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DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss1 Helge Voss Einführung B s Mischung und Mischungsphase.

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2 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss1 Helge Voss Einführung B s Mischung und Mischungsphase der seltene Zerfall B s CKM Winkel

3 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss2 LHCb: spezielles B-Physik Experiment: volles B Hadron Spektrum (incl. B s ) LHC: TeV b-Fabrik CP-Verletzung CKM Matrix Tests seltene Zerfälle

4 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss3 bs dynamische Baryongenese braucht: (Sakharov 1967) Baryonzahl Verletzung CP-Verletztung und einen Zustand ausserhalb des thermischen Gleichgewichts (z.B. Phasenübergang Im Prinzip gegeben in: GUT-Modellen an der GUT-Skala schwer zu quantifizieren, wird wahrscheinlich ausgewaschen in der weiteren Entwicklung des Universums an der elektroschwachen Skala Baryonzahlverletzung in Quanten effekten (Sphalerons), CP-Verletzung via CKM Matrix und elektroschwacher Phasen ü bergang (Higgs-Feld) aber: Nicht gross genug.. O( ) Neue Quellen der CP-Verletzung ? Die CKM-Phase alleine tuts nicht Das Universum ist fast leer:..aber nicht ganz: following: Bigi,Sanda CP-Violation 2000

5 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss4 Es gibt viele Gründe die für Neue Physik sprechen: Baryongenesis dunkle Materie das Hierarchie Problem Neutrinomassen Vereinigung der Eichkopplungen Erwartung Neue Physik bei Skala 1TeV Flavour Physik (z.B. K 0 -,D 0 -,B 0 –Mischung, FCNC etc ) Typische Grenzen für Neue Physik >> 1TeV CKM-Matrix beschreibt den dominanten Mechanismus in der Flavour Physik und CP-Verletzung Neue Physik als Korrektur zum Standardmodell: - Minimal Flavour Violation. D.h. Neue Physik die die CKM-Struktur intakt lässt und keine beliebigen neuen Phasen of O(1) zulassen. (i.e. gleiche Operatoren der effektiven Kopplungen, nur andere Wilson Koeffizienten (Kopplungskonstanten)

6 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss5 bb-Winkel- verteilung - LHCb: Ein-Arm vorwärts Spektrometer Akzeptanz: (250)mrad Luminosität: 2·10 32 cm -2 s bb/Jahr (10 (4S)) Vertex- sowie Spur- und Impulsauflösung Teilchenidentifikation (Pion Kaon) Trigger für leptonische und hadronische B-Zerfälle b b b b Pythia 100μb 230μb η of B-hadron P T of B-hadron

7 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss6 Muon Stationen Kalorimeter RICH-2 Magnet Outer- Tracker VELO RICH-1 TT-Station Inner Tracker Muon Station

8 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss7 Exzellente Vertex Auflösung: Silizium Detektor im Sekundärvakuum 8mm vom Wechselwirkungspunkt Schnelle Impaktparameter Bestimmung direkte r- -Messung durch: konzentrische Ringe und radiale Streifen Auflösungen incl. der anderen Spurdetektoren: Impaktparameter: ~30 m Eigenzeit: ~40 fs B-Masse: 8-18MeV/c 2

9 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss8 Rich1 Rich2 2 RICH Detektoren (vor/hinter dem Magneten) 3 verschiedene Radiatormaterialien: (Aerogel (n=1.03), C 4 F 10 (n=1.0014), CF 4 (n=1.0005) ) K- Trennung im Bereich 2-100GeV ! Schematische Ansicht flacher sphärischer Spiegel Photon Detektor Aerogel C 4 F 10 gas CF 4 gas

10 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss9 Kaon ID = 88% bei - mis ID von 3% rekonstruierte -Masse B d + - mit ID rekonstruierte K -Masse B d K + - B s - K + mit /K ID RICH1 und RICH2 Wird die beste Teilchenidentifikation die jemals bei einem Hadron Collider erreicht wurde rekonstruierte hh-Masse Ohne Particle ID ! B d + - B d K + -

11 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss10 B s Mischung(sphase)

12 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss11 schwache Eigenzustände Masseneigenzustände W+W+ c s(d) V cs (V cd ) CKM-Matrix: Nicht diagonal Mischung ( z.B. B 0 B 0 ) Komplexe Phase CP-Verletzung Wolfenstein Parametrisierung (O( 5 ), ´ 0.2 : sin(Cabibbo Winkel )

13 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss12 Mischung: B 0 B 0 m(B H ) – m(B L ) = m = Oszillations Frequenz V ts V tb *| s b b s WW t t Bs0Bs0 Bs0Bs0 b b Primärvertex l-l- D0D0 flavour spezifischer Zerfall des B s 0 : verrät eindeutig ob es als B 0 oder B 0 Zerfallen ist tagging Zerfall: l - aus b quark anderes b-quark war b opposite side- aber auch same side tagging finden Verwendung eff = (1-2w) 2 = 7-9% (B s )

