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Physics reach di LHCb

To b e or not to b e ?. Physics reach di LHCb. Marta Calvi Universit à di Milano Bicocca e INFN Milano Commissione Scientifica Nazionale I Frascati 4 Febbraio 2003. Scopi principali di LHCb. Sovra-determinare i parametri dei Triangoli di Unitariet à

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Presentation Transcript

  1. To be or not to be ? Physics reach di LHCb Marta Calvi Università di Milano Bicocca e INFN Milano Commissione Scientifica Nazionale I Frascati 4 Febbraio 2003 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  2. Scopi principali di LHCb • Sovra-determinare i parametri dei Triangoli di Unitarietà • Evidenziare segnali di Nuova Fisica • Distinguere tra diversi modelli oltre lo SM Misure di CP di precisione, con alta statistica Misure di CP in molti canali, anche in canali nuovi, non possibili altrove (es.Bs) Decadimenti del b rari Anche stati finali solo adronici e molti-corpi: Bd pp, BdD*p, . . . BdK* g, BdK*mm, . . . BsKK,BsDsK,BsJ/yf , . . . rapide oscillazioni del Bs necessità separazione K/p CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  3. Molte estensioni dello SM implicano nuove particelle nei diagrammi a loop  le misure di mixing e di alcune asimm. CP non forniscono direttamente il valore di lati ed angoli dei triangoli CKM. Una strategia risolutiva: · Misure di gindipendenti da eventuali contributi di NF nei diagrammi a loop come: Asimm. CP in Bs DsK e Bs J/yf g-2dg 2dg Asimm. CP in Bd D*p e BJ/y KS 2b+ g 2b · Misure di asimmetria in canali particolarmente sensibili a contributi di NF come: Bs J/yf, Bs K*mm , ecc. Necessari: Produzione Bs Alta statistica CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  4. pp @ 14 TeV 40 MHz L = 2x1032 cm–2s-1 Vantaggi della fisica del b ad LHCb Regolata localmente Rivelatore in avanti 1.9< h <4.9 sbb ~ 500 mb sbb / sinel.~ 0.01 1012 bb / annoconBd, Bs , barioni, Bc  alta statistica su diversi canali n= 0.4 inter. inel. vis. per bunch crossing  ricostruzione degli eventi più semplice · bb correlati spazialmente eb ~ 30 % · B ad alto momento: bg ~14 bgct ~7mm  separazione tra vertici produzione e decadimento  misura del tempo proprio favorita · Possibile uso di soglie in pT inferiori CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  5. LHCb: il rivelatore • Trigger dedicato, su vari stati finali (leptoni, adroni), adattabile (varie strategie) • Risoluzione di vertice e tempo proprio • Risoluzione in massa • PID: separazione K/p/p da RICH identificazione mda camere MU , e da Calorimetro Punti di forza: • 8 TDR già approvate: Magnete, VErtex LOcator, RICH, Calorimetro, Muon Detector, Outer Tracker, OnLine System Stato attuale: • Recente revisione della configurazione di alcune parti del rivelatore (non in discussione le tecnologie)  per Sett.03: “Detector Reoptimization TDR” e “Trigger TDR” • Riduzione del materiale davanti a RICH2 (da 0.60 X0 a 0.39 X0) • Ottimizzazione della strategia di trigger e di tracking Meno interazioni nel rivelatore Trigger livello-1 include la misura del momento CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  6. ~65 m2 VELO: 21stazioni (Rmin= 8mm) Si 220 mm, strips R e φ TT~1.41.2 m2 Si microstrips 3 stazioni Tracking IT : Si strips OT: straw tubes CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  7. Il Software di LHCb Simulazione realistica: • Interazioni pp multiple ed effetti di spill-over inclusi • Descrizione del materiale completa, dalle TDRs • Risposta dei rivelatori in dettaglio (efficienze, risoluzioni, rumore, ecc.), accordata sui risultati dei test-beam • Ricostruzione con patter recognition completo (mai si ricorre all’informazione originale del Montecarlo) • Pythia 6.2 accordato su dati CDF e UA5 • BR’s da PDG2002 • Produzione di dati MC con questa simulazione: • Produzione estate 2002: 3.6 M eventi presso 7 centri •  Primi studi di Fisica (solo alcuni canali) risultati preliminariusati per questa presentazione • Prossima produzione primavera 2003: ~ 15M eventi ( con sufficienti bb inclusivi per studio fondi ) •  risultati per le TDRs di settembre 1 M prodotti alla farm LHCb di Bologna-Cnaf 4-5 M saranno prodotti a BO (110 CPU) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  8. Tracking:simulazione di 1 evento con GEANT3 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  9. Diversi tipi di tracce ricostruiti con diversi algoritmi, in passi successivi Tracking • VELO tracks: ricostruzione vertice primario 31 % 5 % 36 % 14 % 14 % • T tracks : seeds e secondari <N tracce >= 74 ( evento bb ) • Long tracks (VELO+TT+T): la fisica del B • VELO TT: tracce di basso momento: riduzione fondo nel RICH, K tag, D*  D p, • TTT : recupera i  da KS decaduti dopo il VELO CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  10. KS long tracks BJ/yKS Risoluzione sul momento “Long” tracks: • e= 95% p>5 GeV/c • “ghosts” rate ~ 8% @ pT>0.5GeV/c • Parametro d’impatto: risoluzione tipica per tracce dal B: 20-40mm KS T-TT tracks B0J/y KS “TTT” tracks: • e = 75% • dp/p ~ 0.43 % m(pp) GeV/c2 m(J/y KS (pp)) GeV/c2 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  11. LHCb Trigger MU, ECAL, HCAL pile-up VELO, TT evento completo veto m, h, e, g con alto pT (~1-3 GeV/c) ~50k canali ~310k canali 4 ms latency 1 ms latency Input Livello–0Livello–1 HLT su nastro 40 MHz 1 MHz 40 kHz 200 Hz(12.4 MHz int. inel.) Livello-1 Vertici secondari da tracce con: · grande parametro d’impatto · alto p T match con Livello-0 misura di p T dalla curvatura delle tracce VELO TT nel campo magnetico CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  12. Efficienza di Trigger Efficienze per eventi di segnale ricostruiti e selezionati Efficienza Livello-1 BsDs-K+ Robustezza L1 verso molteplicità di tracce Tutti gli eventi · High Level Trigger ( sull’evento completo): studio in corso CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  13. Identificazione di adroni» Selezioni canali CP ampio spettro momento» Flavour tagging 3 radiatori in 2 RICH RICH 1 verticale Risultati da ricostruzione con pattern recognition completo, comprendente fondo schermo in Fe HPD’s aerogel <e(KK)>=88.% <e( K)>=2.7% 2<p<100 GeV/c specchi sferici specchi piani fuori accettanza Separazione K/p Pixel occupancy media <1% per evento CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  14. Identificazione di muoni ed elettroni Identificazione dim: <e(m m)>=86. % <e( m)>=1. % In eventi J/ym m bJ/y mm Identificazione di e: <e(e e)>=78. % <e(e)>=1. % In eventi J/y ee bJ/yee Identificazione di p0: studio in corso su diversi canali CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  15. Risoluzione su vertici e tempo proprio Vertici secondari: Vertice Primario e ricostruz.