Merenje faze narušenja CP simetrije u raspadu B s  J/ ψφ u ATLAS eksperimentu

1. Merenje faze narušenja CP simetrijeu raspaduBsJ/ψφu ATLAS eksperimentu TatjanaAgatonovićJovin Ivanka Božović Jelisavčić Institut za nuklearne nauke „Vinča“, Univerzitet u Beogradu XII Kongresfizičara Srbije, 28.04. - 02.05.2013., Vrnjačka Banja, Srbija

2. Kratak pregled • Uvod • Narušenje CP simetrije u sistemu neutralnog Bs mezona • Performanse ATLAS detektora • Potencijal ATLAS detektora za istraživanja u oblasti fizike B-mezona • Prikupljanje podataka u ATLAS eksperimentu u 2011 godini • Vremenska rezolucija u podacima od 2011 • Merenje narušenja CP simetrije u BsJ/ψφ kanalu raspada • Selekcija Bs  J/ψφ kandidata • Metoda analize • Rezultati • Zaključak Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

3. UVOD • Jedan od glavnih zadataka savremene fizike je da se testiraju ključna predviđanja Standardnog Modela (SM) • traganje za izvorom narušenja CP simetrije u SM • traganje za odstupanjima koja bi pružila dokaz za fiziku izvan SM (Physics Beyond Standard Model) • uspostavljanje veze između opaženog narušenja CP simetrije i onog potrebnog da se objasni barionska asimetrija • Najnoviji rezultati eksperimenata u oblasti B-fizike pokazuju da je kompleksna faza Kabibo-Kobajaši-Maskava matrice mešanja kvarkova (CKM) jedini izvor narušenja CP simetrije u SM • Analiza narušenja CP simetrije u ATLAS eksperimentu prezentovana u ovom radu izvedena je merenjem kroz indirektno narušenje CP simetrije u raspadu BsJ/ψφ • Poslednji eksperimentalni rezultati narušenja CP simetrije u ovom kanalu raspada u saglasnosti su sa predviđanjem SM Tatjana Agatonović Jovin • XII Kongres fizičara Srbije

4. Narušenje CP simetrije u sistemu neutralnog Bsmezona • Slaba interakcija menja aromakvarkova, pri čemu dolazi do njihovog mešanja u procesu raspada (flavour mixing) • Kao posledica, u procesu slabog raspada neutralnog B mezona dolazi do oscilacija između Bsmezona i mezona ( oscillations) • Narušenje CP simetrije u posmatranom kanalu raspada nastaje usled interferencije između direktnog raspada i raspada kroz mešanje i proporcionalno je faznoj razlici φs dve amplitude raspadaφs= φM− 2φD • U Standardnom modelu φsSM~φM • Doprinosfizikeizvan SM φs= φsSM+ φsNP predviđa veliki uticaj na narušenje CP simetrije u „zlatnom“ BsJ/ψφ kanalu raspada Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

5. Narušenje CP simetrije u sistemu neutralnog Bs mezona - Kvantno mehanički model • Vremenska evolucija Bs i mezona određena je Šredingerovom jednačinom: • Dijagonalizacijom Hamiltonijana dobijaju se dva svojstvena masena stanja sa svojstvenim vrednostima matrice mase: MH(L) i matrice širine raspada: ΓH(L) • Razlika svojstvenih vrednosti mase i širine raspadaobično se razmatra u svojstvu promenljivih, koje se definišu: Δm = MH– ML ≈ 2|M12| ΔΓ = ΓL– ΓH ≈ 2|Γ12|cos(2φs), where φs= φM− arg(-Γ12)  tiny, of order 1% φM= argM12; φM= arg(VtbVts*)2 Heff Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

6. Potencijal ATLAS detektora za istraživanja u oblasti fizike B-mezona • Velika stopa proizvodnje B-mezona na LHC-u • 1012 po god./eksp. tokom prve tri godine rada • Potencijal ATLAS detektora u programu B-fizike: • Precizna identifikacija tragova i verteksa raspada • Dobra identifikacija miona • Fleksibilna triger šema, brza identifikacija interesantnih događaja • Kalorimetrija visoke rezolucije • Loša kaon/pion separacija • Narušenje CP simetrije: • BsJ/ψφ raspad - „zlatni“ kanal raspada • Eksperimentalnoi teorijski povoljan uzorak • Omogućavamerenje parametara oscilacija Δm, ΔΓ, kaoi faze narušenja φs • Dobra vremenska rezolucija Bs mezona, neophodna suštinsko u merenju brzih oscilacja  50 fs-1 • Merenje φs veoma osetljiv test za fiziku izvan SM Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