14 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss13 Simulation: (incl. Detektor) 0.5fb -1, ms = 20ps -1 CDF: 17.77±0.12ps -1 D0:18.56±0.87ps k Ereignisse/Jahr (2fb -1 ) B bb /S < ~ 40fs Referenze Kanal für BR Messungen stat ( m s ) = 0.012ps -1 (0.5fb-1) Fehler wird voraussichtlich dominiert durch: Systematik auf Skala der Eigenzeit B s Oszillation am Tevatron: LHCb Ausblick:

15 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss14 K 0 System multipizieren B d 0 System Das Unitaritätsdreieck multiplizieren s B s 0 System multiplizieren B d 0 J/K s B s 0 J/

16 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss15 b s c W+W+ s J/ c s s b W-W- c s s c b s WW t t B s 0 und B s 0 zerfallen beide in den gleichen Endzustand J/ Bs0Bs0 Bs0Bs0 Bs0Bs0 zwei verschiedene Amplituden (mit und ohne MischungB s 0 B s 0 ) mit verschiedenen schwachen Phasen interferieren CP-Verletzenden Phasen

17 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss16 CP-verletzende B s Mischungsphase: s SM =2 s Standardmodell s SM =-arg(-V ts 2 ) = -2 CKMfitter 2007: s SM = ± Zeitabhängige CP-Asymmetrie in B s 0 J/ misst genau sin(2 s ) eine einzige schwache Phase kleiner Pinguin zusätzlich doppelt Cabibbo unterdrückt Abweichung Neue Physik s und die Sensitivität auf Neue Physik: z.B. Littlest Higgs with T-parity (M.Blanke,A.Buras hep-ph/ ) deutlich grössere Phasen s SM + s NP im Einklang mit derzeitigen Messungen Derzeitige Situation: bisher keine CP-Verletzung gefunden klein (~ 2 ) genaue Vorhersage genaue Messung ohne theoretische Unsicherheit D0, Phys.Rev.D76(2007)057101

18 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss17 nun ist ein Vektorteilchen: A0, A|| (f CP gerade) A (f CP ungerade) Zerfallswinkelabhängige Analyse LHCb Simulation: ~131k Ereignisse/Jahr (2fb -1 ) B (bb) / S = 0.12 (sin s ) = mit 2fb -1 = 0 = sin(2 s ) keine direkte CP-Verletzung in B s J/ Zeitabhängige CP Asymmetrie:

19 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss18 B s (2 s ) mit 2fb -1 J/ J/ J/ J/ c (4h) Ds+Ds-Ds+Ds Summe = J/ Summe = Zeitabhängige CP-Asymmetrie Eigenzeitauflösung! (Ereignisse generiert mit Detektorsimulation) Kombinierte Sensitivität nach 10 fb -1 (Fast Simulation) 10fb -1 (sin2 s ) = SM: ± (Systematiken (Tagging, Auflösung) fehlen noch) B s CP-Eigenzustand Belle/Babar: sin2 = 0.681±0.025 (ccs) SM [ ] zum Vergleich:

20 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss19 B s Mischungsphase und Pinguin

21 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss20 Goldener Pinguin: B s ( K + K - ) ( K + K - ) reiner Pinguin Zerfall in CP-Eigenzustand b s s s g s s (B s 0) B s 0 Neue Physik NP + b W-W- s s s t g (B s 0) B s 0 s s SM: < 1% ( V ts in Mischungs- und Zerfallsamplitude: Effekt hebt sich auf) evtl. beobachtete CP-verletzende Phase ~3.1k Ereignisse in 2fb -1 mit B/S < Winkelabhängige Analyse: ( s ) = 0.1 (2fb -1 ) ( s ) = 0.05 (10fb -1 )

22 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss21 Vergleich: 2 s aus B s J/ ( b ccs Tree Diagramme) 2 s eff aus B s ( b sss Pinguin Diagramm) Neue Physik in M (Mischung) oder D (Zerfall) ? Versteht man die Extraktion der Phase aus den Pinguin Diagramm? Selbiges im B d System b ccs vs. b qqs (Penguin) >2007: Abweichung bis :naïve average stimmt überein 2 des Fit schlecht

23 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss22 Seltene Zerfälle

24 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss23 b s t W W SM Äusserst seltener Zerfall im Standardmodell: BR( B s + - ) = (3.4±0.4) Experimentelle Grenzen (90%CL): D0 :BR( B s + - ) < CDF :BR( B s + - ) < Präzisionsmessung Eingrenzung des Parameterraumes z.B. im MSSM ähnlich wie b s und g -2 MSSM: BR( B s + - ) ~ tan 6 Mögliche grosse Effekte!

