Prova di ammissione al dottorato per l’anno 2005/2006

1. Prova di ammissioneal dottorato per l’anno 2005/2006 Candidato: Roberto Covarelli XIX ciclo

2. Riassunto attività e progetto di tesi • Tesi prevista: • Indirizzo: Fisica delle Particelle Elementari • Relatore: Dott. Maurizio Biasini • Esperimento: BaBar • Argomento: Misura della differenza dei rate di decadimento e della violazione di CP indiretta nelle oscillazioni B0B0 • Attività hardware: • Operation Manager camere a m • Attività analisi: • Violazione del numero leptonico in t  mg • Differenza dei rate di decadimento e violazione di CP indiretta nelle oscillazioni B0B0 (progetto di tesi)

3. L’acceleratore PEP-II a SLAC • PEP-II  acceleratore circolare elettrone-positrone funzionante a: E(e+) = 3.1 GeVE(e-) = 9.0 GeV  ETOT = 10.58 GeV Υ(4S) non viene prodotta a riposo Produzione di B simmetrica Produzione di B asimmetrica B B e- e- e+ e+ U(4S) (bb) U(4S) B B

4. Il rivelatore BaBar New: 2 sectors of Limited Streamer Tubes (16 layers) “backward” “forward” circa 273 milioni di eventi BB registrati fino ad oggi Previsioni: presa dati fino al 2008

5. La fisica di BaBar (I) • Principale obiettivo: misura della violazione della simmetria CP nel sistema dei mesoni B • Si può osservare in tre meccanismi distinti: • Violazione diretta (nel decadimento) – osservata solo in B0 Kp • Violazione indiretta (nel mixing B0B0) – mai osservata • Violazione dovuta all’interferenza tra processi di decadimento avvenuti mediante mixing o meno – misura diretta dei parametri della matrice CKM fCP = J/ KS  Af (Dt) = sin2b sin(DmDt)

6. “Flavor tagging” e,m o K 0 B tag Misura di Dt - analisi dipendenti dal tempo • Richiede una determinazione dei vertici precisa e priva di bias Dt ~ Dz /(bgc) (“approssimazione di boost”) Ricostruzione esclusiva

7. La fisica di BaBar (II) • La grande quantità di dati raccolta permette altri tipi di misure: • Misura dei lati del triangolo di unitarietà (esempio: |Vcb| e |Vub| da decadimenti semileptonici, |Vtd| dai “pinguini” b  sg) • Misura delle proprietà dei mesoni con charm prodotti da decadimenti dei B o da processi ISR  scoperta della risonanza DsJ(2317), spettroscopia del charmonio (Y(4260), 2005) • Studio di eventi a due leptoni (esempio: 245 milioni di eventi e+e- t+t- prodotti finora durante il periodo di presa dati  BaBar è un’ottima “t-factory”)

8. Attività: Operation Manager barrel • IFR (Instrumented Flux Return): è il rivelatore più esterno di BaBar,  rivelazione di m e di adroni neutri (KL). Equipaggiato con: • Resistive Plate Chambers per 4 settori delbarrele i 2endcaps • Limited Streamer Tubes per i restanti 2 settori del barrel • Compiti durante la presa dati: • Controllo parametri relativi al regime di funzionamento dei rivelatori (alta tensione, pressione e flusso del gas …) • Controllo parametri relativi alla presa dati (correnti residue, efficienza da eventi mm… ecc.) • Compiti duranti i periodi di spegnimento: • Manutenzione • Test dei rivelatori con raggi cosmici endcaps

9. Analisi: violazione del numero leptonico in t+ m+g • Risultati finali su 229.4 fb-1di dati • Selezione basata su tagli + • Metodo del likelihood ratio • Approccio con rete neurale • Limite superiore su BR(t mg) @ 90% C.L.: grande miglioramento rispetto a precedenti misure • Alcuni scenari SUSY prevedono valori molto vicini al limite superiore stabilito B. Aubert et al., Phys. Rev. Lett. 95, 041802 (2005) 2002 BaBar 2005

