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Stefania Vecchi INFN Bologna

Ricerche di nuova fisica nei decadimenti del B: esperimenti in corso e prospettive di ricerca a LHCb. Stefania Vecchi INFN Bologna. Sommario. I decadimenti rari dei mesoni B: processi FCNC SM solo diagrammi loop (pinguini radiativi, pinguini semileptonici e leptonici puri): BF<~10 -5

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  1. Ricerche di nuova fisica nei decadimenti del B: esperimenti in corso e prospettive di ricerca a LHCb Stefania Vecchi INFN Bologna Stefania Vecchi - INFN Bologna

  2. Sommario • I decadimenti rari dei mesoni B: processi FCNC • SM solo diagrammi loop (pinguini radiativi, pinguini semileptonici e leptonici puri): BF<~10-5 • Calcolo preciso delle ampiezze LL+NLL (NNLL) (decadimenti inclusivi) • Sensibili a effetti di NP (scambio di particelle super-simmetriche): • Effetti su BF, distribuzioni cinematiche e ACP dirette e nel mixing • (evidenza indiretta)  limitazioni ad alcuni parametri e modelli SUSY • Ottimo banco di prova per il MS e per la ricerca di NP (complementare agli esperimenti di scoperta) • Approccio model-indepenend per la determinazione dei Coefficienti di Wilson • Confronto con SM per migliorare la determinazione VCKM • Rassegna dei dati sperimentali • Prospettive di misura a LHCb Stefania Vecchi - INFN Bologna

  3. Decadimenti radiativi b  s(d)(Radiative penguin) • b  s(d) inclusivi: B  Xs(d) • teoricamente calcolabili • Selezione sperimentale difficile (fondi, spettro )  B factories • b  s(d) esclusivi: canali specifici • Teoricamente meno precisi (fattore di forma) • Selezione sperimentale più facile, statistica limitata • Previsioni Teoriche BF, ACP, Polarizzazione Stefania Vecchi - INFN Bologna

  4. Misure inclusive B Xs • Sperimentalmente:Possibile solo alle B-Factories (vincoli cinematici e chiusura dell’evento) • ricerca di un fotone energetico E>1.6 GeV • Grossa contaminazione di  di fondo (ISR o decadimenti di 0) • vari metodi per ridurre il fondo (lepton tag B opposto BaBar) + sottrazione di eventi off-resonance) • Selezione semi-inclusiva (B K[n]meno fondo, più incertezze dovute ai modi mancanti, meno statistica • Teoricamente: • SM calcoli precisi (NLO) • BF(B Xsdipende dal coefficiente di Wilson |C7|; • Il suo valore può porre limiti sui parametri di alcuni modelli di NP • Necessita di un modello fenomenologico per tenere conto dello spettro del fotone (moto del quark b nel mesone) adattato su decadimenti semileptonici • ACP: evidenzia fasi extra al SM nel loop b s Stefania Vecchi - INFN Bologna

  5. Branching Fractions (unità10-6) inclusivo Semi-inclusivo CLEO E>2.0GeV E>1.8GeV E>2.24GeV 16 canali E>1.9GeV Lepton TAG E>1.9GeV38 canali ≈55% Media E>1.6GeV NPB 611 (2001) 338 NPB 631 (2002) 219 SM (NLO) I risultati sono in perfetto accordo con SM (NP???…) Stefania Vecchi - INFN Bologna

  6. Lunghi, hep-ph/0210379 Phys.Rev.D66 (2002)034002 NP SM R8=C8NP/C8SM R8C8NP/C8SM =MW =2.5GeV R7=C7NP/C7SM R7=C7NP/C7SM Approccio model-independent per descrivere il contributo di NP (hp: C7, C9,C10) : Vincoli imposti dal BF(b->s) limitano R7 e R8 Punti: MFV SUSY. NB: il segno di C7 (A7) non è determinato! La regione permessa pone vincoli su C7 e indirettamente sulle masse di stop o Higgs Il conoscere segno di C7 è determinante Stefania Vecchi - INFN Bologna

  7. Spettro energetico  fondi CLEO A livello di quark E=(E-mb/2); il moto del b nel B + gluon emission determina lo spettro osservato (non dipende da contributi NP) La misura dei momenti della distribuzione permette la determinazione di mb e il suo moto. mb = (4.59 ± 0.04) GeV (b mass in B) 2 = (0.40 ± 0.04) GeV2 (b momentum squared in B) Questa informazione puó essere usata per migliorare le misure di |Vcb| e |Vub| dai decadimenti SLhep-ph/0507253 Stefania Vecchi - INFN Bologna

