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Rapports d'embranchement et résonances dans BaBar et flux cosmique de positons dans AMS

Rapports d'embranchement et résonances dans BaBar et flux cosmique de positons dans AMS. PLAN. L’expérience BaBar Introduction Rapports d’embranchement Mesure Analyse d’isospin Mesure de sin 2  et cos 2  é tude des résonances Les résonances charmoniums Les résonances c s

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Rapports d'embranchement et résonances dans BaBar et flux cosmique de positons dans AMS

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  1. Rapports d'embranchement et résonances dans BaBaretflux cosmique de positons dans AMS 20 novembre 2013 Soutenance HDR Vincent Poireau

  2. PLAN • L’expérience BaBar • Introduction • Rapports d’embranchement • Mesure • Analyse d’isospin • Mesure de sin 2 et cos 2 • étude des résonances • Les résonances charmoniums • Les résonances cs • L’expérience AMS • Introduction • Mesure de la fraction de positons • Projet de recherche sur la mesure du flux de positons Vincent Poireau

  3. PARCOURS • Thèse sur DELPHI, CEA (1998-2001) • Post-doc sur CMS, CERN (2001-2002) • Entrée au CNRS/LAPP sur BaBar (2003) • Expatriation à SLAC(2004-2006) • Collaboration à AMS(2012) • Principales responsabilités scientifiques • Système de contrôle de la chambre à fils de BaBar (2003-2006) • Coordinateur général de la prise de données de BaBar (2006) • Chambre à fils de BaBar (2006-2010) • Coordinateur du groupe de physique BaBar « Désintégrations des mésons B en particules charmées »(2008-2011) • Calcul au ccin2p3 pour BaBar (2008-) et AMS (2013-) • Publication board de BaBar (2011-2014) • Encadrement • 2 étudiants en Master 1, 1 étudiant en Master 2 + thèse, 1 postdoc Vincent Poireau

  4. L’expérience BaBar Vincent Poireau

  5. e+3,1 GeV e- 9 GeV PEP-II ET BABAR énergie dans le centre de masse: 10,58 GeV e+ e-(4S) (bb) BB Section efficace effective Luminosité instantanée : L= 12,1 1033 cm-2s-1

  6. L’EXPéRIENCE BABAR Détecteur de vertex à silicium Reconstruction précise des vertex, dE/dx Solénoïde 1,5 T Chambre à fils Impulsion, dE/dx L’expérience stoppée en 2008, enregistrant 553 fb-1 3,1 GeV e+ 9 GeV e- Détecteur Cherenkov Identification, K/ Calorimètre électromagnétique Identification des 0, , e-, détection des hadrons neutres Retour de champ instrumenté Identification , détection des hadrons neutres

  7. PRINCIPAUX RéSULTATS Résultats 2010 (avant LHCb) • Plus de 530 publications ! • Violation de CP • Observation et multiples contraintes sur le triangle d’unitarité • Violation de T • Première observation (à 14), conforme à ce qui est attendu pour l’invariance CPT • Oscillations des mésons D0 • Recherche de nouvelle physique (NP) • Nombreux canaux sensibles à la NP (diagrammes à une boucle ou diagrammes pingouins) • La plupart des mesures compatibles avec le modèle standard • Tension (3,4) avec le MS dans B D(*) -  • Découverte de nombreuses résonances Vincent Poireau

  8. RAPPORTS d’EMBRANCHEMENT DEB  D(*) D(*) KDANS BABAR • Introduction • Mesure des rapports d’embranchement • Analyse d’isospin • Mesure de sin 2 et cos 2 Vincent Poireau

  9. éTATS FINALS • B  D(*) D(*) K : 22 états finals possibles • Proviennent de la transition b ccs Diagramme supprimé de couleur 1/Nc2 • Multiples intérêts • Contribution importante aux désintégrations des B • Contribution au problème du taux de charme • Tester les relations d’isospin • Mesure de sin 2 et cos 2 • Contiennent de nombreuses résonances Vincent Poireau

  10. TAUX DE CHARME • Taux de charme nombre de hadrons charmés par désintégration de B • Relation entre le taux de charme et le taux de désintégration semi-leptonique B  X ll • Pendant longtemps, désaccord théorique de ces deux valeurs expérimentales • Contribution bccs pensée alors comme provenant principalement de B →DsX, B →(cc)X etB →cX • 1994 : contribution supplémentaire nécessaire pour bccs • B  D(*) D(*) K (X) prédits non négligeables • Confirmé par CLEO (1997), ALEPH (1998) et BaBar (2003) Vincent Poireau

