Fisica del B: stato e prospettive

Concezio Bozzi, INFN Ferrara

IFAE, Lecce, 25/4/2003

Sommario:Introduzione Lati e angoli CKM

Decadimenti rariConclusioni

Disclaimer: prevalentemente B factories…

Stato dell’arte• Il meccanismo CKM

predice correttamente gli effetti di violazione di CP nei K, charm e B:

• Violazione di CP piccola nel mixing KK (K) e nel decadimento K→’/)

• Violazione di CP grande in B→J/K (sin 2) ma piccola nel mixing BB (B)

• Violazione di CP non rivelata nei decadimenti del charm (sensitività sperimentale non ancora adeguata)

K = 2.271 ± 0.017 × 10-3

|Vub/Vcb| = 3.7 × 10-3 / 40 × 10-3

md = 0.503 ± 0.006 ps-1

ms > 14.4 ps-1

sin 2 = 0.731 ± 0.055

Successo ed imbarazzo• Il modello standard è in ottima forma ma...

– La rottura della simmetria elettrodebole non è capita – MS non spiega l’asimmetria barionica dell’universo

• 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)

CPV e CKM: i lati

Vcb

(Vub) (u)

(,…)

b

t t

d

bd

W

W(s)

(s)

Decadimenti semileptonici

Oscillazioni Bd e Bs

PinguinoEM

Vtd

(Vts)

Semileptonici: Vcb, Vub

• Approccio esclusivo a Vcb: B→Dl, B→D*l

– 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→cl

– Tagli in q2, mHad, El.– Ricostruzione esclusiva dell’altro B– Teoria non ancora sotto completo controllo– Combinazione di tagli– Sistematico teorico su | Vub | ~5%

asintotico?

cf. M. Rotondo,A. Sarti

w

CLEO

Vcb escl.

|Vub| da decadimenti SL sul rinculo

Brecoil

BrecoD(*)

Y(4S) l

Xu

Ricostruzione completa di mesoni B e selezione di eventi SL nel B di rinculoEfficienza~10-3

Sistematiche fortemente ridotteTaglio su MX (< MD) ( ~ 60-80%) e altre variabili (P*l, q2) per separare segnale bul da fondo

cf. A. Sarti

Fisica più pulita

Analisi inclusiva

Analisi su rinculo

Vub

Vcb

BXl

S/N~1.7

S/N~1/50

Vub: stato ed estrapolazioni

Vub (B factories)=(4.32±0.57) 10-3

Ottimizzare il punto di lavoro!

Errori estrapolati (analisi Mx):

Statistico L(ab-1) = 0.08 0.5 2.0 10

stat(%) = 7.0 2.8 1.4 0.6

Sistematico sperimentale ~5% 2.5% (bcl bkgd)

Teorico ~ 9% ((mb)=90MeV) 5% (bul, spazio delle fasi)

0.502 0.006 ps-1

Tanta precisione per nulla...

md ms >14.4ps-1@95%CL

LEP/SLD/CDF: 13 analisi!

md/ms ~ |Vtd/Vts| @ O(5-10%) teorico

Oscillazioni: |Vtd/Vts|

ms: prospettiveDecadimenti:

Bs Dsl, Ds*l

(Ds, K*0K, +)

~40K eventi in 2 fb-1

Risoluzione in tempo proprio:

t = 60 fs t K/KK/K ~ 14%

Tagging:D2 = 11.3 % (complessivo)

Carlo Monte from )(

)(

)(

)()(

)(

)()(

st

st

st

ssxy

st

ssxy

BP

DlPK

KDlP

BMBL

BP

BMBLct

Sensitività fino a xs 30

CDFLimite attuale: Xs> 20.6

S. D’Auria

CPV e CKM: gli angoli

sin 2d→ J/ Ks, Ks

sin 2d→ , sin(2+): Bd → D e Bs → DsK

d→ d→ DK

A(t) = S sin(m t) + C cos(m t)

Misure di

• Charmonio+Ks (canali aurei)Stessa fase per alberi e pinguini, no incertezze teoricheSegnale abbondante e puro Sistematiche sotto controllo

• D(*)D(*) e J/ 0

Fasi differenti, asimmetria non necessariamente sin2Necessitano di analisi piu’ complesse

• Ks e (‘)KsPrevalentemente pinguini, misurano sin2 nel MS ma

sono particolarmente sensibili a nuova fisica

cf. M. Pierini

Modi con charmonio

BelleBaBar

1

sin 2 0.741 0.067 0.033

sin 2 0.719 0.074 0.035

(BaBar)