  8. Asimmetrie di CP dirette SM ACP ≤0.5% Alcuni modelli NP ACP ~10% senza influenze sul BF CLEO Semi-inclusivo (pseudo-reconstruction Xs) 12 canali esclusivi self-tag Lepton-tag Media HFAG hep-ph/0312260 “Untagged” particolarmente utli prova di ZERO per SM SM Stefania Vecchi - INFN Bologna

  9. Effetti di NP Scan sui parametri di SUSY Con vincolo su EDM n,e Nessun effetto lo rende distinguibile da SM MFV Effetti <2% su ACP Stretta proporzionalita’ MFV + extra phases hep-ph/0312260 Le previsioni teoriche su ACP dipendono fortemente dalle assunzioni sul settore della rottura della Super Simmmetria. MFV con eventuali sorgenti aggiuntive di CP violation (fasi-extra) Scan sui parametri di SUSY Con (senza) vincolo su EDM n,e I modelli MFV non introducono grossi effetti misurabili ==> General FV scenario Stefania Vecchi - INFN Bologna

  10. Approccio model-independent (GFV) con input sperimentale BF(b->s) possibilità di introdurre effetti di NP indipendentemente sul flavour s/d C7,8 NP incide solo su Cs7,8 Ammette anche ACP~10% Forte correlazione GFV NP incide solo su Cd7,8 piccoli effetti sulla asimmetria untagged Una precisa misura di ACP(untagged) consente la discriminazione fra modelli MFV e GFV Stefania Vecchi - INFN Bologna

  11. Misure esclusive b s • Sperimentalmente: • La ricostruzione dello stato finale permette migliori risoluzioni e maggiore soppressione del fondo rispetto al canale inclusivo (possibile anche alle macchine adroniche) • Problema:STATISTICA • ricerca di un fotone energetico E>1.6 GeV • Teoricamente: • Stime piú difficili dei BF e meno precise (20%)(miglioramenti con metodi analitici e LatticeQCD). Punto debole: Fattori di forma • Rapporti di BF (canali CP coniugati / in relazione di Isospin/ canali diversi) • ACP: si fattorizzano le incertezze teoriche: NP può originare anche grosse asimmetrie Stefania Vecchi - INFN Bologna

  12. BF di modi esclusivi + Recenti misure di BaBar: Circa il 40% dei modi inclusivi Stefania Vecchi - INFN Bologna

  13. Risultati in accordo con SM Promettenti i canali B(K)perché sensibili (interferenza) alla polarizzazione del: SM LH polarization (<10% RH da QCD) NP PRL 88 (2002) 051802 Analisi ancora preliminare (soli BF) Statistica limitata!! SuperBFactory/LHCb ?? Stefania Vecchi - INFN Bologna

  14. Asimmetrie BaBar -0.21±0.40 ±0.05 Belle 0.01±0.52 ±0.11 -0.06 ±0.37 BaBar Belle 0.08±0.41 ±0.10 Violazione di CP diretta Accordo con le previsioni SM (≈1-2%) Asimmetrie di isospin (BK0*/B+K+*) Accordo con le previsioni SM (≈5-10%) ACP dipendenti dal tempo SM prevede b sLHprevalente. Nel mixing i due stati di polarizzazione ortogonali non interferiscono: AmixCP~-2(ms/mb)sin21~-0.06sin21 NP potrebbe alterare le polarizzazioni e AmixCP Stefania Vecchi - INFN Bologna

  15. bd Transizione soppressa di |Vtd/Vts|2≈0.04 rispetto a bs Contribuiscono diagrammi a loop + annichilazione Effetti di NP potenzialmente ancora più visibili A causa del fondo elevato sono possibili solo misure esclusive di alcuni canali =0.85 ±0.10 Rapporto di FF R=0.1 ±0.1 SU(3)-breaking factor Stefania Vecchi - INFN Bologna

  16. Decadimenti radiativi bsl+l– (semi leptonic penguin) • Ottimi canali per lo studio FCNC con alta precisione • Nuova sorgente di osservabili cinematici utili per il test della teoria (complementare ai rate bs): m2l+l- ,,ACP,AFB(e il suo Zero) permettono informazioni sull’interazione a corto raggio (Coefficienti Wilson) • SM: processo dipende dagli operatori Q7 (em), Q9 (sl vettoriale),Q10 (sl vettore assiale) • Calcoli a NLL (precisione <10%) e NNLL • Forte sensibilità a fenomeni di NP nell’asimmetria FB • Problema: statistica. Decadimenti molto rari BF~10-6 • Prime misure alle B-Factories Stefania Vecchi - INFN Bologna

