Ist es Beauty oder Bottom ? Die Neue Ära Experimenteller B Physik Früjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18.-22. März, 2002 Andreas Höcker Laboratoire de l‘Acélérateur Linéaire (LAL) Orsay, France

Die vier Kernbereiche der B Physik CP Verletzung im Neutralen B System: CPV durch Interferenz zwischen Zerfall und Mischung CPV durch Interferenz der Zerfallsamplituden    Nachweis seltener Zerfällen: Suche nach neuer Physik und Direkter CP Verletzung Präzise Bestimmung der CKM Matrixelemente (|Vub| und |Vcb|) Verbesserung unseres Verständnisses von B Zerfällen

Der Schlüssel zur B Physik: Die CKM Matrix Masseneigenzustände  Geschmackseigenzustände  Quarkmischung B Mesonen zerfallen schwach  modifizierte Kopplungen für geladene schwache Ströme: VCKM unitär und komplex: 4 reelle Parameter (3 Winkel und eine Phase) Kobayashi-Maskawa 1973 Wolfenstein Parametrisierung (Entwicklung in  ~ 0.2): CPV Phase (phaseninvariant!) CP Verletzung, wenn: Jarlskog 1985

Viele Wege führen zum „Unitaritätdreieck” Das Unitaritätsdreieck Punkt der Erkenntnis: SM oder neue Phasen (Felder)? Was ist der Wert von in userer Welt? J J/2 Rb Rt  g b Das Unitaritätsdreieck

Experimentelle Bestimmung Theoretisches Werkzeug Themenübersicht Observable CKM Parameters Experimentelle Bestimmung Theoretisches Werkzeug (B0/B+) - Rekonstruktion des B Zerfallsvertexes Heavy Quark Expansion, Gitter md , aSL (l+l–) (1–)2 + 2 BdBd  f+f– + X pQCD & Gitter ms fBd2Bd Bs  f+ + X Gitter sin2 ,  Bd  cc sd sin2 Bd  +/+ – QCD Faktor.  Bd  DK, b  u, Direkte CPV - / QCD Faktor. |Vcb| A b  cl (exkl. / inkl.) Heavy Quark Effective Theory, Modelle / OPE |Vub| 2 + 2 b  ul (exkl. / inkl.) Hadronische Modelle / OPE |Vtd| Bd    |Vts| A (NP) Bd  Xs (K()) , K() l+l– (FCNC) OPE / Hadr. Modelle, Gitter

Die Suche nach CP Verletzung im B System 2001 BTEV 2005 ? ATLAS 2007 BELLE CLEO 3 1999 BABAR 2000 1999 Primäres Ziel Durchführung von Präzisionsmessungen im Bereich der schwachen geladenen Ströme, um den CKM Sektor des Standard Modells zu testen Die Suche nach CP Verletzung im B System

Die asymmetrischen B Fabriken PEP-II und KEKB Nach den B-Physik Pionieren Argus, CLEO und den LEP Experimenten ... Die asymmetrischen B Fabriken PEP-II und KEKB Belle’s Rekordlumonisität: 6.6  1033 cm2 s1 BABAR / Belle 9 / 8.5 GeV e auf 3.1 / 3.5 GeV e+ : Kohärente neutrale B Paarproduktion und Zerfall (p-Welle) Integrierte Lumonisität: BABAR: 71 fb1 Belle: 58 fb1

Linac Fixed Target Experiments BABAR SLD (& MARK II)

SVT 97% Effizienz, 70 -180 m Auflösung in z Tracking (pT)/pT = (0.13 PT  0.45) % DIRC K- Trennung >3.4 für P<3.5GeV/c EMC E/E = (1.3 E–1/4  2.1) %

Teilchenidentifikation für BABAR: Der DIRC Čerenkov Detektor Detection of Internally Reflected Čerenkov light Das DIRC Prinzip Der DIRC in BABAR Die DIRC Performance Exzellente /K/p Trennung bis 4 GeV/c

SVT 92% Effizienz, 75 -140 m Auflösung in z Tracking (pT)/pT = (0.19 PT  0.45 –1) % PID K- Trennung bis 3.5 GeV (TOF& dE/dx & Aerogel Zähler) EMC E/E = (0.8 E–1/4  0.07 E–1  1.3) %

Experimentelle Ergebnisse

B Lebensdauer Im Rahmen der Heavy Quark Entwicklung (HQE) erwartet man eine explizite Abhängigkeit der B Lebensdauer vom Geschmack des “Spectator Quarks“: B0(+) = bd(u): Zerfallskonstante Die B0(+) Lebensdauer folgt dem Exponentialgesetz: Für die Messung in einem asymmetrischen Beschleuniger, rekonstruiert man die Zerfallsvertices des vollständig oder teilweise rekonstruierten B‘s, und des anderen (=tag) B‘s.