>98% sX , sY ~ 8.5 mm sZ ~ 47 mm score=16815 mm score=41831 mm BsDs-p+ Ds-K+K-p- Tempo proprio Bs0Ds-p+ score=425 fs Mixing Bs0 : Misura di Dms a 5s fino 48 ps-1 Esclusione al 95% CL fino 58 ps-1 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  16. Bs0Ds-p+Ds-K+K-p- Risoluzione in massa s(MDs) ~ 3.5 MeV s(MBs) ~ 12.6 MeV Fondo dagli altri decadimenti a 2 corpi di B0 , BseLb B0p+p- B0K+p- B0s K+K- purezza 92% purezza 96% purezza 98% s(MB) ~ 18 MeV/c2 (dominata dalla risol. sul momento) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  17. Event yieldsuntagged L= 2x1032 cm–2s-1 1 anno = 2 fb -1 • L’ efficienza comprende: • Accettanza geometrica: normalizzazione a 4p • Pile up atteso (eventi con qualunque numero di interazioni) • Efficienza di trigger: Livello-0 + Livello-1 (con output rate fissata) • Efficienza di rivelazione, effetti di interazioni nel materiale • Efficienza di ricostruzione (tracking, calorimetri, PID con pat.rec. completo) • Efficienza di selezione off-line (ricostruzione stati finali e reiezione fondo) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  18. Tagging NON compreso nelle efficienze quotate LHCb TP: e= 0.40 D= 0.40 eD 2 = 6.4% studi preliminari sul nuovo MC danno un valore simile S/B Studi preliminari indicano livelli di S/B simili a quelli quotati nella TP. Fondo fisico, con topologia simile al segnale, rigettato da tagli su PID e m(B) La statistica di eventi inclusivi disponibile oggi (106 bb) non consente di determinare con precisione il livello del fondo combinatorio, cosa che verrà fatta con la prossima produzione MC per la TDR. usando SOLO e, m, K dal decadimento del b opposto a quello di segnale Altri metodi che saranno aggiunti: Bs tag con K “same side” Bd tag con p “same side” Analisi in corso jet charge CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  19. Reiezione del fondo combinatorio esempio: B0d p+p- • Fondo combinatorio dominato da eventi bb • Rigettato completamente, anche rilasciando i tagli su m(B) • Il contributo di tracce mal ricostruite resta trascurabile S/B>1 (TP~1) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  20. g da B0s D-s K+ , D+s K- • Necessari: • Trigger adronico • Separazione K/p • Buona risoluzione in tempo proprio • Dalla misura di 4 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava g-2dg (e 2dg fissato da B0sJ/yf) • 2 ampiezze albero di ordine simile (3) : asimmetrie grandi, contributi di NF poco probabili • Fondo importante da Dsp Sensitività in g è funzione di: rapporto delle ampiezze Differenza di fase forte Valori di g, Dms , DGs /Gs Per Dms=20 ps–1: s(g) ~ 10o In 1 anno: 3200 eventi B0dDsK triggerati, ricostruiti e taggati CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  21. dg da Bs0 J/y f • SM prevede fS = 2dg = 2l2h ~10-2 • Sensibile a contributi di NF nel mixing Bs0-Bs0 In 1 anno: 43.6 k eventi Bs0 J/y (m+m-) f 7.6 k eventi Bs0 J/y (e+e-) f Triggerati, ricostruiti e taggati BsJ/yf non è stato finale di CP definita: necessario fit a distribuzioni angolari dei prodotti di decadimento e vite medie score=36±1 fs Misura di DGs : s( DGs/ Gs) ~ 0.03 per DGs/Gs =0.15 Per Dms=20 ps–1: s (2dg) ~ 3o CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  22. Necessari: • Trigger adronico • Separazione K/p • Buona risoluzione in tempo proprio g daB0d p+p-eB0s K+K-(propostoda R. Fleischer ) • Fit di ACP(t) = Adircos(mt) + Amixsin(mt) per B0d p+p-e B0s  K+K- • Basato sullasimmetria di “U-spin” (ds): unica fonte di incertezza teorica • Misura di g se dg fissato da BsJ/yf e b fissato da B J/yKs • Sensibile a contributi di NF che possono essere evidenziati dal confronto con g da DsK Bp+p- No RICH In 1 