  17. Misure (semi)inclusive BXsl+l – SM –C7 (NP) T.Goto et al. PRD 55 4273 (1997) Le diverse regioni di massa sono pesate in modo diverso dai Ci. Sensibilità anche al segno C7-C9 attraverso l’interferenza Previsioni SM del BF e dello spettro di massa l+l- : possibili in regioni lontane dai contributi risonanti di ccbar. Per ridurre le incertezze teoriche AFB, m2(l+l-) e i BF sono riferiti al canale semi leptonico: BXcl+v Stefania Vecchi - INFN Bologna

  18. Vincoli sui coefficienti di Wilson C7>0 C7<0 C10NP C10NP C9NP C9NP misure semi-esclusive • Le misure sperimentali di BF(B->Xs) e BF(B->Xsll) nonché il valore parziale nell’intervallo 1<q2<6GeV2 possono essere combinate. • Approccio model-independent se NP non introduce nuovi diagrammi si ricavano limiti sui coefficienti C7TOT, C9NP, C10NP. • BF(B->Xs) pone dei limiti su |C7TOT| Gambino & al PRL 94 061803 (2005) SM=(0,0) C7<0 MFV MSSM Sfavoriti i modelli che prevedono C7= –C7MS e C9, C10 invariati (MSSM MFV big tan light stop) - Stefania Vecchi - INFN Bologna

  19. Misure esclusive BK(*)l+l – Canali estremamente rari. Previsioni SM affette da incertezze ~30% f.f. • Con statistica sufficiente diventano importanti TEST di asimmetrie: • ACP • RK(*) = BF(K(*))/BF(K (*) ee) • SM previsioni precise 0.01% (~0.2%) • NP puo’ introdurre grosse deviazioni O(10%) es. MSSM con nuove sorgenti di LFV Rapporto in relazione con BF(Bs) (vedi slide n.25) Stefania Vecchi - INFN Bologna

  20. Asimmetria FB Goto &al Phys. Rev., D 55 (1997) 4273 AFB e’ determinata dall’interferenza tra l’ampiezza C10 (vettore assiale , Z, W -QCD free) con C7, C9 (vettoriale). Lo ZERO di AFB definisce il segno di Ceff7/Ceff9 SM q02=4.2 ±0.6 GeV2 (NNLO) TEST importante di SM/NP Misure in canali esclusivi B+K+l+l– canale di controllo: AFB=0 (anche con NP) Stefania Vecchi - INFN Bologna

  21. A10/A7 ＳＭ A9/A7 SM Risultati in accordo con SM. Esclusi alcuni scenari di NP (A9xA10>0) Ai diversa parametrizzazione dei Ci Escluso SM q2<8 GeV2 al 98%CL. Esclusi alcuni scenari di NP (A9xA10>0) Stefania Vecchi - INFN Bologna

  22. Decadimenti leptonici puri Bl+ l- SM: Q10 • Teoria: decadimenti leptonici puri Bl+ l- sono processi FCNC • SM: • proibito al Tree-level può avvenire con 1 loop (penguin/box) • soppresso per elicità • Nell’approccio OPE dipende solo da Q10. Calcoli dei contributi a corto raggio semplici (correzioni QCD piccole) • BF(Bd->m+m-)=|Vtd/Vts|2BF(Bs->m+m-) se NP non introduce nuove sorgenti di FV • NP può contribuire aumentando notevolmente il BF: • MSSM: BF~(tan)6/mA4 fattore 100 • Rapporto Bd/Bs utile per discriminare fra diversi modelli • Indicazioni su 2HDM, mSUGRA,SO(10) GUT, Rp violating models • Sperimentalmente molto difficile: • statistica, PID, controllo dei sistematici (blind analyses) Stefania Vecchi - INFN Bologna

  23. Decadimenti leptonici B(s)l+l– Ancora lontani dalla misura: solo CL (90%) Eccezione: CDF in Bs  +–si sta avvicinando al valore dello SM Soppressione di elicità 780 pb-1 Difficilissimo Stefania Vecchi - INFN Bologna

  24. Polesello G.// Workshop Flavour Physics @LHC 11/05 BF(bs 1 BF(Bs hep-ph/0204225 MSSM Zpenguin tan=50 tan=60 Stefania Vecchi - INFN Bologna

  25. Analisi model-independent Esclusa da CDF Esclusa da CDF Esclusa da CDF Esclusa da CDF RK* RK* RK RK BF(Bsx BF(Bsx BF(Bsx BF(Bsx Il BF(Bs può essere messo in relazione con gli altri processi FCNC finora visti: bs, bsll, AFB,RK, RK* Con un approccio Model Independent, estendendo la base degli operatori per includere transizioni MSSM, si possono ricavare i limiti sui Coefficienti di Wilson e/o scartare modelli. hep-ph/0310219 Misurare R al 10~5% può essere utile molto utile Stefania Vecchi - INFN Bologna