Das Messprinzip (für: Lebensdauer, Bd Mischung, CPV) Exklusive B Mesonen Rekonstruction (4S) t  z/c z 250m B-Geschmacksbestimmung (Geschmackseigenzustände) Lebensdauer, Mixing (CP Eigenzustände) CP Analyse

Vollständig rekonstruierte B Zerfälle BABAR “Geschmackseigenzustände” für die Messung von Lebensdauer und Mixing: Neutrale B Mesonen mB0 Cabibbo-erhöhte hadronische Zerfälle (“Offene charm Produktion”): z.B., Charmonium Zerfälle: Semileptonische Zerfälle: z.B., Geladene B Mesonen mB+

Perfekte Zeitauflösung Endliche Zeitauflösung Inklusiv dileptonisch “Proof of principle” zeitabhängiger Analysen (z.B. CPV) Perfekte Zeitauflösung Endliche Zeitauflösung Die Parameter der Auflösungsfunktion werden gemeinsam mit der Lebensdauer gefitted Faltung -8 -4 0 4 8 B Decay Time Difference (ps) -8 -4 0 4 8 B Decay Time Difference (ps) Ausgewählte Ergebnisse: PDG2001 (LEP, SLD, CDF) Kanal (B+)/(B0) BABAR Belle Exklusiv hadronisch 1.082  0.028 1.091  0.027 Inklusiv dileptonisch 1.064  0.040 - D*l nur (B0) 1.072  0.051 BABAR PRL 201803 (2001); hep-ex/0202005; and preliminary Belle hep-ex/0202009; and preliminary

Und man erhält für die Zeitentwicklung der Asymmetrie: B0B0 Mischung: Prinzip Die Zeitentwicklung des B0-B0 System folgt der Schrödinger Gleichung: mit den Massen-eigenzuständen: Wir definieren: Und man erhält für die Zeitentwicklung der Asymmetrie: Wobei: und:

B0B0 Mischung: Theorie – B0 b d/s Effektive FCNC Prozesse: W t [B=2] Effektive FCNC Prozesse: deren Oszillationsfrequenzen md/s theoretisch berechnet werden können: Perturbative QCD CKM Matrix Elements Gitter QCD Die theoretischen Unsicherheiten sind bedeutend: Verbesserte Fehler durch ms Messung:

BdBd Mischung: Experiment Tagging des B Geschmacks Lepton Ladung des “schnellen” Leptons Kaon Ladung identifizierter Kaonen Andere Neuronales Netz (o.ä.) zur Ausbeutung von Informationen spezifischer Ereignistopologien Lepton , Kaon Tagging b s c e– ,m– K– Realistische Zeitentwicklung: Dilution (= Informationsverlust) Vertex-auflösung Bestimmung der Mistagwahrscheinlichkeiten mit Bflav Ereignissen Tagging Effizienz : 68% Tagging Qualität : Kaonen 15%, Leptonen 7%, Andere 4%

Auswirkung realistischen Taggings & Zeitauflösung BABAR Vollständig rekon-struierte Ereignisse BABAR

BdBd Mischung: Ergebnisse Quelle: LEP B Oscillations Working group LEP Mittelwert: 0.476  0.013 ps–1 Quelle: LEP B Oscillations Working group Exp. Fehler > 5% CL SM fit Theoretische Unsicherheit

BsBs Mischung: Ergebnisse LEP/SLD/CDF Amplitudenspektrum aus dem fit an die Eigenzeitverteilung: Noch keine signifikante Messung. Gespanntes Warten auf CDF, D0… > 5% CL SM fit Verbesserung durch ms Limit

