Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs-Zerfällen Helge Voss Einführung Bs Mischung und Mischungsphase der seltene Zerfall Bsmm CKM Winkel g DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Einführung LHC: pp@14 TeV “b-Fabrik” LHCb: spezielles B-Physik Experiment: volles B Hadron Spektrum (incl. Bs) CP-Verletzung CKM Matrix Tests seltene Zerfälle DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Das Universum, unendliche Weiten… Es ist fast leer. Aber nicht ganz… Zur Motivation: Das Universum ist fast leer: ..aber nicht ganz: following: Bigi,Sanda “CP-Violation” 2000 Das Universum, unendliche Weiten… Es ist fast leer. Aber nicht ganz… 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 Phasenübergang (Higgs-Feld) aber: Nicht gross genug .. O(10-19)  Neue Quellen der CP-Verletzung ? Die CKM-Phase alleine tut’s nicht DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Neue Physik und das “Flavour Problem” 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. K0-,D0-,B0 –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) DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss bb-Winkel- verteilung - LHCb: Ein-Arm vorwärts Spektrometer Akzeptanz: 15-300(250)mrad  Luminosität: 2·1032 cm-2s-1  1012 bb/Jahr (108 @(4S)) b b b b Pythia 100μb 230μb η of B-hadron PT of B-hadron Excellent vertex resolution particularly important for rapid Bs oscillations. Pi-K separation in particularly important for Bs->DsK (LHCb flagship) as main background here from B->DsPi (10 x larger branching fraction) (no CPV in B->DsPi would dilute the CPV in DsK if they were not separated) 15 mrad <  < 300 mrad(1.8<<4.9) Vertex- sowie Spur- und Impulsauflösung Teilchenidentifikation (Pion ↔Kaon) Trigger für leptonische und hadronische B-Zerfälle DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Der LHCb Detektor in Realität Kalorimeter Magnet RICH-2 Outer- Tracker Muon Stationen RICH-1 Muon Station VELO TT-Station Inner Tracker DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

LHCb Detektor Highlights: VELO Exzellente Vertex Auflösung: Silizium Detektor im Sekundärvakuum 8mm vom Wechselwirkungspunkt Schnelle Impaktparameter Bestimmung direkte r-j-Messung durch: konzentrische Ringe und radiale Streifen Auflösungen incl. der anderen Spurdetektoren: Impaktparameter: ~30mm Eigenzeit: ~40 fs B-Masse: 8-18MeV/c2 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

LHCb Detektor Highlights: RICH1/2 2 RICH Detektoren (vor/hinter dem Magneten) 3 verschiedene Radiatormaterialien: (Aerogel (n=1.03), C4F10 (n=1.0014), CF4(n=1.0005))  K-p Trennung im Bereich 2-100GeV ! Schematische Ansicht flacher sphärischer Spiegel Aerogel Rich1 C4F10 gas CF4 gas Rich2 Photon Detektor DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