7. Prikupljanjepodataka u ATLAS eksperimentu u 2011 godini • Snimljeni podaci u 2011  5.2 fb-1 • 3.651033 cm-2 s-1maks. trenutnaluminoznost • do 11sudarapodogađaju u proseku • Efikasnost prikupljanjapodataka: 93.7 % • Udeopodatakadobrogkvaliteta (GQD) > 93 % • U 2011, ATLAS-u koristi što je u mogućnosti da snimi skoro svu luminoznost prikupljenu od LHC-a, a sa povećanjem trenutne luminoznosti • Posebna pažnja posvećena na: • triger sistem optimizovan za B-fiziku • kvalitet rekonstrukcije verteksa Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

8. Vremenska rezolucija u podacima od 2011 i merenje vremena života Bs mezona ATLAS-CONF-2012-042 • Rezolucija primarnog verteksa važna je u analizi BsJ/ψφ raspada • U 2011. godini sa porastom pile-up događaja vršena je kontrola kvaliteta rekonstrukcije verteksa • Parametar sudara (IP) rekonstruisanih tragova (d0) u odnosu na primarni verteks za dva različita broja  proton-proton interakcija (u proseku) po 1 sudaru paketa protona (bunch-crossing) • Rezolucija (poluširina glavnog pika ) ostaje nepromenjena; potencijalna osetljivost u „repovima“ • Distribucija neodređenosti sopstvenog vremena po selektovanom BsJ/ψφ kandidatu - σt (ps)  • U 2011 ATLAS prosečna neodređenost vremena za Bs J/ψφ bila je 95 fs • Za svaki kandidat Bs mezona određeno je sopstveno vreme raspada u transverzalnoj ravni: JHEP12(2012) 072 Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

9. Merenje narušenja CP simetrije u Bs → J/ψϕ kanalu raspada • Rezultati predstavljeni u ovom radu dobijeni su analizom podataka prikupljenih u toku 2011 god. na ATLAS detektoru u proton-proton sudarima na LHC u sistemu centra mase od 7 TeV, a koji odgovaraju integralnoj luminoznosti od 4.9 fb-1 • Sistem neutralnog Bs mezona izučavan je putem vremenski zavisnog BsJ/ψφ raspada i ugaonih korelacija između čestica finalnog stanja • Narušenje CP simetrije u ovom raspadu nastaje usled činjenice da se svojstvena CP stanja nastala usled oscilacija raspadaju na polarizaciona stanja J/ψφ sistema neodgovarajuće CP parnosti • BsJ/ψφ je tip prelaza PS (spin-0)  VV (spin-1,spin-1) i rezultira mešavinom CP svojstvenih stanja sa vrednostima orbitalnog momenta impulsa: k L = 0,2 → CP parno sv. stanje  75 % L = 1 → CP nepano sv. stanje  25 %  BsJ/ψφ raspad opisan je pomoću diferencijalne stope raspada: Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

10. Bs→ J/ψϕ - Selekcija kandidata Selekcija ID tragova:  1 pogotka u Pixel detektoru i  4 pogotka u SCT detektoru Selekcija miona: tagged + combined mioni; nema selekcije po pT ; param. traga miona iz ID • Selekcija ϕ→ KK kandidata: • masa: 1009 < m(ϕ) < 1031 MeV • K± transv. impuls: pt > 1 GeV • Selekcija J/ψ→μμkandidata: • vertex fit χ/NDF < 10 • 3 različita opsega invarijantne mase: • BB: 2989 < m(J/ψ) < 3199 MeV • EB: 2944 < m J/ψ() < 3242 MeV • EE: 2827 < m(J/ψ) < 3357 MeV • zadržano 99.8 % događaja signala • Selekcija Bs kandidata: • verteks fit sva četiri traga, sa masom para miona ograničenom na PDG masu J/ψ • verteks fit sva 4 traga χ/NDF < 3.0 • masa: 5150 < m(Bs) < 5650 MeV • ukoliko je pronađen više od jednog Bs kandidata u događaju, zadržan je onaj sa najmanjim verteks fitom χ/NDF • Broj događaja Bs signal kandidata dobijen fitovanjem je 22690 ± 160 • Offlinepre-selekcija: bazirana na identifikaciji J/ψ→μμraspada, di-mion triger: • sa pragom od 4 GeV pT za svaki mion ili • asimetrična konfiguracija → sa pragom od 4-10 GeV pTza jedan mion i pT < 4 GeV za drugi mion • Prikupljeno je 90 % događaja primenom di-muon trigera Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