Bestimmung der Matrixelemente |Vcb| und |Vub| 1/mQ Symmetrie schwerer Quarks [=SU(2nQ)]: Im mQ Limit eines Qq Systems verhält sich Q wie eine statische Farbquelle mit festem 4-Impuls. Die leichten Freiheitsgrade werden insensitiv zu Spin und Geschmack des Quarks 1/QCD Compton Wellenlängen Für beide Matrixelemente gibt es sowohl exklusive als auch inklusive Ansätze, beide sind jedoch semileptonisch. Das theoretische Rüstzeug hierfür ist Heavy Quark Effective Theory (HQET) und die Operator Produkt Entwicklung (OPE) |Vub| ( 2+2) ist entscheidend für die SM Vorhersage von sin(2) |Vcb| ( A) ist von grosser Bedeutung in der Kaon Physik (K, BR(K), …)

Exklusive semileptonische BDl Zerfälle Messung der Rate als Fkt. des Impulsesübertrags  Bestimmung von |Vcb| aus Extrapolation zu  1 (Theorie am restriktivsten) Bigi, Uraltsev; Neubert; ...; Gitter QCD Belle  =1  =1.5 Im B Ruhesystem ist  = (D) Belle, PLB 526, 247 (2002)

Inklusive semileptonische BXc l Zerfälle OPE: Entwicklung der Zerfallsrate in und Modellunabhängige Ergebnisse für „genügend inklusive“ Observablen: Bigi, Shifman, Uraltsev; Hoang, Ligeti, Manohar Identifiziere durch „Markierung“ eines B‘s: Vollständige Rekonstruktion oder hochenergetisches Lepton Selektiere Leptonen des semileptonischen Zerfalls des anderen B‘s Experimentelle Strategie Schnelles e+: „right-sign“ Kaskaden e–: „wrong-sign“

BR(BX l(e)): BABAR BABAR: (10.82  0.21  0.38) % Belle: (10.86  0.14  0.47) % CLEO: (10.49  0.17  0.43) % LEP: (10.65  0.23 ) % ARGUS : ( 9.7  0.5  0.4 )% BABAR preliminär: z.B.: |Vcb|(BABAR)  (40.8 1.7 1.5)10–3 0.1 1 Ein vielversprechender Ansatz für theoretisch verbesserte Analysen ist der kombinierte fit der HQET Parameter  und 1 (CLEO) mit Hilfe von b  s. Erlaubt Test der Quark-Hadron Dualität. (Siehe auch hadronische  Zerfälle). –0.1 –0.2 –0.3 |Vcb|(CLEO)  (40.4 1.3)10–3 –0.4 –0.5 CLEO, Phys. Rev. Lett. 87, 251808 (2001)

|Vub| aus exklusiven Zerfällen (I) Reiner Tree (Born) Zerfall. Die Zerfallsrate ist direkt proportional zum CKM Element |Vub|2 Problem: Modellabhängigkeit des Formfaktors

|Vub| aus exklusiven Zerfällen (II) CLEO BABAR Andere bul bcl und andere cross feed stat mod sys CLEO, Phys.Rev.D61:052001,2000 BABAR preliminär (Moriond’02)

|Vub| aus inklusiven Zerfällen CLEO Unterdrückung des dominanten charm Untegrundes durch Schnitt auf den B Xul Lepton Impuls jenseits des kinematischen Endpunktes von B Xcl Problem: Starke Modell-Abhängigkeit für |Vub| B  Xs  Reduktion der Modell-Abhängigkeit durch Verwendung von HQE und “Shape-Function” gemessen in B  Xs  CLEO, hep-ex/0202019 > 5% CL stat fu 1/mb HQE SM fit Mögliche Verletzung von Quark-Hadron-Dualität ? Messung des ganzen Spektrums ( Theorie unter Kontrolle) B Xul (Neur. Netz für Signal) LEP B Working group exp bc bu b HQE Kenntnis des b c Untergrunds, Messung inklusiv ?