(Belle)

sin 2 0.755 0.074 sin 2 0.723 0.158

1sin 2 0.78 0.17

1sin 2 0.71 0.09

PRL 89 (2002) 201802PRD 66 (2002) 071102

sin 2 0.731 0.055 (CL = 0.84)WA

N(BB)= 88 106N(BB)= 85 106

cf. M. Pierini

sin2: Ks

Bb

d,u

W

ss

sg

Kd,u

BaBar

Belle

cf. M. Pierini

Modello Standard:

SKs=SKs=sin2

SUSY: ~ 0.01 – 0.7

tasso(K) ~ 10-2 tasso(J/K) → Misura statisticamente limitata!

Sommario sin2

http://www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/triangle/winter2003/index.shtml

•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

• Ks a 2.8 dal valore atteso (0.74)

→ nuova fisica?• ‘ Ks 1.6 piu’ bassa

→ valore inatteso per la “contaminazone” dell’albero?

sin2: prospettive

0.001

0.01

0.1

1

10 100 1000 10000 100000

I nt egr ated lum inosi ty ( /f b)

0/ SJ Ky

rppp

0 /J y p0SKf * *D D+ -

0/ SJ Ky

rppp

* *D D+ -

0/J y p0SKf

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/ Ks 0.0670.033 0.03 0.017 0.008

Ks 0.51 0.009 0.23 0.14 0.056

Misure ridondanti ↔ sensibilità a nuova fisica

Sin2(eff) da B→

b

d d

ud

u

+

-

B0

Mixing + T:

b

d d

d

u

u -

+

t

B0

P:

Fase debole – fase forte e |P/T| modificano

eff 22 da analisi di isospin

A(t) = Ssin(m t) + Ccos(m t)

2 1 /

1 /

2effsin(

sin(

)1 2

)

i i

i i

P T e e

P T e e

ie

C

C

S

cf. M. Bona

sin2(eff) : stato e prospettive

Oggi: 0.08 ab-1

Param. Channel (stat)/(syst) 0.08 ab-1

(stat)/(syst) 0.5 ab-1

(stat)/(syst) 2.0 ab-1

S C

+-

0.34 / 0.05 0.25 / 0.04

0.12 / 0.03 0.10 / 0.03

0.06 / 0.05 /

Estrapolazioni

Param. BaBar Belle S C

0.02 0.34 0.05 -0.30 0.25 0.04

-1.23 0.41 (+ 0.05-0.07) -0.77 0.27 0.08

Differenza a livello di 2.2. Valore di Belle fuori dalla regione fisica…Speculazioni teoriche sulla media. Troppo presto per tirare conclusioni…

Super BFactory: (sin2eff) ~ .03 in 10 ab-1Stesso ordine di grandezza per LHCb/BTeV

cf. M. Bona

Analisi di isospin?

)Br()Br(2

)Br()Br()Br(cos

0

00210

).(),(

),(),(

),()(

00

000000

00

BBRBBR

BBRBBR

BBRBBR

’ … ambiguità quadrupla! ( triangolo invertito e )

Toy MC: BR() = 4.7x10-6, BR( ) = 4.1x10-6 BR() 1.0 x10

L = 10 ab-1L = 2 ab-1L = 0.5 ab-1

Occorre misurare:

Alta statistica e/o Br(00)~0

sin2 da ?• Analisi dipendente dal

tempo, flavor-tagged, delle interferenze di stati finali tramite plot di Dalitz, misura

• Dipendenza da BR()• 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, …

B0+ – - B00 0 Interference

Region

B0+ – - B0 – + Interference

Region …difficile!

sin2: quando?

Misura di precisione esclusivamente a super-B factory

Il ruolo di

• Esiste nuova fisica nel mixing• Non è rivelata da misure di m, sin2, sin2• Si può rivelare da processi “ad albero” che coinvolgono • Errori anche grossi sarebbero sufficienti per dare

evidenza di nuova fisica se si trovasse >90°.

(1-)2+2+nuova fisica+nuova fisica

2+2

Metodi per • Interferenza tra mixing e

decadimento di B D(*) ricostruito parzialmente o completamente: sin(2)– un’ampiezza è Cabibbo

soppressa: difficile sperimentalmente e teoricamente!