10. Progetto di tesi: differenza dei rate di decadimento e violazione di CP nel mixingB0B0

11. Formalismo del mixing • I mesoni B neutri possono dare luogo, nel tempo, a fenomeni di oscillazione (o “mixing”) dovuti a diagrammi “a box” al secondo ordine in gW2 • Metodo delle perturbazioni dipendenti dal tempo: ove: • Utilizziamo solo la proiezione sugli stati B0 e anti-B0: • Doppio vantaggio: • Non ci interessa né la forma di H né la natura degli stati finali (formalismo semplice) • Gli autovalori(complessi) di H ci danno simultaneamente massa e rate di decadimento degli stati fisici: sistema a riposo del B La probabilità transisce agli stati f con rate G

12. Autovalori e autostati di H • Calcolo degli autovalori: • Per mesoni con sapore b, si ha: quindi: • Gli autostati si scrivono: oppure con: effetto di anti-disaccoppiamento di quark t virtuali (presente solo in off-shell)

13. Violazione di CP nel mixing • Per definizione, l’operatore CP agisce su B0 e anti-B0 (mesoni neutri pseudo-scalari) come: • Allora, se CP fosse conservata ([H,CP]= 0): VIOLAZIONE DI CP NEL MIXING

14. Stime teoriche e misure di DG e |q/p| • DG/G: nel Modello Standard previsto (2.4 ± 0.6) x 10-3 (*). Limiti esistenti piuttosto deboli (incertezze di ~20%). • |q/p|: valore stimato dalla teoria |q/p| - 1 = (3.0 ± 0.7) x 10-4 (*) • Principale metodo di misura “dileptoni inclusivi” • Strategia di misura: si ricostruiscono inclusivamente solo i due leptoni (Btage Brec indistinguibili). • |q/p| si determina dalla grandezza: • Media dei diversi esperimenti:|q/p| = 1.0013 ± 0.0034 Il nostro approccio sarà invece una analisi dipendente dal tempo (*)Ciuchini, Franco et al.,JHEP0308:031 (2003)

15. Funzione di distribuzione dei tempi di decadimento • L’ampiezza totale per due mesoni B (Btage Brec)prodotti coerentemente allo stesso istante dipende solo dalla differenza fra i tempi di decadimento nei due stati finali fBtage fBrec: dove: • a+ e a- contengono la fisica dei due processi di decadimento, cioè le 8 ampiezze di Feynman e ugualmente per rec. • g+ e g-contengono la dipendenza dal tempo (probabilità di oscillazione) • In conclusione:

16. CF DCS - c u + Lato ricostruito e lato di tag • Brec: si sceglie il decadimento B0 D*- l+nl (è un autostato di sapore quindi la forma di a± è più semplice): • Btag: per aumentare la statistica disponibile si usa sia il “tagging” con leptone che quello con K : • leptone (e,m): la relazione precedente vale anche per il lato di tag • kaone: la relazione non vale a causa dei decadimenti Doppiamente Cabibbo-Soppressi

17. Funzione di distribuzione generica Parametrizzazione“ABC” : • = q/p r’ = 0 per tag leptonico

18. (p,r,a1) Btag e- e+ Breco l ν D* Ricostruzione di B0 D* l n • Sul lato ricostruito (D* l n) solo il leptone e il p da D*  D0p sono rivelati (tecnica di ricostruzione parziale). A causa del ridotto spazio delle fasi: • il p è praticamente collineare alla direzione del D* • l’energia del D* può essere ricavata da quantità cinematiche relative al p. • Con questa approssimazione si calcola la “massa mancante”(del neutrino): (B a riposo nel sistema della Y(4S)). (l) D • Per eventi di segnale ha un picco a0con una deviazione standard di circa 1.3 GeV2. (K) p

19. Accordo dati-MonteCarlo pmregione di massa pmbande laterali D* m n Mn2 livello di accordo ~ 2% Mn2 off-peak BB combinat. BB peaking D** l n D* l n ● dati pe regione di massa pe bande laterali  D* e n