  26. Decadimenti leptonici: B+t+nt Non è raro, non è FCNC…ma…. Assumendo i valori fittati di VCKM e calcolati di fBsi pongono limiti ai parametri di SUSY Stefania Vecchi - INFN Bologna

  27. Prospettive di misura a LHCb • Abbiamo visto quante grandezze se misurate con maggiore precisione possono contribuire a test più stringenti del SM e a porre dei vincoli sui parametri di NP. • Dal punto di vista sperimentale occorrono: • Statistica (Trigger, accettanza) • Reiezione del fondo • Precisione di misura (masse invarianti, particle ID) • Controllo dei sistematici • LHCb: ottimizzato per lo studio della fisica del B • 1012 coppie bbar in un anno in accettanza (misure con Bd, Bs, b) • Trigger per la selezione dei decadimenti del B (IP) + di-muon trigger • Eccellente PID (/K/e/ ) • Risoluzioni di massa invariante (10-18 MeV) e vertici secondari (100-200m) • Svantaggi rispetto agli esperimenti alle B-factories: “chiusura” degli eventi, pulizia del segnale, possibilità di run off-resonance per il controllo dei fondi. • Possibili misure eclusive o semi-inclusive di decadimenti rari. Stefania Vecchi - INFN Bologna

  28. Misure di BF/Rapporti/ACP di canali esclusivi @LHCb 2fb-1 Vedi trasparenza successiva Precisione di misura di RK=BF(B± K±+-)/ BF(B±K±e+e-) = 10% (1anno 2fb-1) 4.5% (5 anni) MB)=(74/15 MeV/c2ee/) Misura di RK* possibile, da svolgere gli studi MCarlo Vedi trasparenza Stefania Vecchi - INFN Bologna

  29. BK0*+– 2fb-1 Punti di forza di LHCb per questa misura: PID K/  in p=[10:100]GeV/c Trigger L0 di-muone Ottime risoluzioni in massa (16/10/3.3 MeV/c2B//K*) e angolo FB (4.1mrad) (*) Ceff7/ Ceff9 stimati al 13% Gia’ dopo un anno di presa dati LHCb e’ in grado di raggiungere la precisione necessaria per discriminare fra i vari modelli…… Stefania Vecchi - INFN Bologna

  30. Bs+– LHCb ha ottime possibilità di misurare questo canale nei primi anni di misura. Le valutazioni Monte Carlo non consentono per ora di avere una stima affidabile del fondo atteso. Solo sui dati sperimentali sarà possibile studiare gli effetti sistematici di questo canale LHCb Risoluzione massa B=18MeV 2fb-1=primi 1 anno ATLAS Risoluzione massa B=80MeV 30fb-1=primi 3 anni CMS Risoluzione massa B=46MeV 30fb-1=primi 3 anni Stefania Vecchi - INFN Bologna

  31. aggiunte Stefania Vecchi - INFN Bologna

  32. Conclusioni • Lo studio dei decadimenti rari del B FCNC è un ottimo settore in cui svolgere test precisi del Modello Standard ed avere eventuali indicazioni di Nuova Fisica • Numerosi canali e osservabili sono misurabili e possono essere messi in relazione fra loro per svolgere indagini model-independent e porre limiti ai parametri di NP • Grazie alle misure svolte alle B-Factories, il quadro sperimentale attuale è piuttosto ricco. Tuttavia le precisioni sperimentali in molti casi sono inferiori a quelle teoriche a causa della statistica limitata e dei sistematici • LHCb contribuirà a migliorare in modo significativo lo studio di questi processi almeno nell’ambito dei canali esclusivi di decadimento Stefania Vecchi - INFN Bologna

  33. LHC: collisioni pp a s = 14 TeV, rate di intersezione dei bunch = 40 MHzsbb ~ 500 mb (~ 0.5% rispetto al mbias) • Ad alte luminosità cresce il pile-up di interazioni pp per bunch crossing: • LHCb ha scelto di lavorare a L ~ 2 1032 cm-2s-1(regolabile - fasci defocalizzati)disponibile dall inizio1 anno di misura = 2 fb-1 1012 bb in accettanza in un anno Stefania Vecchi - INFN Bologna

  34. Mass resolution (MeV) p–K separation Impact parameterresolution Momentum resolution(full spectrometer) Stefania Vecchi - INFN Bologna

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  36. Hamiltoniana effettiva per bs, bsll MFV Stefania Vecchi - INFN Bologna

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