• errore di ~10° con 1-2ab-1 analizzando anche

B0D(*),a1,Ks

• Analogamente: BsD(*)sK– Ampiezze dello stesso

ordine di grandezza – ms >> md

– Solo collider adronici, PID necessaria (LHCb/BTeV)

– Precisione dell’ordine di 8°

Caveat:– Errore dipende da valore

misurato– Rapporto tra ampiezze

incognito oppure piccolo e impreciso

cf. G. Marchiori

bc

W d

u

d dD

bu

W

c

D(d

d d

Metodi per • Misure di processi B± D(*)X (violazione

di CP nel decadimento) , 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

• 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

cf. G. Marchiori

Sommario angoli CKMAngolo Babar

(0.5ab-1)SuperBabar

(10 ab-1)

CDF

RunII

BTeV/

LHCb*

Atlas/

CMS*

sin2 (J/ Ks) 0.03 0.008 0.05 0.02 0.02

sin2(Ks) 0.25 0.06 0.15 0.14 ?

sin2eff (+-) 0.14 0.03 0.1 0.03 0.1

eff- (00) <18° <7° - 5° () -

(DK, D*DsK) ~<10° <2.5° <10°

Una parola chiave: ridondanzaridondanza(nuova fisica, ambiguità discrete, incertezze e input teorici)

: la fase meglio misurata, B factories: la misura più difficile e a lungo termine, (S)B Factories : LHCb/BTeV la misura migliore, B Factories concorrenziali

* 1 anno di run

• BaBar, Belle, LHC-b e BTeV:

(sin2)~0.01, (sin2(eff))~0.03, ()~5o

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...

Scenario CKM tra 10 anni?

Decadimenti rari

PinguinoEM

PinguinoEW

Decadimenti leptonici

Pinguini EW (BaBar) 85M coppie BB

60.110.240.180.20 10)(0.78)lKl(B

B

C.L. 90% @103.0

100.28)(1.68)llK(B6

60.680.58

*

B

Misure esclusive:

B(Xsll, inclusivo) =(6.1±1.4+1.4-1.1) 10-6

Remaining neutral Energy (GeV)

m(D

0 )R

ec-m

(D0 )

PDG ( m

(D0))

SignalBox

Sideband

Teoria (SM): B(B+K+) 3.8 x 10-

6

56M coppie BB, completamente ricostruito tag SL

B(B+K+) 9.410-5 (90% CL)

2 eventi osservati (2.2 bkgd atteso)

cf. F. Bucci

Preliminare

Decadimenti leptonici (BaBar)• Già pubblicato, da aggiornare (Run1+2)

– BF(B ) < 1.7 10-6 (90% CL); int.lumi. 19.4 fb-1

• ICHEP 2002 (Run1+2):– BF(B e+e-) < 3.3 10-7 , BF(B +-) < 2.0 10-7 ,– BF(B +e-) < 2.1 10-7 (90% CL)

• Nuove analisi B+ + (Run1+2), con:– Tag semileptonico o adronico completamente ricostruiti– Miglior limite disponibile (<4.1 10-4 @90% CL)

cf. F. Bucci

Decadimenti radiativi e nuova fisica • bs inclusivo: BR sensibile ai bosoni di Higgs carichi e alle

particelle supersimmetriche; asimmetria di CP diretta è anche sensibile a nuova fisica

• B, BK*– asimmetria di CP diretta e

rapporto Br()/Br(K*) sensibili a MSSM

– Rapporto sensibile anche a Vtd/Vts, con incertezza teorica ~10%. Cross-check con oscillazioni

Decadimenti BXsll e nuova fisica

• B Factories: Misura di distribuzioni di decadimento oltre che di BR

• Asimmetrie piccole in MS, grandi in MSSM

• L’attraversamento a 0 dell’asimmetria FB di K*ll permette di discriminare tra vari modelli

• Anche I decadimenti in Xs sono particolarmente sensibili a nuova fisica.

Decadimenti leptonici

• Bll BR molto piccoli, ma potrebbero diventare misurabili grazie a contributi di nuova fisica (leptoquarks, nuovi bosoni di gauge, SUSY con violazione dell’R-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

• Blpoca sensibilità a nuova fisica, ma sensibile a |Vub|fB, importante per calcoli su reticolo e cross-check per |Vub|– Precisione del 5% su e 8% su in 10ab-1

Sommario decadimenti rari

CAVEAT: nuova fisica a LHC dovrebbe manifestarsi soprattutto in altri canali...