25 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss [J.Ellis et.al, hep-ph/ ] g-2 vom Muon: 2.7 Abweichung von Standardmodell a =(25.2±9.2) Im constrained MSSM (mSugra): 250GeV

26 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss25 Integrated luminosity (fb –1 ) BR (x10 –9 ) Uncertainty in background prediction Expected final CDF+D0 limit SM prediction 90% CL imit on BR (only bkg is observed) 0.05fb -1 Verbesserung der Grenzen von CDF und D0 ! 0.5fb -1 Limit erreicht Standardmodell Vorhersage oder 5 Messung von BR= fb -1 Standardmodell Messung mit 3 6fb -1 ~3 Jahre Standardmodell Messung mit 5 FIRST YEAR LHCb physics

27 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss26

28 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss27 B s 0 10fb -1 : (-2 s ) =±4.6º (D s K) ( ) ±2.5º (alle Tree Graphen) (Schätzung) aus B 0 s D ± s K im Tree Graphen! s c s b u Bs0Bs0 K-K- W+W+ Ds+Ds+ =-arg(V ub ) s Ds+Ds+ b c W-W- s u K-K- s s damit könnte das Szenario für die -Messungen irgendwann so aussehen: oder so sin(-2 s ) sin(2 s ) aus B Oszillation

29 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss28 Aber nur die Ruhe! Verglichen mit wieviel Verkabelung und Commissioning da drin wohl noch vor September gemacht werden muss… The Birdsnest: Olympia stadium Beijing

30 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss29 LHCb ist ein dediziertes B-Physik Experiment am LHC Design Luminosität und daher mit Physikprogramm vom ersten Tag an Gute Massen und Zerfallszeitauflösung Excellente Teilchenidentifikation B s -Mischungsphase lässt derzeit noch reichlich Platz für Überraschungen Finden wir endlich Neue Physik in Verzweigungsverhältnis von B s ? Vergleich von Messung aus Tree Prozess mit Loop Prozessen Komplementäre Suche nach Neuer Physik verglichen mit Atlas/CMS reiches B-Physik Programm

31 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss30 Backup Slides

32 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss31 s s hshs >90% CL >5% CL >32% CL Constraints mit m s Messungen hep-ph/ v3 hshs Nach 1 Jahr (2fb -1 ) LHCb Modellunabhängige Parametrisierung einer möglichen zusätzlichen Phase in der Mischung:

33 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss32 Atlas und CMS (30fb -1 = 3Jahre) LHCb (10fb -1 = 5Jahre) Potential zur Messung: (workshop on Flavour in the Era of the LHC)

34 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss33 Spurrekonstruktion: Effizienz > 95% (Spuren von B-Zerfällen die komplett in der Akzeptanz liegen) ~4% ghosts (p T > 0.5 GeV/c) K s + - > 75% (Zerfall innerhalb des VELO) Spurauflösungen: Impaktparameter ~30 m Impuls ~0.36% B-Rekonstrutionsauflösung: Eigenzeit ~40 fs Masse: 8-18MeV/c 2 B s 18 MeV/c 2 B s D s 14 MeV/c 2 B s J 16 MeV/c 2 B s J J mass constraint) 8 MeV/c 2 Effizienz vs. p ~95% p/p vs. p 0.3 – 0.5

35 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss34 2·10 32 cm -2 s -1 ~16MHz Ereignisrate mit ~100kHz bb Ereignissen _ L0: (Hardware) trigger 16MHz 1MHz pile-Up Kalorimeter Muon High Level Trigger (HLT): (Software) 1Mz 2kHz RateEreignistypPhysik 200Hz exclusive B-Zerfälle(Standardprogramm) 600Hz grosse inv.Masse(b J/ X) 300Hz D* Kandidaten(charm Physik) 900Hz Inklusive b (z.B. b )(data mining) L0 + HLT Effizienz: 30%-80% bezüglich offline-Selektieren Ereignissen pp-Wechsel- wirkungen je Beam Crossing LHCb

36 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, März 2008Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss35 s c s b u Bs0Bs0 K-K- W+W+ Ds+Ds+ =-arg(V ub ) B s 0 Ds+Ds+ b c W-W- s u K-K- s s s ( + s ) = ±4.6º (10fb -1 ) = ±4.6º = ±0.027 m s = 20 ps 1, s / s = 0.1, =60º, T1/T2 = 0 Messung von CP Verletzung mit der Phase im Tree Graphen! 4 Zeitabhängige Messungen von Ereignissen tagged als 2 untagged Messungen simultaner Fit in + s, starke Phasendifferenz und Amplitudenverhältnis D s - K + tagged as B s D s + K - tagged as B s D s - K + tagged as B s D s + K - tagged as B s B s 0,bzw. B s 0


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