3/9/2014

1. Encanto y belleza en los quarks más pesados ( introducción a la física de quarks pesados ) I- Motivación (teórica) II - Retos (experimental) 3/9/2014 Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT)

2. Perito accidentes Su reconstrucción del suceso Simil : ¿Físico experimental de partículas = perito ?

3. Perito accidentes Su reconstrucción del suceso ¿Físico experimental de partículas = perito ? ¿ Qué colisión ha dado lugar a ese estado final ?

4. Por qué estudiar los quarks más pesados bottom y top (b y t)? • Nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar (SM) • Comprueban la existencia de nueva física [test de lo conocido y búsqueda de lo desconocido] Conceptos teóricos: • Violación CP (CPV), sabor de quark, oscilación de hadron-b • Heavy quark hadrons are the hydrogen atom of QCD masses, lifetimes, rare-decays, CPV Hadrons are systems bound by the strong interaction, which is described at the fundamental level by Quantum Chromodynamics (QCD). While QCD is well understood at high energy in the perturbative regime, low-energy phenomena such as the binding of quarks and gluons within hadrons are more difficult to predict. High precision measurements are most useful to test the reliability of several models and techniques, such as constituent-quark models or lattice-QCD calculations, into predicting the mass spectrum and the properties of the hadrons. “factorization” , i.e. separating long and short-distance Physics, is important for B decays, because much of the theoretical progress in the subject relies on being able to separate the short-distance physics at scales 1/mW and 1/mb which determines the quark-level process (and for which perturbation theory is a useful tool) from the complex long distance physics of hadronization. Effective field theory is a tool which makes this factorization automatic.

5. Violación CP: materia y antimateria se comportan de un modo diferente La violación de CP es la no-conservación de los nºs cuánticos de conjugación y paridad.

6. ¿Por qué se estudia CPV? Estamos en un universo dominado por materia CPV tiene algo que ver (pequeña asimetría a~10-6 s) A t~10-6 s a.B.B., había 1010-1 antiquarks por cada1010 quarks. La parte simétrica se aniquiló en γ y ν. La parte asimétrica dió lugar a nuestro universo Violación CP es un ingrediente necesario (pero parece que insuficiente)

7. Sabor de un quark: un ńumero cuántico importante en el SM Un quark de un determinado sabor es un autoestado de la parte débil del Hamiltoniano del SM (interactúa de un modo definido con los bosones W y Z) Hay tres generaciones de pares de sabores de quarks Hadrones-b : Combinación de un quark b y 1 ó 2 quarks más Los hadrones resultado de combinaciones (b,s), (b,d), (s,d) y (c,u) sufren transiciones del tipo FCNC:oscilan, se mezclan ∄ hadrones-t + +1/3 +1/3 +1/3 - - - +2/3 En el SM el número cuántico de sabor se conserva en las interacciones fuertes y E-M. Sólo puede cambiar en procesos de corriente cargada débil descritos por el intercambio de un boson W+-. El W se acopla en buena aprox. a pares de la misma generación pero son posibles transiciones -2/3 -1/3 -1/3 -

8. large CPV small CPV large small CPV CPV Rate of  Bs0 Γ(anti-B ⇾anti-f ) Γ(B ⇾f ) Matriz VCKM : Vtb VCKM describe cómo se llevan a cabo las transiciones de sabor Vud • VCKM es compleja (tiene una fase). Esa fase viola CP, la invariancia de conjugación-paridad de la teoría, y en el SM es responsable de la violación de CP observada en los sistemas K yB. Rate of

9. J/Ψφ Bs0 => sin (2βs) La fase CP entre los dos caminos de desintegración es βs - Bs0 ¿Por qué estudiar CPV en Hadrones-b ? • CPV procede de la interferencia entre las amplitudes de mezcla y desintegración + c _ _ s _ _ s s La fase de violación CP en el SM, βsSM -arg[(VtsVtb*)2/(VcsVcb*)2], es pequeña • La observación de una gran fase CP en Bs0J/Ψφ  sería un signo inequívoco de nueva física 2bsSM -arg[(VtsVtb*)2/ (VcsVcb*)2]

10. Lado experimental • Producción (aceleradores) • Selección (trigger) • Medición (subdetectores) ¿ Cómo se realizan las medidas ? ¿ Cúales son los retos para hacerlo posible ?