  11. RAPPORTS d’EMBRANCHEMENT DEB  D(*) D(*) KDANS BABAR • Introduction • Mesure des rapports d’embranchement • Analyse d’isospin • Mesure de sin 2 et cos 2 Vincent Poireau

  12. RECONSTRUCTION • Totalité des données BaBar :429 fb-1, NBB = (470,9 ± 0,1 ± 2,8)  106 • Reconstructionexclusive • D0®K- +, D0®K- + 0, D0®K- + - + (26 %) • D+ ®K- + + (9 %) • D*+ ®D0 +, D+ 0(98 %) • D*0®D0 0, D0  (100 %) • K0s®+ -(69 %) • 112 états finals à reconstruire, par exemple : • B+® D0D0K+® K+K+K-+-5 traces chargées • B0® D*-D*+K0® K+K- + + + + +- - - - - 12 traces chargées • B0® D*0D*0K0® K+K- + + + - - -8 traces chargées, 4 photons • Sélection des mésons D(*)et K • Masse, énergie des produits de désintégration, vertex, identification des particules, … Vincent Poireau

  13. SéLECTION • Sélection du mésonB • Variables topologiques pour supprimer e+e-® qq (q=u, d, s, c) • ΔE et mES • ΔE = différence entre l’énergie du B et l’énergie du faisceau  pic à zéro • Sélectionsur ΔE •  pic à la masse du B • Distribution mES après la sélection complète • Pour chaque mode : extraction du signal et des rapports d’embranchement grâce aux fits des distributions mES Somme de tous les modes chargés Somme de tous les modes neutres Vincent Poireau

  14. FITS DES DONNéES • Comprendre les différentes contributions et leur forme en mES • Illustration : B+ D*0 D0 K+ • Signal MC D*0 D0 K+ Vincent Poireau

  15. FITS DES DONNéES • Comprendre les différentes contributions et leur forme en mES • Illustration : B+ D*0 D0 K+ • Signal • Cross-feed • Ce sont des événements d’un certain mode D(*) D(*) K reconstruits à tort dans un autre mode D(*) D(*) K • D*+ D*0, D*0D0 D0D*0, D*0 D0 • Contribution non négligeable pour certains modes Signal MC D(*) D(*) K sauf D*0 D0 K+ Ici, cross-feed principalement de B+  D0 D*0 K+ Vincent Poireau

  16. FITS DES DONNéES • Comprendre les différentes contributions et leur forme en mES • Illustration : B+ D*0 D0 K+ • Signal • Cross-feed • Bruit de fond combinatoire • e+e- ® bb (90 %) + e+e-® qq (q=u, d, s, c) (10 %) • Fitté sur les données Signal Cross-feed Vincent Poireau

  17. FITS DES DONNéES • Comprendre les différentes contributions et leur forme en mES • Illustration : B+ D*0 D0 K+ • Signal • Cross-feed • Bruit de fond combinatoire • Bruit de fond piqué • Bruit de fond combinatoire piquant en mES Signal Cross-feed Contribution piquante MC e+e-qq Vincent Poireau

  18. FITS DES DONNéES • Comprendre les différentes contributions et leur forme en mES • Illustration : B+ D*0 D0 K+ • Signal • Cross-feed • Bruit de fond combinatoire • Bruit de fond piqué • Fit total Signal Cross-feed BdF piqué Vincent Poireau

  19. MODESNEUTRES Fit total Signal Cross-feed Bdf piqué Bdf comb. Vincent Poireau

  20. MODESCHARGéS Fit total Signal Cross-feed Bdf piqué Bdf comb. Vincent Poireau

  21. RAPPORTS D’EMBRANCHEMENT • Méthode classique : • Efficacité ε : utilisation du MC D(*) D(*) K non résonant  espace des phases plat dans le plan de Dalitz • Les événements B  D(*) D(*) K contiennent de nombreuses résonances, certaines imparfaitement connues • Efficacité résonance  efficacité non résonant • Car efficacité non plate dans le plan de Dalitz • Méthode utilisée • Mesure des rapports d’embranchement valide quelque soitle contenu en résonances • Utilisation de l’efficacité à la position de l’événement dans le plan de Dalitz+ pondérationdu signal par cette efficacité Données plan de Dalitz Efficacité plan de Dalitz Vincent Poireau

  22. RAPPORTS D’EMBRANCHEMENT • Comment isoler la contribution du signal ? • Utilisation de la méthode statistique sPlot • sPlot (Pivk et Le Diberder) • Poids calculé événement par événement qui classifie en catégories (signal et bruit de fond) • Poids basé sur la matrice de covariance et les PDFs du fit mES • Calcul rapports d’embranchement • Nombre de signal corrigé de l’efficacité : • wS(i) poids sPlot pour le signal pour l’événement i • εiefficacitéà la position dans le plan de Dalitz de l’événement i • Rapports : Vincent Poireau