Seltene „charmlose“ B Zerfälle Wir unterscheiden zwei Kategorien: Box Semileptonische (FCNC) und radiative Zerfälle (GF)2 verstärkt gegenüber loop-induzierten nicht radiativen Zerfällen  (GF )2 Empfindliche Sonden für neue Physik (SUSY, rechtshändige Kopplungen, ...) Bestimmung von |Vtd| und |Vts| Bestimmung von HQET Parametern Suche nach direkter CP Asymmetrie Hadronische b  u(d) Zerfälle Messung direkter CP Verletzung Bestimmung der UT Winkel  und  Test der B Zerfallsdynamik (Faktorisierung) Penguin Tree

Wie können wir relativ |Vub/Vcb|20 Wie können wir relativ |Vub/Vcb|20.01 unterdrückte b  u Zerfälle im De-tektor rekonstruieren ? B Untergrund ist sehr klein: background B  2b Selektion mit Event shape Variablen B  2b signal B  XC CMS track momentum e+e–  (4s)  BB B Zerfall (fast) in Ruhe Dominierender e+e–  qq Untergrund ist jetartig Kinematische Rekonstruktion: BABAR B  +– Typische Auflösung: s(mES)  2.5 MeV/c2 s(DE)  25 - 40 MeV

Semileptonische und Radiative B Zerfälle Bedeutende theoretische Unsicherheiten durch nicht-pQCD und Form Faktoren ! Kanal Experiment Theory (SM) (3.23 ± 0.41) 10–4 (ALEPH’99, CLEO’01 Belle’01) (3.7 ± 0.3) 10–4 (Hurth et al., Misiak) [–0.27,+0.10] at 90% CL (CLEO’01) < 1% (bs) ~ 10% (bd) (4.44 ± 0.35) 10–5 (BABAR’01, Belle’01, CLEO’01) (7 ± 4)  10–5 (Bosch, Buchalla) 0.08 ± 0.13 |Acp| < 0.01 (3.82 ± 0.47) 10–5 (BABAR’01, Belle’01, CLEO’00) –0.04 ± 0.08 < 0.5 10–6 at 90% CL (BABAR’01) (7.5 ± 2.5) 10–6 (Belle’01) (0.52.3)  10–6 (Ali, Parkhomenko) < 2.9 10–6 at 90% CL (BABAR’01) Leider kostet das Ersetzen von s durch d einen Faktor 20 in der Rate (im Standard Modell)

Semileptonische und Radiative B Zerfälle Das Verhältnis der B   Rate zu B  K* kann theoretisch sauberer vorhergesagt werden als die Einzelraten: Misst |Vtd|, wichtig für UT Winkel  Ali, Parkhomenko. Siehe auch: QCD FA Ansatz von Bosch & Buchalla Quelle (BR10–6) Ali, Parkhomenko 0.5 ± 0.2 0.9 ± 0.4 Bosch, Buchalla 0.8 ± 0.3 1.5 ± 0.5 BABAR < 1.5 < 2.8 Belle < 1.0 < 1.1 CLEO < 1.7 < 1.3 Grobe Abschät-zung der theo-retischen Un-sicherheit

Starke Phasen-differenz Seltene hadronische B Zerfälle und („direkte“) CP Verletzung im Zerfall CPV im Zerfall entsteht, wenn verschiedene Beiträge zur Zerfallsamplitude interferieren: Starke Phasen-differenz Zeitintegrierte Observable: Weak phase difference Für neutrale B’s konkurriert direkte CPV mit anderen CPV Formen

B  K und die Bestimmung von   Vortrag von Martin Beneke Interferierende Beiträge von tree und Penguin Amplituden Potential für signifikante direkte CP Asymmetrien CP gemittelte BRs und Messungen direkter CPV bestimmen den Winkel  Fleischer, Mannel (98) Gronau, Rosner, London (94, 98) Neubert, Rosner (98) Buras, Fleischer (98) Beneke, Buchalla, Neubert, Sachrajda (01) Keum, Li, Sanda (01) Ciuchini et al. (01) Liste bei weitem nicht vollständig ! Die theoretische Analyse behandelt: SU(3) breaking Rescattering (FSI) EW penguins Das Tool ist: QCD Faktorisierung...  Vortrag von Martin Beneke ... basierend auf Farbtransparenz: Grosse Energiefreigabe soft Gluonen wechselwirken nicht mit dem kleinen qq-bar Farbdipol des emittierten Mesons nicht-fakt. Beiträge sind in pQCD berechenbar Perfekt für mb . Korrekturen der Ordnung: (QCD/mb) Weiche Streuung Vertex Korr., Penguins Harte Streuung (pQCD)