11. Producción: g b b g g b g b Flavor Creation (gluon fusion) b q b g g q q Flavor Excitation Gluon Splitting q b Flavor Creation (annihilation) - - - - - - en factorías de B : e+e- B0/B0 y B+/B- a la energía del ϒ(4S). - en col. Hadrónicos : ppbb, pp  bb - - - b - • Gran sección eficaz  (ppbb ) ~ b (vs ~ nb at the (4s) resonance [B factories]) • Los quarks se fragmentan en hadrones: Bc- (bc), b(bdu), b+ (buu), b- (bdd), Ξb-(bsd), Ωb-(bss), Bs0 (bs),B0(bd), B-(bu), tb. B*, B**, etc • Los hadrones B se desintegran débilmente y buscamos sus productos de desintegración (la desintegración débil de los quarks depende de parámetros fundamentales del SM) -

12. - - Proceso de selección de b's • QCD(lighter quarks):fondo enorme al proceso (ppbb) • Para eliminar fondo-QCD los hadrones-b se filtran usando trigers selectivos basados en sus caraterísticas peculiares: • events selected by aJψoriented dimuon trigger • events selected by an impact parameter based trigger (SVT) Measurements : Central tracking chamber: - Track momentum - Trajectory Muon chambers: - Trajectory (stub) Require : - Central track - Muon stub - Position and angle match between central track and muon stub  stub  chamber Central track calorimeter Central tracker

13. Gracias a estos procesos de selección (triggers) de b's los experimentos acumulan grandes muestras ricas en b!

14. Medición : • Masa y vida media de B+, B0 & Lb • Violación de CP en Bs0 J/ψφ

15. Masa invariante: Reto : una medida precisa de la masa requiere una buena medida del momento de las partículas (trazas) del estado final. Para ello se requiere un sistema de detección de trayectorias de trazas con una excelente resolución Reconstrucción individual de una traza Combinación de trazas para formar una hadron-b Momento = trayectoria

16. Vidas medias de hadrones-b Los hadrones-b decaen en SV lejos del PV Reto :medir el vértice 2º con suficiente precisión PV SV Ayuda de detectores de silicio con una extremedamente buena resolución en posición Con estas medidas de masa y SV se pueden hacer medidas de precisión de las vidas medias… Siguiente paso : tratamiento estadístico de los datos

17. Análisis estadístico de los datos: método de ajuste o estimación por máxima verosimilitud (MLM) Tenemos N medidas de la cantidad x {x1, x2, … xn}. f(x|a,b) es una función de densidad o función de probabilidad o dns. de prob. Queremos determinar los parámetros a y b. MLM: dada cierta f-hipótesis/modelo, elegimos los valores de a,b que maximizan la probabilidad de obtener los valores (xi's) que medimos. ¿Cómo se obtiene el MLM? La probabilidad de medir x1 es f(x1| a,b)dx ... La probabilidad de medir xn es f(xn| a,b)dx Si las medidas son independientes, la probabilidad de obtener ese conjunto de medidas es: L= f(x1|a,b)dx *f(x2|a,b)dx ...f(xn |a,b)dx = f (x1|a,b) *f (x2|a,b) ...f (xn |a,b)dxn Podemos olvidarnos de los términos dxn pues se trata sólo de una constante de proporcionalidad L =Πif(xi|a,b)Función de verosimilitud Queremos escoger el valor de los parámetros a,b que maximicen la función de verosimilitud, : δL/δα|α=α * = 0,donde α puede representar una matriz de parámetros (a,b,vida media,etc).