  23. RéSULTATS Rapport d’emb. 10-4 Signal Bdf piqué Signific. Cross-feed Observé pour la première fois avec >5 évidence pour la première fois avec >3 Observation de modes supprimés de couleur Vincent Poireau

  24. RéSULTATS Phys. Rev. D83, 032004 (2011) • Somme des rapports d’embranchement • BF(B0 D(*) D(*) K) = (3,68 ± 0,10 ± 0,24) % • BF(B+ D(*) D(*) K) = (4,05 ± 0,11 ± 0,28) % • Autres expériences • Belle : mesure de 2 modes • LHCb : ??  possible pour les modes contenant D0, D+, D*+, K+

  25. RAPPORTS d’EMBRANCHEMENT DEB  D(*) D(*) KDANS BABAR • Introduction • Mesure des rapports d’embranchement • Analyse d’isospin • Mesure de sin 2 et cos 2 Vincent Poireau

  26. ANALYSE D’ISOSPIN Phys. Lett. B704, 559 (2011) • Utilisation desmesures de BaBar et Belle pour vérifier les propriétés d’isospin de B  D(*) D(*) K • Symétrie d’isospin I relie les quarks u et d • bccs I = 0 • Relations d’isospin entre les modes • Prédictions rapports d’embranchement • Dépend de 13 paramètres • Fit simultané sur tous les modes permet une comparaison mesures et prédictions • Extraction de • à comparer avec la valeur mondiale 1,055 ± 0,025 Valeur expérimentale Valeur fit Vincent Poireau

  27. RAPPORTS d’EMBRANCHEMENT DEB  D(*) D(*) KDANS BABAR • Introduction • Mesure des rapports d’embranchement • Analyse d’isospin • Mesure de sin 2 et cos 2 Vincent Poireau

  28. MESURE DE SIN 2 ET COS 2 • Angle  mesuré précisément via en particulier B0J/K0S, provenant de bccs • D’autres modes peuvent être utilisés, entre autres : • B0 D(*)D(*) • Mais aussi B0  D(*)D(*)K0S • Non supprimé de Cabibbo, pas de diagrammes pingouins • étude de B0  D(*)D(*)K0S : violation de CP dépendante du temps • Seul le mode B0  D*-D*+K0S a été utilisé jusqu’à présent • 209 fb-1 de données BaBar • Résultat : cos 2 > 0 à 94 % CL • Lève l’ambiguïté   /2 -  • Perspectives • Utiliser les modes B0  D*-D+K0S+ D-D*+K0S (13) et B0  D-D+K0S (5) pour effectuer cette mesure Phys. Rev. Lett. D74, 091101 (2006) Vincent Poireau

  29. éTUDES DES RéSONANCESDANS BABAR • Introduction • Les résonances charmoniums • Les résonances cs Vincent Poireau

  30. LES RéSONANCES • Résonance : méson ou baryon de temps de vie extrémement court (<10-23 s) • = h/ largeur de la particule • Sujet très prolifique depuis le démarrage des usines à B • Sur les cinq articles de BaBar les plus cités, trois concernent les résonances ! • Grand nombre de résonances découvertes depuis 2003 • Ne cadrent pas avec les modèles simples • Révolution des résonances ! • étude des résonances dans B  D(*) D(*) K • Charmoniums : B   K,  D(*) D(*) (3770), X(3872) • Résonances cs: B  D(*) DsJ, DsJ  D(*) K  Ds1(2536), Ds1*(2700) Vincent Poireau

  31. D0 π D*0 LES MODèLES • Modèle de potentiel (Godfrey et Isgur) • Basé sur la QCD + potentiel pour le confinement de quarks à grande distance et attraction coulombienne à courte distance • Potentiel unique et universel, s’applique à tous les mésons • De nombreuses nouvelles résonances ne correspondent pas aux prédictions de ce modèle • Au-delà de l’assemblage de deux quarks ? • Possible en théorie, mais jamais observé • Tétraquarks [Qq1][q2Q] • états liés de 4 quarks • Grand nombre d’états attendus • Largeur étroite • états chargés possibles • Molécules [Qq1][q2Q] • Paire de mésons faiblement liée • Peu d’états prédits • Largeur étroite • Hybrides qqg • états contenant des gluons excités • Certains états possèdent un JPCinterdit pour les mésons Vincent Poireau

  32. éTUDES DES RéSONANCESDANS BABAR • Introduction • Les résonances charmoniums • Les résonances cs Vincent Poireau