SolocolliderSolo(S)BFact

Solo(S)BFact

Collider~BFact

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 d’oro

– 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 (, decadimenti

rari con neutrini) o concorrenziali con collider adronici nel settore della fisica del sapore esclusive

– Collider adronici competitivi per ,, ms, canali rari in 2 leptoni

Ringraziamenti:

M. Bona, F. Bucci, G. Cavoto, S. D’Auria, R. Faccini, F. Ferroni, L. Lanceri, M. Pierini,

M. Rotondo, A. Sarti, F. Simonetto

Backup

0

200

400

600

800

1000

1200

Year

Inte

gra

ted

Lu

min

osi

ty (

fb-1

)

0

5

10

15

20

25

30

Pe

ak L

um

ino

sity

[1

0**3

3]

Yearly Integrated Luminosity [fb-1]

Cumulative Integrated Luminosity [fb-1]

Peak Luminosity [10**33]

Yearly Integrated Luminosity [fb-1] 3 23 41 39 62.6 66.1 120.1 151 160.1 217 216

Cumulative Integrated Luminosity [fb-1] 3 26 67 106 168.6 234.7 354.8 505.8 665.9 882.9 1098.9

Peak Luminosity [10**33] 1 2 4.4 5 7.5 10 13 16 20 22 25

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

PEP-II without upgrades

0.5 ab-1

2006

1.6 x 1034

integrated

peak

2009

1.1 ab-1

PEP-II upgrade scenarios

From J.Seeman/SLAC New IR, present rings New IR, New LER, Constant LER injection

New IR, New rings, Constant injection

# bunches 1700 3400 3400 Beam currents HER: 2A, LER: 4.5A HER: 2A, LER: 24.5A HER: 8.5A, LER:24.5A IP functions x: 18cm, y:0.45/0.5cm x: 15/23cm, y: 0.4cm x: 15cm, y: 0.15cm Beam-beam 0.075 0.075 0.112 Luminosity (cm-2 s-1) 4 1034 1 1035 1 1036

NO

(Super-KEKB?)

SuperPEP/SuperBaBar

Year 20...?New collider,(and new detector…)Snowmass: 370M$

Minimal upgrade

Feasible from 2005Shut-down 3 months0.40.5 ab-1/yearLimited cost

2ab-1

in 2009

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:

What about KEK-B/Belle upgrades ?

year activity By mid 2006 500 fb-1 mid 2002 - mid 2006 Construction mid 2006 - 2007 Installation 2008 Commissioning > 2008 1 ab-1 / year

signal BR = 0.5e-6

|eff – | < 190

con 10 ab-1

BR(B0→00) < 3.610-6 (81 /fb) |eff-| < 51o

0

0002

B

B2/sin

Br

BrGrossman-Quinn bound:

Luminosità ~ininfluente

Metodo funzionameglio

’’

sin2eff = 0.020.340.05with 2eff = 2

cf. M. Bona

Vincolo su

UL corrente

Quasi-2-body B0

3433413N

Acp

0.080.080.22 ( ) 0.07( )CPA stat syst 0.080.080.22 ( ) 0.07( )CPA stat syst

0.180.19

0.250.25

0.45 ( ) 0.09( )

0.16 ( ) 0.07( )

C stat syst

S stat syst

0.180.19

0.250.25

0.45 ( ) 0.09( )

0.16 ( ) 0.07( )

C stat syst

S stat syst

hep-ex/0207068

81.9 fb-1

Violazione diretta di CP?

da B-D0(CP)K-

)(21000 DDD 1||)(

0 ieAKDBA

ii eeAKDBA 2||)( 0

)( *uscbVV

)( *csubVV

(Gronau-London-Wyler)

)cos(2

1

)(

)( 2

0

11

rr

KDB

KDBn

)cos(2

1

)(

)( 2

0

11

rr

KDB

KDBp

)cos(2

1

)(

)( 2

0

22

rr

KDB

KDBn

)cos(2

1

)(

)( 2

0

22

rr

KDB

KDBp

Osservabili: n1, p1, n2, p2

Parametri teorici: , r,

)1.0(

)(

)(

0

0

O

KDBA

KDBAr

cf. G. Marchiori

r=0.2 (2ab-1), sin2fit: sin2

da B-D0(CP)K-: proiezioni

Risultati sperimentali recenti (BaBar)

Proiezioni da Toy MC:(Fit non stabile per r = 0.1)

02.029.002.1)(

)(

0

11

KDB

KDBn

)02.026.072.0()(

)(

0

11

KDB

KDBp

r=0.3 (0.5 ab-1), sin2fitsin2

08.023.017.0 CPA

ACP=0.174 0.031r=0.2 =60o =30o (2ab-1)

KKD0500

CPV diretta accessibile anche a statistica “moderata”

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 12%

Charge asym.