18. ¿Cómo ajustar(modelar) estos datos? La funcion L =Πif(xi|a,b) para el caso de medida de la vida media de una partícula depende de más de una variable pero se puede factorizar en producto de funciones f que dependen de cada variable x (asumiendo que son variables independientes). El truco, está en acertar con el modelo : las funciones de densidad f o densidades de probabilidad para cada variable x. Las funciones f pueden ser a su vez combinación de varias funciones debido a la contribución de varios agentes físicos (por ejemplo, varias partículas, varios tipos de fondo, etc) ... Hablemos de modelos (f)

19. b q b Señal y sus modelos en x (masa y ct) x es Masa El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica x es ct +- _ q b (BJ/ψX) q q b +- (BJ/ψX) Flavor Creation (annihilation)

20. x es ct q p l f' q - l p q c,b(D,B') c,b f'' q Fondos y sus modelos x es Masa El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica

21. x es Masa El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica x es ct f + + f' + f''

22. Los parámetros para el modelo de resolución se obtienen de los sucesos adyacentes. Los parámetros α(a,b) son la masa , la vida media de la particula, etc

23. Rate of  Bs0 • CP Violation in Bs0 J/ψφ ¿Qué medimos experimentalmente? Medimos Γ(B⇾f)-Γ(anti-B⇾anti-f), diferencia de tasas de desintegración • Miramos cualquier diferencia en propiedades como vida media, descomposición angular de la amplitud, etc entre una desintegración y su “imagen especular” como resultado de aplicar las transformaciones de C y P

24. q b q b Flavor Creation (annihilation) Γ(Bs0⇾J/ψφ )[cτ]- Γ(anti-Bs0⇾J/ψφ )[cτ] ~sin(2βs) Γ(Bs0⇾J/ψφ )[cτ] + Γ(anti-Bs0⇾J/ψφ )[cτ] • CP Violation in Bs0 J/ψφ Reto : Determinar partícula/antipartícula en producción

25. Quién es el quark top? • Masivo mt = 173.34  0.75 GeV/c2 • Anchura t = 2.0+0.3-0.6GeV⇾ tiempo de vida media muy corto  10-25 s • Su sección eficaz es grande en el LHC (debido al gran flujo de gluones) • La que más se acopla al bosón de Higgs. mt y mW constriñen mH Contribución dominante en correcciones radiativas • Medidas de precisión del quark top pueden dar información sobre ruptura de la simetría EW. • Nuevas partículas pueden desintegrarse en quarks top (portal para nueva física) =ħ/t; ħ=6.5∙10-16eV s Quién es el quark top? La partícula elemental más masiva hasta el momento (incluído el bosón de Higgs!!) mt = 173.34  0.75 GeV/c2  la que más se acopla al bosón de Higgs  El quark top es ubicuo. Su sección eficaz es grande en el LHC (debido al gran flujo de gluones) Anchura t = 2.0+0.7 GeV Medidas de precisión del quark top pueden dar info sobre ruptura de la simetría electrodébil.  O incluso nuevas partículas pue- den desintegrarse en quark tops  portal para nueva física? Masa de los quarks

26. _ _ _ q q t t  W+ b W- b e- νe ud Modo de producción predominante: pares tt (int. fuerte) Diagramas dominantes en LHC (pp) Diagrama dominante en Tevatron (pp) LHC gg ~85% ~15% qq ~10% ~90%

27. - - - - - - - - - Desintegración del quark top Se desintegra antes de hadronizar a tWb (Vtb 0.998) t  W+b t  W-b W es real (no es un propagador) W  l (l=e, ,) BR: (10.80± 0.09)% por leptón W  qq’ BR: (67.60± 0.27)% - - _ _ Proceso creación pares t anti-t Estados finales: siempre 2 quarks b jets según desintegración de W: tt  bb l+l- di-leptónico tt  bb qq’ l leptónico + jets tt  bb qq’ q’’q’’’ hadrónico

28. Reconstrucción (identificación) tt • Objetos (partículas) reconstruidos • Leptones (e, ,  ) aislados (sin actividad alrededor) • Jets • b-jets : etiquetado (b-tagging) • Energía faltante : MET ¿Qué es b-tagging? Identificación de jets (b-jets) originados en el proceso de hadronización de un quark b Se usan las propiedades que distinguen al quark b de los demás b-jet • Masa del b-quark 4.18 GeV > c-,light-quark • τB> resto hadrones. • Multiplicidad trazas en b-jet~5 b-jet Trigger: e,, aislados, MET

29. Fondos irreducibles Fondos instrumentales Debido a mala reconstrucción de objetos ( falsa MET, falsos e, μ, mistag b )