  33. RéSONANCES CHARMONIUMS • Charmonium : état lié cc • Propriétés • Sous le seuil D(*)D(*) • états étroits • Au-dessus du seuil • états larges • Tous les états sous le seuil sont observés et expliqués Increasing L  347 fb-1 Increasing n  Pot. model QWG hep-ph/0412158

  34. RéSONANCES CHARMONIUMS • Charmonium : état lié cc • Propriétés • Sous le seuil D(*)D(*) • états étroits • Au-dessus du seuil • états larges • Tous les états sous le seuil sont observés et expliqués Increasing L  Increasing n  Pot. model QWG hep-ph/0412158

  35. RéSONANCES CHARMONIUMS • Charmonium : état lié cc • Propriétés • Sous le seuil D(*)D(*) • états étroits • Au-dessus du seuil • états larges • Tous les états sous le seuil sont observés et expliqués • Beaucoup de nouveaux états découverts depuis 2003 ! Increasing L  5 Increasing n  Pot. model QWG hep-ph/0412158

  36. RéSONANCES CHARMONIUMS Vincent Poireau

  37. X(3872) • Résonance découverte en 2003 • Observée par Belle, BaBar, au Tevatron, au LHC • B  X(3872) K, X(3872) J/+- • Vue également en J/, J/, (2S) • M = (3871,68  0,17) MeV/c2 •  < 1,2 MeV (90 % CL) • Masse très proche du seuil D*0D0 • (3871,8  0,4) MeV/c2 • Coïncidence ? • En dessous ou au-dessus ? • Nombre quantique • LHCb : JPC = 1++ • Pratiquement exclu que le X(3872) soit un charmonium conventionnel ! BaBar 2008 Vincent Poireau

  38. X(3872) DANS LES D(*)D(*)K Belle 2006 • Belle en 2006:excès dans la masse invariante deD0 D00dans B D0D00K • M = (3875,2  0,7+1,2-2,0) MeV/c² • à 2s du canal X(3872)  J/+- • étude dans BaBar sur les événements D*0D0K, D*0  D00, D0 • 347 fb-1 : publication (2008) • 429 fb-1 : stage M1 (2009) • Modes concernés • B+ D*0D0K+ + D0D*0K+ • B0 D*0D0K0 + D0D*0K0 • Méthode de reconstruction basée sur le MC • 90 MC X(3872) avec différentes masses et largeurs • 90 fits des données Vincent Poireau

  39. X(3872) DANS LES D(*)D(*)K Phys. Rev. D77, 011102 (2008) • Fit de la masse invariante • 33  7 événements (4,9) • Distribution de 2dans le plan masse-largeur • 2 min  masse et largeur • 2 min+1  incertitudes • M = (3875,1 0,7  0,5) MeV/c2 •  = (3,0+1,9-1,4  0,9) MeV • Par rapport à X(3872)  J/+- • Masse incompatible à plus de 4 • Largeur incompatible avec limite supérieure 347 fb-1 429 fb-1 347 fb-1 429 fb-1 Vincent Poireau

  40. X(3872) • Explication probable pour une telle différence de masse entre les deux canaux, dans l’hypothèse que le X(3872) est une molécule D*0D0 • Canal X(3872) D*0D0 • Seuil cinématique très proche • Si masse en dessous du seuil pic artificiel • Pic ne correspond pas à la particule réelle • Canal X(3872)  J/+- • Pas de seuil cinématique • Les mesures de la masse et la largeur correspondent à la particule • Mise à jour Belle 2010 avec D*0D0K • Fit avec une Breit-Wigner • M = (3872,6  0,5  0,4) MeV/c2 •  = (3,9 +2,8-1,4+0,2-1,1) MeV • Masse plus proche du canal J/+-, mais largeur incompatible! J/+- lineshape D0D*0lineshape D0D00 lineshape Braaten et al. Belle Vincent Poireau

  41. X(3872) • Probablement pas un charmonium • c2(JPC = 2-+) exclu du fait que X(3872) est 1++ • Excitation radiale du c1(JPC = 1++) attendu à3950 MeV/c2 • état moléculaire D*0D0 faiblement lié ? • Explique • La coïncidence du seuil D*0D0 et de la masse • Sa faible largeur • Ses nombres quantiques 1++ • Quelques prédictions cependant en contradiction avec les mesures • Tétraquark • Deux états neutres et deux états chargés prédits • Différence de masse entre les deux états neutres = (7 ± 2) MeV/c2 • Incompatible avec les mesures • Pas d’état chargé observé • Le X(3872) • Mélange d’un état charmonium avec un état multiquark ? • LHC devrait apporter plus d’information • Premier état exotique jamais découvert ! Vincent Poireau

