“Beautiful Physics” mit LHCb

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1 “Beautiful Physics” mit LHCb
Heidelberger LHC Treffen Ulrich Uwer Physikalisches Institut Universität Heidelberg LHCb

2 B Production at LHC qb inel ~ 80 mb bb ~ 500 b
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 bb events/yr produced all b hadrons produced: Bu (40%), Bd(40%), Bs(10%), Bc and b-baryons (10%) bb production: (forward!) qb inel ~ 80 mb bb ~ 500 b LHCb Single arm forward spectrometer mrad <  < 300 mrad(1.8<<4.9)

3 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

4 LHCb – Experiment Vorwärtsspektrometer 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 bb Ereignisse/Jahr Lumi-Tuning auf optimal. Wert Offene Geometrie erlaubt mit Upgrades auf neue physikal. Fragestellungen zu reagieren

5 Trigger detector 40 MHz Leptons
high pT (m,e,g,h) [hardware, ms latency] 1 MHz high IP, high pT tracks [software,1 ms] 30% 40 kHz HLT: software using complete event [10 ms] 2 kHz storage HLT rate Event type Calibration Physics 200 Hz Exclusive B candidates Tagging B (core program) 600 Hz High mass di-muons Tracking J/, bJ/X (unbiased) 300 Hz D* candidates PID Charm (mixing & CPV) 900 Hz Inclusive b (e.g. bm) Trigger B (data mining)

6 B Physik - heute B Fabriken Highlights ca. 600 Mio BB Paare on-tape
R.Nogowski & K.Schubert, Dresden ca. 600 Mio BB Paare on-tape Eine Vielzahl an Messungen Highlights CP Verletzung im Bd System Direkte CP Verletzung im Zerfall Setzt den Rahmen für B Physik am LHC: Nachmessen von sin2β ist nicht das Ziel Messung von |Vcb| mit 2% Fehler

7 B Physik bei LHCb Bs Meson ms Bs→ DS
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. ,  Bs→ J/()  Bs→ DS K  and  B0  +  Bs  K+ K Bd Meson  B0 →D0 K*0 = B0→ +  ,  Weiterführung des Programms der B-Fabriken insbesondere dort wo es statistisch limitiert ist. Seltene Zerfälle mit BR ≤ 10-9 W New Physics Vielzahl an unterschiedlichen Messungen erlaubt die “indirekte Suche“ nach neuer Physik

8 Beispiel: Neue Physik im B Mixing
B(s)B(s) mixing phase: W New Physics Φd = 2 + ΦdNP Φs = 2 + ΦsNP Messung der CP Asymmetrie: 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*  Redundante Messungen: notwendig um CKM Phasen von Effekten Neuer Physik zu untescheiden

9 Aktuell: Neue Physik in BKS ?
4 Diskrepanz sin2β aus ccK Zerfällen und sin2β inssK Pinguin Zerfällen Mögliche Beiträge Neuer Physik 4

10 Physik-Potenzial B Physik am LHC erlaubt die indirekte Suche nach Neuer Physik. Komplementär zur direkten Suche bei ATLAS und CMS. Beispiele für Potenzial: Messung der BS Oszillation: mS Gold plated decay BsJ/Φ Messung des CKM Winkels  Seltene Zerfälle

11 Ereignis-Raten Trig (L0+L1) e tot
1 year (107s) at L = 2x1032 cm-2 s-1 BABAR events Channel Trig (L0+L1) e tot Yield B/S B0  p+p- 34 % 0.69 % 26 k < 0.7 B0  K+ p- 33 % 0.94 % 135 k 0.16 Bs K-+ 37 % 0.55 % 5.3 k < 1.3 Bs  K+ K- 31 % 0.99 % 37 k 0.3 Bs Ds-p+ 0.34 % 80 k Bs Ds-+K+- 30 % 0.27 % 5.4 k < 1.0 B0 J/y(m-m+) KS 61 % 1.39 % 216 k 0.8 B0 J/y(e-e+ ) KS 27 % 0.16 % 1.0 Bs J/y (m-m+ )f 64 % 1.67 % 100 k < 0.3 Bs J/y (e-e+ )f 28 % 0.32 % 20 k 0.7 B0  36 % 0.03 % 4.4 k < 7 B0 K*0 g 38 % 35 k Bs  0.22 % 9.3 k < 2.4 470 1600 2800 1200 2x640 norm. to 4  tot = edet* erec/det* esel/rec* eTri g = 0.120.920.180.34 ( for B0  p+p- )

12 ms with BsDs+(KK)-
Annual event yield: k Background B/S: Tagging probability: % Mistag probability w: % Proper time res fs (core) Expected unmixed Bs Ds sample in one year of data taking (fast MC) Statistical precision / yr ms (ps-1) 15 20 25 30 (ms) 0.009 0.011 0.013 0.016 5 observation of Bs oscillation: 68 ps-1 / yr SM prediction: ms20 ps-1

13 Φs and Γs with BsJ/Φ The “gold plated decay” of Bs: SU(3) analogue of Bd J/Ks ACP measures mixing phase Φs In SM: Φs = -2 = -22 ~ -0.04 event yield () / yr: 100k background B/S <0.3 proper time resolution 38 fs ACP0  New Physics in Bs mixing Sensitivity after 1 year () ~ 2 O If Γ/Γ is ~0.1, can do a 5 discovery in one year

14  from BsDs+K+ Measure   s from time-dependent rates: BsDs K and BsDsK (+ CP-conjugates) Use s from BsJ/ BsDsK Only tree diagrams: insensitive to new physics in B mixing BsDs event yield () / yr: k background B/S: <1.0 Time dependent BsBs asymmetries 5 yrs of data, ms=20 ps-1 After 1 year, if s/s = 0.1, 55 <  < 105O ms 20 25 30 (+Φs) 14 0 16 0 18 0

15  from B and BsKK
Bd/s /K bu decays are sensitive to  large penguin contributions in both decays Theoretically difficult to extract P/T ratio /K Bd/s Measure time-dependent CP asymmetry for B and BsKK and exploit U-spin flavour symmetry for P/T ratio (R. Fleischer). Take fs, fd from J/,J/Ks  can solve for g sM=17 MeV Bd+- B (26k / yr) BsKK (37k / yr) BK+ (135k / yr) BsK (5.3k / yr) without RICH Use RICH for K/p separ. () = 46 deg

16 B0K*0 +- AFB(s) SM: BR(B0K*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) (AFB) Annual yield (SM): 4.4k Efficiency: 0.7% Background (B/S) <2 (BR) ~ 2% (ACP) ~ 2% In 5 years: (AFB )~ 0.1

17 Bs0  +- LHCb: 1 year 17 events Bs0+-
BR(Bs0+-)SM = (3.50.1)x Good sensitivity to NP BR(Bs0+-)SUSY ~(tanb)6, ACP ~(tanb) for large tanb LHCb: 1 year events Bs0+- Backgr. study requires additional MC statistics, present limit from bmX+cc. B/S< (MBs)=18 MeV/c2 SM signal in the first year !

18 Heidelberger Beiträge
Bisher 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. Analyse-Schwerpunktthemen Bs Mischungsmessung Messung der Bs Mischung ist Voraussetzung zur Messung der zeitabhängigen CP Asymmetrien. Erstes wichtiges Resultat von LHCb. 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.