LHCb Detektor Highlights: RICH rekonstruierte pp-Masse Bdp+p- mit p/p ID Wird die beste Teilchenidentifikation die jemals bei einem Hadron Collider erreicht wurde Kaon ID e = 88% bei p- mis ID von 3% RICH1 und RICH2  rekonstruierte hh-Masse Ohne Particle ID ! Bdp+p- BdK+p- rekonstruierte Kp-Masse BdK+p- Bsp-K+ mit p/K ID DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Bs Mischung(sphase) DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss CKM-Matrix schwache Eigenzustände  Masseneigenzustände W+ c s(d) Vcs (Vcd) CKM-Matrix: Nicht diagonal  Mischung ( z.B. B0  B0 ) Komplexe Phase  CP-Verletzung Wolfenstein Parametrisierung (O(l5) , l´≈0.2 : sin(“Cabibbo Winkel”) These flavour changing processes are described by the CKM matrix. This matrix is non-diagonal, hence relecting the fact that transitions between different generations are possible. This unitary matrix allows for one non-trivial complex phase, and that is how CP violation is realised in the SM. Such a phase can be visualised if the unitary relations of this matrix are drawn in the complex plane and result in a non-degenerate triangle as shown down here. ONLY in the particular choice of the re-phase (e.g. Wolfensteinparemetrisatio), Vtd and Vub are the only ones which carry phases. This is however a very natural choice, where Vud is demanded without phase DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Bs Oszillationen (Dms) W t Bs0 m(BH) – m(BL) = Dm = w Oszillations Frequenz ~ |VtsVtb*| Mischung: B0  B0 b Primärvertex n l- D0 tagging Zerfall: l-  aus b quark anderes b-quark war b  flavour spezifischer Zerfall des Bs0: verrät eindeutig ob es als B0 oder B0 Zerfallen ist “opposite side-” aber auch “same side tagging” finden Verwendung eeff = e(1-2w)2 = 7-9% (Bs) DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Bs Oszillationen (Dms) Bs Oszillation am Tevatron: LHCb Ausblick: CDF: 17.77±0.12ps-1 D0: 18.56±0.87ps-1 Simulation: (incl. Detektor) 0.5fb-1, Dms = 20ps-1 sstat(Dms) = 0.012ps-1 (0.5fb-1) Fehler wird voraussichtlich dominiert durch: Systematik auf Skala der Eigenzeit 140k Ereignisse/Jahr (2fb-1) Bbb/S < 0.05 @90%CL st ~ 40fs Referenze Kanal für BR Messungen DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Die Unitaritätsdreiecke multipizieren multiplizieren multiplizieren K0 System    Bd0 System “Das Unitaritätsdreieck” a g b Bd0J/yKs Bs0 System bs Bs0J/yf DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss BS0  J/yf Bs0 und Bs0 zerfallen beide in den gleichen Endzustand J/yF J/ c c b s W+ Bs0 F  zwei verschiedene Amplituden (mit und ohne Mischung Bs0 ↔ Bs0) mit verschiedenen schwachen Phasen interferieren  s s CP-Verletzenden Phasen J/ c c s t b s Bs0 W W Bs0 W- F b t s s DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Mischungsphase in BsJ/yf CP-verletzende Bs Mischungsphase: fsSM = 2bs Standardmodell fsSM=-arg(-Vts2) = -2l2h CKMfitter 2007: fsSM=-0.0368±0.0018 Zeitabhängige CP-Asymmetrie in Bs0J/y f misst genau sin(2bs) eine einzige schwache Phase kleiner Pinguin zusätzlich doppelt Cabibbo unterdrückt klein (~l2) genaue Vorhersage  genaue Messung ohne theoretische Unsicherheit Abweichung  “Neue Physik” fs und die Sensitivität auf “Neue Physik”: z.B. “Littlest Higgs with T-parity” (M.Blanke,A.Buras hep-ph/0703117)  deutlich grössere Phasen fsSM+fsNP  im Einklang mit derzeitigen Messungen Derzeitige Situation: bisher keine CP-Verletzung gefunden D0, Phys.Rev.D76(2007)057101 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Mischungsphase in BsJ/yf = 0 = sin(2s) keine “direkte” CP-Verletzung in Bs  J/  Zeitabhängige CP Asymmetrie: nun ist f ein Vektorteilchen: A0 , A|| (fCP gerade) A┴ (fCP ungerade)  Zerfallswinkelabhängige