11. Fit funkcija, parametri i izmerene varijable • Parametri od značaja za ovu analizu određeni su primenom fita maksimalne verodostojnosti (Maximum Likelihood Fit) • Funkcija verovatnoće definisana je sa: • gde je N brojselektovanihkandidata, fsudeodogađaja signala, fB0udeo događaja B0 mezona fona, fbkgudeo događaja fona; Fsig, FB0, и Fbkgsu raspodele gustine verovatnoće - PDF koje modeliraju distribucije signala, fona koji potiče iz B0 raspada i svog ostalog fona, respektivno • Glavni parametri dobijeniovom fit metodom za opis BsJ/ψφ raspada su: • ϕs, Γs, ΔΓs , |A0(t)|2 , |AII(t)|2 , δII , δ , |AS(t)|2 , δS • Izmerenevarijable su: • mi , σmi- masa Bs mezona i njena neodređenost • ti, σti- sopstveno vreme raspada i njegova nedređenost • Ω(θ,ψ,φ) - uglovi u formalizmu transverzaliteta Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

12. ATLASBs → J/ψϕrezultati Simetrije • BsJ/ψφ PDF invarijantna nadtransformacijama: • {φs, ΔΓs, δ, δII, δS} → {π-φs, -ΔΓs, π-δ, -δII, -δS} • U untagged analizi invarijantnanadtransformacijama: • {φs, ΔΓs, δ, δII, δS} → {-φs, ΔΓs, π-δ, -δII, -δS}  [fourfold ambiguity] • Ograničavanjem vrednosti parametra δna rezultat dobijen tagged analizom u LHCb, zadržana je vrednost faze narušenja sa pozitivnim znakom • Takođe, isključeno je rešenje sa negativnom vrednošću ΔΓs , s obzirom na pozitivnu vrednost ΔΓsparametra određenu u LHCb eksperimentu Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

13. RezimeΓsiΔΓsmerenja: kombinovane konture Teorija: A. Lenz and U.Nierste, arXiv: 1102.4274 [hep-ph] • Likelihood konture u (1/Γs,ΔΓs) ravni • BsJ/ψφrezultati iz četiri eksperimenta merenjaipredviđanja SM zaΔΓsi1/Γs sa nivoom pouzdanosti od 68 % • Žuta traka je teorijsko predviđanjeΔΓs = 0.087±0.021 ps-1 • Rezultat ATLAS-a je konzistentan sa rezultatima ostalih merenja i sa SM Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije

14. Zaključak • U ovom radu prezentovano je merenje narušenja CP simetrije u raspadu BsJ/ψφu ATLAS eksperimentu upotrebom untagged analize • Merenje je izvršeno na uzorku koji odgovara integralnoj luminoznosti od 4.9 fb-1 podataka sakupljenih ATLAS detektorom tokom 2011. godine na energiji od 7 TeV u sistemu centra mase • Izmereno je nekoliko parametara koji opisuju Bs sistem uključujući srednje vreme života Bs mezona Γs, razliku širine raspada ΔΓs, amplitude raspada |A0(t)|2, |AII(t)|2i fazu narušenja CP simetrije φs • Merenjem faze narušenja CP simetrije φs u ATLAS eksperimentu u raspadu BsJ/ψφdobijen je rezultat koji je u skladu sa predviđanjem Standardnog Modelaφs je u okvirima od 1σ od očekivane vrednosti u SM • Dobijeni rezultati, posebno imajući u vidu da u ovom radu nije primenjena identifikacija kvarka u Bs mezonu - untagged analiza, pokazuju veliki potencijal ATLAS eksperimenta kada je reč o merenju narušenja CP simetrije u sistemima neutralnog Bs mezona Tatjana Agatonović Jovin XII Kongres fizičara Srbije