Verzweigungsverhältnisse für B   /K Updated Belle (La Thuile’02) Updated BABAR (Moriond EW’02) CLEO 9.1 fb–1 BABAR 55.6 fb–1 Belle 29.1 fb–1 Welt- Mittelwert 5.4  0.7  0.4 5.1  1.1  0.4 5.17  0.62 17.8  1.1  0.5 21.8  1.8  1.5 18.5  1.0 < 2.5 (90%) < 0.5 (90%) 5.1  2.0  0.8 7.0  2.2  0.8 5.9  1.4 10.8  2.1  1.0 12.5  2.4  1.2 18.2  3.3  2.0 18.8  3.0  1.5 8.2  3.1  1.2 7.7  3.2  1.6 9.0  2.2 < 5.7 (90%) < 3.4 (90%) < 5.6 (90%) Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Die meisten seltenen Kanäle entdeckt.

Direkte CP Asymmetrien in K Kanälen BABAR BABAR Moriond’02 BABAR ACP(K+–) = – 0.05  0.06  0.01 ACP(K+0) = +0.00  0.18  0.04 ACP(K0+) = – 0.21  0.18  0.03 CLEO Belle Belle BELLE La Thuile’02 ACP(K+–) = – 0.06  0.08  0.08 ACP(K+0) = – 0.04  0.19  0.03 ACP(K0+) = +0.46  0.15  0.02 CLEO CLEO PRL 85 (2000) 525 ACP(K+–) = – 0.04  0.16 ACP(K+0) = – 0.29  0.23 ACP(K0+) = +0.18  0.24 -1 -0.5 +0.5 +1 Sind Annihilationsbeiträge wichtig? Weltmittelwerte Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Keine signifikante Abweichung von null. ACP(K+–) = – 0.05  0.05 ACP(K+0) = – 0.09  0.12 ACP(K0+) = + 0.18  0.10

Fleischer-Mannel und Neubert-Rosner Schranken FM bound:  keine Information NR bound + theoretischem Annahmen: Tree Penguin a) b)

BR(B   /K) & ACP & Theorie (BBNS) BBNS: Beneke, Buchalla, Neubert, Sachrajda, Nucl.Phys.B606:245-321,2001 Verglichen mit Standard CKM fit Theoretische Unsicherheiten: ms, mc, B, RK Renorm. scale  Gegenbauer moms: a1(K), a2(K), a2() F(B), fB XH, XA

sin(2eff) & Theorie (BBNS) Input: S & C & sin(2) BABAR (Moriond’02): S = – 0.01  0.38 C = – 0.02  0.30 & BBNS Input: S & C Input: S & C & sin(2)

sin(2eff) & Theorie (BBNS) Belle (Moriond’02): Interessante neue Messung von Belle (Moriond’02): Vorzeichen von C geändert (Konvention) ! Zoom Input: S & C Input: S & C

Reverso: sin(2eff , 2) & SM fit  Theorie Die Theorie liefert Tree und Penguin Beiträge und deren relative Phasen. Der globale fit bestimmt, unter Verwendung aller gemessenen Verzweigungsver- hältnisse und CP Asymmetrien (auch zeitabhängig), die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Hierbei werden auch die freien Parameter der Theorie (CKM Elemente) bestimmt. GR: Gronau, Rosner, Phys.Rev.D65:013004,2002 BBNS: Beneke et al., Nucl.Phys.B606:245-321,2001

Wo stehen wir heute ? Was bringt die Zukunft ?

Das Standard Model hält die Festung: Das Zentrum ken-nen wir mit relativ guter Sicherheit… aber es ist zu gross! Ein besseres Ver-ständnis von long-distance QCD öffnet uns die Türen zur vollen Ausbeute der grossen Datenmen-gen, die zur Zeit aus KEKB und PEPII quellen… ...und der ungeheu-eren Datenmengen, die am Tevatron und später (wann?) beim LHC auf uns zukom-men werden !

? ? Und in der ferneren Zukunft ? Vielleicht etablieren wir neue Physik bevor der LHC sie findet ??? Wird es noch einen Überlappbereich geben ? . Im Jahre 2010 brauchen wir einen Zoom, um den Überlappbereich noch zu erkennen... ? ?