20. Selezione di eventi • Tagli: • R2 < 0.5 (sfericità dell’evento) • pl rec > 1.4 GeV • 50 MeV < pps < 200 MeV • Pvtxp-l > 0.1% • cp-l > 0.4 (likelihood coppia) • |Dz| < 0.3 cm • 0 < sDz < 0.05 cm • qp = 90o • Per eventi con tag leptonico: • No. tracce nel vertice = 1 • Richiesta di un leptone di tag (1 elettrone conpe > 1 GeV or 1 muone con pm > 1.1 GeV, diversi dal leptone della coppia) • Eventi con tag di K non ancora indagati Likelihood della coppia pe,m Background Signal

21. Fit a Dt vero - tag vero non mixato positivo (+/-) non mixato negativo (-/+) • Nella generazione: • -tB0= 1.548 ps • - Dm = 0.489 ps-1 • k = |q/p| -1 = 0 mixato negativo (-/-) mixato positivo (+/+) Asimmetria  (+/+) vs. (-/-) non mixato vs. mixato

22. Distribuzioni reali di Dt • Le PDF reali devono tenere conto di (almeno) due effetti: • Risoluzione non perfetta nella determinazione dei vertici  convoluzione della PDF teorica con una funzione di risoluzione • Errata determinazione del sapore del Btag dovuta alla non corretta identificazione del leptone di tag (“mistag”). Modificazione delle PDF nel caso di tag leptonico:

23. Fit a Dt – MonteCarlo di segnale • Attraverso la verità MC si selezionano i leptoni di tag non provenienti da decadimenti secondari del B (es.: b  c  l) non mixato positivo (+/-) non mixato negativo (-/+) mixato positivo (+/+) mixato negativo (-/-)

24. Metodo di validazione del fit • Serie di esperimenti “toy-MonteCarlo” sono generati o con k fissato (il pull del valore fittato di k è usato in questo caso per validare gli errori di MINUIT) o con differenti valori di k (processo di generazione dell’asimmetria) • Il numero di eventi per categoria da generare è determinato in questo modo: • Il numero totale di eventi da generare è fissato (es.: Ntot, gen = 100000) • La frazione attesa per categoria f ±, ±gen è calcolata dall’integrale delle PDF con i valori generati di t, Dm, k, w … ecc. • I numeri effettivi di eventi per categoria da generare sono determinati da Poissoniane con medie uguali a f ±, ±gen ·Ntot, gen

25. Risultati della validazione Verità MC 50 esperimenti con -0.05 < kgen< 0.05 kfit vs. kgen Con mistag e risoluzione Pull = (kfit-kgen)/sk 50 esperimenti con kgen = 0

26. Fit totale al MonteCarlo generico • Il fit globale agli eventi MonteCarlo comprenderà sia la regione di massa che le bande laterali di Mn2 • 4 componenti della funzione di fit totale: • Segnale • B± “peaking” (decadimenti di B carichi risonanti, es.: B+ D*0 l+n) • BB combinatorio (sia B carichi che neutri) • Eventi off-peak (fondo da quark “leggeri” u, d, s, c) le cui frazioni f(Mn2) sono mantenute fisse nel fit a Dt e determinate da un precedente fit alla massa del neutrino tutto segnale B± peaking combinatorio off-peak non mixato mixato

27. Fit al fondo combinatorio non mixato positivo (+/-) non mixato negativo (-/+) B0 diretti B0 secondari B0 tag da D B+ diretti B+ tag da D mixato positivo (+/+) mixato negativo (-/-)

28. Conclusioni e progetto per il 2005/2006 • Analisi t  mg conclusa con pubblicazione (Phys. Rev. Lett., Maggio ’05) • Analisi violazione di CP nel mixing: • Completato fit a Dt nel segnale simulato e in molte categorie di fondo.Validazione del fit con la tecnica del toy MonteCarlo. • L’errore statistico atteso su |q/p| è 0.004 (0.0025) per la statistica raccolta nel periodo 2000-2004 (2000-2006) • Ottobre 2005-Gennaio 2006 • Completamento del fit su tutti gli eventi MonteCarlo e sui dati reali • DG libero nel fit • Febbraio-Ottobre 2006 • Determinazione degli errori sistematici sulla misura • Ripetizione del fit su eventi con tag di kaone • Scrittura tesi • Prospettiva di contributo alle conferenze estive 2006  pubblicazione