anno: 10.8 k eventi B0d p+p- 14. k eventi B0s K+K- Triggerati, ricostruiti e taggati With RICH • Adir, Amix ~  0.05 • s(g) ~ 3o • per ms =20 ps-1 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  23. Mesoni Bc mBc= 6.4 0.4 GeV tBc~ 0.5 ps s( ppBc) ~300 nb •  109 Bc/ anno Possibili: • Misure di precisione su massa, vita media • Misure di CP con Bc J/yD, Bc  DsD, DD ecc. • Accettanza in LHCb ~30% Studio preliminare Bc  J/y p (BR ~10-2) e ~ 2% 12 k eventi/anno Fondo da b J/yX e prompt J/y ridotto da tagli su distanza vertice primario-vertice Bc M( J/y(mm) p) GeV/c2 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  24. Decadimenti rari: B0 K0*g g W b u,c,t s • BR(B0 K0*g )=(4.30.4) x10-5 • Violazione di CP diretta nello SM<2%  Sensibile a contributi di NF In 1 anno: 20 k eventi B0 K0* (K+p-) g triggerati e ricostruiti Risoluzione in massa ~80 MeV Fondo B0K*p0 rigettato grazie a diverse elicità K* CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  25. Physics reach LHCb 1 year (2fb–1) In blu se relativi alla TP CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  26. Sistematiche nelle misure di CP Possibili fonti di errori sistematici: • Efficienze del rivelatore dipendenti dalla carica possono indurre false asimmetrie possono falsare il mistag • Fondi con asimmetrie di CP  0 • Asimmetria nella produzione di b e b • Runs alternati cambiando il segno del campo magnetico (magnete caldo) • Uso di campioni di controllo disponibili con alta statistica: Bd0 J/y K* 600k eventi/anno B  J/y K 600k eventi/anno Bs0 Dsp 72 k eventi/anno • Studio delle asimmetrie CP negli intervalli di massa adiacenti il B CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  27. Event yields untagged (107s)confronto* con BTeV * CAVEAT: per LHCb sono risultati di simulazione e pattern recognition completi, BTeV usa anche Mcfast e rivelatore a livello “ideale” CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  28. Conclusioni • LHCb è il rivelatore dedicato in grado di effettuare misure di fisica del b in molti canali fin dal primo giorno di funzionamento di LHC • Le prestazioni del rivelatore, nella riottimizzazione attualmente in corso, sono al livello di quelle indicate nella TP, ma valutate ora con un Montecarlo realistico e completo. • LHCb fornisce ampie possibilità per evidenziare eventuali contributi di fisica oltre il Modello Standard “Very likely the CKM mechanism is the dominant source of CP violation in FC processes ... but rather large corrections are still possible in ms , in CP asymmetries in Bs decays, and in CP asymmetries related to bsss transtions” (Y.Nir, plenary ICHEP02) Hamlet: “ There are more things in heaven and earth , Horatio, then are dreamt of in your phylosophy” (Act I,scene V) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  29. Back-up Slides CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  30. LHC(IP8) Tevatron s 14 TeV2 TeV sbb500 mb100 mb sinelelastic 80 mb50 mb L (cm–2s-1) 2 x10322 x1032 W bunch crossing40 MHz 7.6 MHz t bunch spacing 25 ns132 ns sz regione luminosa 5 cm 30 cm <ninterazioni pp inel./bco >0.4 2 LHC vs Tevatron >2006 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  31. BR’s utilizzati  CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  32. Molteplicità cariche s=14 TeV, 1.8< h <4.9 calcolate con PYTHIA 6.2 (pTmin delle collisioni pp determinato dal fit dei dati UA5 e CDF a diverse energie) LHCb standard: <N(bb)>= 33.9 <N(Min.bias)>=21.3 LHCb (pTmin=pTmin-3s): + 