Analyse LHCb Simulation: ~131k Ereignisse/Jahr (2fb-1) B(bb) / S = 0.12  s(sin2bs) = 0.023 mit 2fb-1 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Weitere b  ccs Zerfälle Zeitabhängige CP-Asymmetrie  Eigenzeitauflösung! (Ereignisse generiert mit Detektorsimulation) Bs s(2bs) mit 2fb-1 J/yh(gg) 0.109 J/yh(rg) 0.080 J/yh(p+p-p0) 0.142 J/yh(hp+p-) 0.154 hc(4h)f 0.108 Ds+Ds- 0.133 Summe = 0.046 J/y(mm)F 0.023 0.021 BsCP-Eigenzustand Kombinierte Sensitivität nach 10 fb-1 (Fast Simulation) 10fb-1  s(sin2bs) = 0.009 SM: -0.0368 ±0.0018 zum Vergleich: Belle/Babar: sin2b = 0.681±0.025 (ccs) SM 0.800 [+0.020 -0.086] (Systematiken (Tagging, Auflösung) fehlen noch) DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Bs Mischungsphase und Pinguin DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

bsss hadronischer Pinguin „Goldener“ Pinguin: Bsf (K+K-) f(K+K-) reiner Pinguin Zerfall in CP-Eigenzustand SM: < 1% (Vts in Mischungs- und Zerfallsamplitude: Effekt “hebt sich auf”) b s g f (Bs0) Bs0 Neue Physik fNP  evtl. beobachtete CP-verletzende Phase + W- b s f g (Bs0) Bs0 t s s f s s ~3.1k Ereignisse in 2fb-1 mit B/S < 0.8 @90%CL Winkelabhängige Analyse: s(fs) = 0.1 (2fb-1)  s(fs) = 0.05 (10fb-1) DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Bsff Vergleich: 2bs aus BsJ/yf (bccs “Tree Diagramme) 2bseff aus Bsff (bsss “Pinguin Diagramm)  Neue Physik in fM (Mischung) oder fD (Zerfall) ? Versteht man die Extraktion der Phase aus den Pinguin Diagramm? Selbiges im Bd System bccs vs. bqqs (Penguin) >2007: Abweichung bis 2.8s 2007 : “naïve average” stimmt überein c2 des Fit schlecht DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Seltene Zerfälle DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Bsmm Äusserst seltener Zerfall im Standardmodell: BR(Bsm+m-) = (3.4±0.4) 10-9 Experimentelle Grenzen (90%CL): D0 : BR(Bsm+m-) < 7.5 10-8 @90%CL CDF : BR(Bsm+m-) < 4.7 10-8 @90%CL Präzisionsmessung  Eingrenzung des Parameterraumes z.B. im MSSM ähnlich wie bsg und gm-2 MSSM: BR(Bsm+m-) ~ tan6b  Mögliche grosse Effekte! SM b s t W m m u DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss g-2 vom Muon: 2.7s Abweichung von Standardmodell Dam=(25.2±9.2)10-10 Im “constrained MSSM” (mSugra): 250GeV<m1/2<650GeV  5 ·10-9 < BR(Bsm+m-) < 10-7 (4.7·10-8) 10-6 CDF limit BR(Bsm+m-) 10-7 [J.Ellis et.al, hep-ph/0411216] 10-8 10-9 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Bsmm Verbesserung der Grenzen von CDF und D0 ! 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 FIRST YEAR LHCb physics Limit erreicht Standardmodell Vorhersage oder 5s Messung von BR=10-8 0.5fb-1 Standardmodell Messung mit 3s 2fb-1 Standardmodell Messung mit 5s 6fb-1 ~3 Jahre DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss g from B0s  D±s K g aus B0s  D±s K im “Tree Graphen”! g =-arg(Vub) c Ds+ b c W- s u K- Ds+ sin(2bs) W+ s b u Bs0 Bs0 Bs0 K- s s sin(-2bs) 10fb-1: (-2bs) =±4.6º (DsK) () ≈ ±2.5º (alle Tree Graphen) (Schätzung) so oder aus B Oszillation damit könnte das Szenario für die g-Messungen irgendwann so aussehen: DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Ohne Fleiss kein Preis Aber nur die Ruhe! Verglichen mit wieviel “Verkabelung” und “Commissioning” da drin wohl noch