at 95(90)%CL best limit
- First observation of in 1.2 fb-1
109 +/- 9 signal events with ~8 sigma significanceMeasure branching fraction relative to Cabibbo allowed mode:
- With 2.0 fb-1, best limit in:
arXiv:0712.1708
http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/061130.blessed_bmumuh/
http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/070524.blessed-Bs-DsK/
CP非対称度分布 B 中間子における直接的な CP 非
保存パラメータ、 ACP 及びその確率分布を以下のように定義する
ACP の確率分布は、 綺麗に B フレーバーを識別している
Bs中間子における直接的CP非保存パラメータの世界初の測定
30
CDF 実験において陽子反陽子衝突 1fb-1 のデータを用い、 Bs 中間子及び Λb バリオン二体崩壊モードの 1st observation:
B(s) 中間子二体崩壊における直接的な CP の破れ現象の測定 :
B(s) 中間子二体崩壊 annihilation モードの探索 :
b バリオン (Λb) における世界初の CP 非対称度測定 :
Bhh 崩壊まとめ
以上の結果を得た。31
事象選別P
P P
L3D x
y
Bs R < 1 (a < 57o)
z
a
)(3
BpMcL vtxD
用いる物理量は hh モードと ほぼ同様だが、より効率を上げる為ニューラルネットを使用
粒子識別 (PID) を用いて Bhhモードの混入を抑制
崩壊分岐比 Best limit の90%CL に最適化Δα:Pointing angle
λ: 固有崩壊長
Isolation
i iiTT
T
RpBpBpIso
)0.1()()(
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B(s)μμ 崩壊分岐比 崩壊分岐比測定
コントロールサンプルとして B+J/ψK+ モードを用いる ( 比を用いる事で系統誤差の cancel が見込める )
トリガーに対するアクセプタンスや検出効率を、シグナルモード及びコントロールサンプルの両方について求める
)/()/()(
eaea JBRKJBBR
ff
NNBBR
s
utotalBsBs
totalBB
B
Bss
BR(Bs) < 5.8×10-8 @ 95% CL < 4.7×10-8 @ 90% CL
BR(Bd) < 1.8×10-8 @ 95% CL < 1.5×10-8 @ 90% CL
α: Trigger acceptance ε: 検出効率 fx: pp衝突から Bx中間子が生成する割合
B+J/ψK+
World’s B
est!
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SUSY モデルへの制限 (1)Bμμ 崩壊を用いて、 SUSY パラメータに独自の制限を与えることができる
m0:scalar mass,m1/2 gaugino mass34
将来展望 (Bμμ)
CDF(2fb-1)
CDF(2fb-1)+DØ(2fb-1)
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CHARGE ASYMMETRY IN INCLUSIVE BS DECAYS (DØ, CDF)
- Measure same sign muon charge asymmetry at DØ with 1 fb-1:
- With knowledge of fragmentation fractions fs and fd, the integrated oscillationprobabilities cd and cs and known B0 semileptonic asymmetry from B factories:
As = -0.0064 +/- 0.0101 (stat+syst) PRD 74, 092001 (2006)
- Similar measurement at CDF with 1.6 fb-1: As = 0.020 ± 0.021 (stat) ± 0.016 (syst) ± 0.009 (inputs)
http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/070816.blessed-acp-bsemil/
- These measurements can be combined with asymmetries in Bs →μDsX to further constrain CP violation phase
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BRANCHING FRACTIONS AND CP ASYMMETRY IN B+ → D0 K+ (CDF, 1 FB-1)
- Results:- ratio of branching fractions:
- direct CP asymmetry:
- Quantities measured for the first time at hadron colliders- Results in agreement and competitive with B factories
http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/071018.blessed-BDK/
New baryons: Sb
Σb(*)±→Λb
0π±; Λb0→Λc
+π-; Λc+→pK-π+
Using fully reconstructed decay mode:
20.22.2 MeV/c)syst(7.1)stat(8.5807)(m S
b
2MeV/c)syst(7.1)stat(0.12.5815)(m Sb
27.18.1
6.18.1
* MeV/c)syst()stat(0.5829)(m
Sb
28.17.1
0.28.1
* MeV/c)syst()stat(4.5836)(m
Sb
Using 2 displaced tracks triggerReconstruct Λb
0→Λc+π-
Search for resonances in Q distribution
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BSDSK
Br(Bs0 →Ds
±K+) / Br(Bs0 →Ds
+π−) = 0.107 ± 0.019(stat) ± 0.008(sys). The statistical significance of the Bs
0 →Ds
±K+ signal is 7.90σ.
40
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