26% +19% CDF 2002 Tuning: -20% CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  33. Robustezza deltracking • Dipendenza dell’efficienza dalla moltiplicità “relativa”: • 1 NVELO NIT NOT • Nrel= - ( ----- + ---- + ---- ) • 3 <NVELO> <NIT> <NOT> • Debole anche la dipendenza da: • numero di interazioni • efficienza di IT e OT Nrel CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  34. Trigger Livello-0: pile up veto Per L = 2x1032cm–2s-1@ 40MHz (30 MHz effettivi) 9.3MHz bco con 1 interazione, 3MHz >1 interazione Pile-up veto4 piani Si strips -4.2<h<-2.9 Scopo: ridurre il numero di eventi con >1 interazione per facilitare ricostruzione del vertice primario, B flavour tagging ecc. • Misura posizione e molteplicità di 2 vertici di interazione • Rigetta eventi con >2 tracce provenienti dal 2o vertice • Nessun taglio su eventi con 2m con pT sopra soglia CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  35. RICH 1 evento “tipico”: RICH 1 Fotoelettroni da tracce fisiche Fotoelettroni da fondo (principalmente secondari) RICH 2 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  36. Trigger Livello-0: pileup veto (2 stazioni) Livello-1: vertici secondari • Tracker VErtexLOcator • 21 stazioni, dentro il tubo a vuoto 8 mm<R< 42 mm dal fascio • Si strips: 220 mm n-on-n double metal layer, risoluzione ~6mm • Strips segmentate in R e j • Irradiazione massima: ~1.3x1014 neq/cm2/anno • ~200 k canali • Occupazione: sempre <1% CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  37. Calorimetri • PreShower (scintillatore+Pb+scintillatore) 2X0 • ECAL (Pb+scintillatore “shashlik”) 25X0 s(E)/E=10 % /E1.5 % • HCAL (Fe+scintillatore) 5.6 lint s(E)/E=80 % /E10 % Ricostruzione di p0 Purezza ~20% per 0.1<m <0.17 GeV/c2 CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  38. s (2b + g) in degrees 1 year 5 years Not updated • Necessari: • Alta statistica • Trigger adronico g da B0d D*-p+ , D*+p- • Dalla misura di 2 asimmetrie CP dipendenti dal tempo ricava 2b+ g e Dstrong (e 2b fissato da J/yKS) • Effetto piccolo di interferenza tra 2 decadimeti albero con o senza mixing: indipendente da effetti di NF nel mixing Assumendo il rapporto delle ampiezze |x| =0.02 e Dstrong= 0 Ricostruzione esclusiva: ~ 73 k eventi/anno S/B ~ 5.6 Ricostruzione parziale ( p lento): ~ 460 k eventi/anno S/B ~ 4.4 triggerati ricostruiti e taggati s(g) ~ 10o 10% errore su |x| 0 errore Dipendente da 2b+g e Dstrong 2b+g (degrees) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  39. Not updated a daB0d rp La misura di a da Bd0 p+p- è affetta da incertezze dovute al contributo dei diagrammi a pinguino. L’ analisi completa del decadimento a tre corpi ( analisi dipendente dal tempo del Dalitz plot) B0d( r+p-, r-p+, r0p0) p+p- p0 permette di estrarre a ed i termini albero e pinguino M(p-p0) In 1 anno: ~1200 eventi B0d r+p-, r-p+ ~100 eventi B0d r0 p0triggerati, ricostruiti e taggati s(M)~35 MeV (con p0 constr.) Sensitività prevista: s(a) ~5o-10o M(p+p0) CSN1 Frascati, 4 Feb 03

  40. Not updated |Vtd|/|Vts| da B  Xs,dm+ m - BR(B m+m- Xd ) |Vtd|2 BR(B  m+m- Xs ) |Vts|2 · Regione delle risonanze J/y e y esclusa · |Vtd|/|Vts| con incertezza teorica O(1%) (A.Ali,G.Hiller) · ~ 16 k eventi/anno B,B0 m+m- Xs S/B~15 0.6 k eventi/anno B,B0 m+m- Xd S/B~1 Errore relativo su |Vtd|/|Vts| ~11% (assumendo |Vtd|2/|Vts|2=1/30) Con alta statistica metodo competitivo con Dmd/ Dms CSN1 Frascati, 4 Feb 03

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