vor September gemacht werden muss…  The Birdsnest: Olympia stadium Beijing DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Zusammenfassung 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 Bs-Mischungsphase lässt derzeit noch reichlich Platz für Überraschungen Finden wir endlich “Neue Physik” in Verzweigungsverhältnis von Bsmm ? Vergleich von g Messung aus “Tree” Prozess mit Loop Prozessen Komplementäre Suche nach Neuer Physik verglichen mit Atlas/CMS reiches B-Physik Programm LHCb can study many different B-meson decay modes with high precision particle identification capability excellent mass and decay-time resolution LHCb can fully exploit the large B-meson yields at LHC from the start-up flexible, robust and efficient trigger required luminosity of 2x1032 is low and locally tuneable LHCb detector will be ready for data taking in 2007 at LHC start-up detector production is on schedule installation of magnet is ongoing installation of detectors will start end of next year DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Backup Slides DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Grenzen für Neue Physik aus fs Constraints mit Dms Messungen Modellunabhängige Parametrisierung einer möglichen zusätzlichen Phase in der Mischung: >90% CL ss >5% CL >32% CL hep-ph/0604112v3 hs Nach 1 Jahr (2fb-1) LHCb ss hs DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Bsmm Potential zur Messung: (workshop on Flavour in the Era of the LHC) Atlas und CMS (30fb-1 = 3Jahre) LHCb (10fb-1 = 5Jahre) DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Spur Rekonstruktion Spurrekonstruktion: Effizienz > 95% (Spuren von B-Zerfällen die komplett in der Akzeptanz liegen) ~4% „ghosts“ (pT > 0.5 GeV/c) Ks+- > 75% (Zerfall innerhalb des VELO) Spurauflösungen: Impaktparameter ~30mm Impuls ~0.36% B-Rekonstrutionsauflösung: Eigenzeit ~40 fs Masse: 8-18MeV/c2 Effizienz vs. p ~95% dp/p vs. p 0.3 – 0.5 BsJ/yF 16 MeV/c2 (J/y-mass constraint) 8 MeV/c2 Bsmm 18 MeV/c2 BsDsp 14 MeV/c2 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss Trigger LHCb pp@ 2·1032 cm-2s-1  ~16MHz Ereignisrate mit ~100kHz bb Ereignissen _ pp-Wechsel- wirkungen je “Beam Crossing” L0: (Hardware) trigger 16MHz1MHz pile-Up Kalorimeter Muon High Level Trigger (HLT): (Software) 1Mz2kHz Rate Ereignistyp Physik 200Hz exclusive B-Zerfälle (Standardprogramm) 600Hz grosse mm-inv.Masse (b J/ X) 300Hz D* Kandidaten (charm Physik) 900Hz Inklusive b (z.B. bm) (“data mining”) L0 + HLT Effizienz: 30%-80% bezüglich “offline-Selektieren” Ereignissen DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss

g from B0s  D±s K c u g =-arg(Vub) Ds+ K- s W+ s W- b u b c Bs0 K- Messung von CP Verletzung mit der Phase im “Tree Graphen”! c u g =-arg(Vub) Ds+ K- s W+ s W- b u b c Bs0 K- Bs0 Bs0 Ds+ s s s s Ds-K+ tagged as Bs Ds+K- tagged as Bs 4 Zeitabhängige Messungen von Ereignissen “tagged” als 2 “untagged” Messungen  simultaner Fit in +fs, starke Phasendifferenz D und Amplitudenverhältnis |l| Bs0,bzw. Bs0 Ds-K+ tagged as Bs Ds+K- tagged as Bs (+fs) = ±4.6º (10fb-1) = ±4.6º |l| = ±0.027 ms= 20 ps1, s/s = 0.1,  =60º, T1/T2 = 0 DPG Frühjahrstagung, Freiburg, 3.-7. März 2008 Suche nach Neuer Physik bei LHCb mit Bs Zerfällen Helge Voss