  42. éTUDES DES RéSONANCESDANS BABAR • Introduction • Les résonances charmoniums • Les résonances cs Vincent Poireau

  43. SITUATION ACTUELLE • Avant 2003 : Ds*, Ds1(2536)+,Ds2(2573)+ • Avril 2003, Ds0*(2317)+: découverte inattendue d’une résonance étroite dans BaBar • Mai 2003, Ds1(2460)+:CLEO, BaBarobservent une nouvelle résonance étroite  Deux surprises car états attendus à plus haute masse et très larges • Juil. 2006, DsJ*(2860)+: nouvel état découvert par BaBar, confirmé par LHCb en 2012 • Juil. 2006, Ds1*(2700)+ : nouvelle résonance découverte par BaBar, rapidement confirmée par Belle, puis par LHCb • 2009, DsJ(3040), 2009 : résonance large découverte par BaBar 347 fb-1 DsJ*(2860) * Ds1*(2700) Ds1(2460) Ds0*(2317) S wave P wave D wave Vincent Poireau

  44. Ds1*(2700) Belle • Découvert par BaBar dans les données inclusives • Confirmé par Belle dans B+D0D0K+ et par LHCb • Se désintègre en DK et D*K • Recherche du Ds1*(2700) dans DDK (429 fb-1) : analyse de Dalitz avec deux canaux étudiés • B+D0D0K+ (901  54 évts) • B0D-D0K+ (635  47 évts) • Utilisation du modèle isobare • ci : coefficients complexes (modules et phases) • Ai : amplitudes complexes (fonction dynamique des résonances intermédiaires) • Vraisemblance p : pureté, efficacitéBbruit de fond Vincent Poireau

  45. Ds1*(2700) Bruit de fond • Contributions • événements non résonants • Ds1*(2700) • Ds2*(2573) •  (3770) (B+D0D0K+) •  (4160) (B+D0D0K+) • Fits avec ces contributions • Observation claire de Ds1*(2700) • Excès à basse masse en M(D0K+) ! • Excès • Vu aussi par Belle • Non artificiel • Pas de méson cs a priori attendu à cette masse • Statistique faible : impossible à décrire physiquement dans BaBar • Utilisation d’une fonction ad-hoc Ds1*(2700) Non résonant B0D-D0K+ B+D0D0K+ Vincent Poireau

  46. Ds1*(2700) Article en préparation • Fits nominaux • Masse et largeur • PDG M = (2709  4) MeV/c2,  = (117 13) MeV B+D0D0K+ B0D-D0K+ Prelim. Prelim. Bruit de fond Ds1*(2700) Non résonant Ds2(2573) (4160) (3770) Fonction ad-hoc Vincent Poireau

  47. L’expérience AMS Vincent Poireau

  48. AMS-02 5m x 4m x 3m 7.5 tonnes • Détecteur de rayons cosmiques • Particules chargées et rayons gamma • Entre 100 MeV et 1 TeV • Décollage de Cap Canaveral le 16 mai 2011 • Avant-dernière navette américaine ! • Déploiement sur l’ISSle 19 mai 2011 • En orbite à 400 km • 40 milliards d’événements enregistrés Vincent Poireau

  49. RAYONS COSMIQUES • Rayons cosmiques • 99 % de nucléons • dont 89 % de protons, 10 % hélium, 1 % noyaux plus lourds • Electrons 1 % et positons 0,1 % • Rayons cosmiques primaires • Produits directement par une source • Sources : restes de supernovas, pulsars, noyaux actifs de galaxie, quasars, … • Rayons primaires • électrons, protons, hélium, carbone, … • Rayons cosmiques secondaires • Proviennent de l’interaction du rayonnement primaire sur le milieu interstellaire • Rayons secondaires • Positons, antiprotons, bore, … Vincent Poireau

  50. RAYONS COSMIQUES • Rayons cosmiques proviennent • De l’extérieur du système solaire • E<1016 eV : de notre Galaxie • Ultra hautes énergies : de l’extérieur de notre Galaxie • Positons : proviennent de quelques kpc maximum (voisinage proche) • Propagation équivalente à une diffusion dans le milieu galactique • Champ magnétique irrégulier du halo diffusif = marche au hasard • Coefficient de diffusionK(E) = K0R(R=p/Z) • Paramètres libres : K0, , L, Vc, Va • Les incertitudes sur ces paramètres sont transcrits en trois jeux de paramètrisations • Min, Med, Max hz=200 pc, L=1-15 kpc, R=25 kpc Vincent Poireau

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