30. Medidas sobre el quark top Necesitamos medir (parametros fundamentales del SM): • m, Г • spin • carga • Acoplos a W, Z, γ,G yH • σ yd σ / dx • Búsquedas mt = 173.34  0.75 GeV/c2

31. Sección eficaz de producción t anti-t donde *L: dado por acelerador *A,∈ : factores corrección Ndata, cuántos candidatos a quark tops se reconstruyen requiere : *gran precisión y conocimiento de calibración de detectores *gran control de otros procesos del SM que tengan un estado final similar: fondos, Nbkgd ; estudio previo de bosones W, Z, nos asegura estos 2 puntos (leptones, fakes…) tener en cuenta posibles candidatos de otros procesos exóticos (nueva física) en la muestra

32. Secciones eficaces a s = 7,8 TeV Medidas dominadas por incertidumbres sistemáticas LHC es una factoría de quarks top Buen acuerdo datos -predicciones teóricas del SM

34. Conclusions QCD EW top New Physics El programa de hadrones pesados enriquece la física dentro y fuera del SM: - Heavy baryons - Precision lifetimes of all B hadrons - CPV - top mass, width, σ, etc El top será estudiado con mucho detalle en LHC - Top decays before it has time to hadronize; no top mesons. - Top production is perturbatively calculable because of the large mass of the top. - Single top production rate are substantial and give sensitivity to Vtb. - Associated production of vector bosons Z,H, gamma, jet will give information about the top couplings.

36. Large, well understood data samples from experiments ΔGs = GL – GH Precise measurements of φs and ΔΓs, will put severe constraints on NP in Bs mixing

37. Modo de producción no predominante: t (int. debil) t channel Establecido y medido por Tevatron y LHC  = 42 pb s = 7 TeV Establecido y medido por D0 (Tevatron) en 2013  = 3.2 pb s = 7 TeV s channel W-associated channel Establecido y medido por CMS en 2014  = 8.1 pb s = 7 TeV

38. b quarks generally produced in pairs at Tevatron • Tag either the b quark which produces the J/ψϕ(SST), or the other b quark (OST) Same Side • The final tag is the combination (properly weighted) of all the different tagging methods Opposite Side • SST is based on flavor-charge correlations, i.e. tag on the leading fragmentation track - • OST searches lepton (either an electron or a muon) in the other side coming from the semileptonic decay of the other B. Output: decision (b-quark or b-quark) and the quality of that decision

39. Reconstrucción cinemática t anti-t • Reconstrucción es compleja, no existe pico de masa (como en Z). • Existen partículas (ν, ¿materia oscura?) que escapan indetectadas • Aplicar conservación mom. en plano⊥productos finales de colisión • Se realizan todas las posibles permutaciones de asignación de jets/partículas a cada rama (top) • Ajuste de las medidas disponibles, maximizando la probabilidad de la desintegración y la cinemática resultante: 2 • Sólo el caso hadrónico es resoluble totalmente (dentro de incertidumbre sistemáticas de medidas y calibraciones) En el resto, asunción de ciertas igualdades, en cada rama de desintegración: mW, mt, mt1=mt2, mW1=mW2

40. Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates • Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates • Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates (mixture of flavor eigenstates) (mixture of flavor eigenstates) (mixture of flavor eigenstates) • Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates (mixture of flavor eigenstates) Neutral Bs system • Time evolution of Bs flavor eigenstates from Schrödinger equation: Experimentally accessible • The magnitude of the box diagram gives the oscillation frequency Δms= mH- mL≈ 2|M12| ; Δms = 17.77  0.12 ps-1 • The phase of the diagram gives the complex number q/p = e-i s where s = arg (-M12/G12) [ CP-violating phase] • Mass eigenstates have different decay widths (lifetimes) ΔGs = GL – GH≈ 2|G12| cos s ; DG = 0.08  0.06 ps-1 • Mass eigenstates have different decay widths (lifetimes)  = L – H≈ 2|12| cos s ; DG = 0.08  0.06 ps-1 (CDF) [part of this analysis] Neutral Bs system • The phase of the diagram gives the complex number q/p = e-i s where s = arg (-M12/G12) [ CP-violating phase] • The magnitude of the box diagram gives the oscillation frequency ms= mH- mL≈ 2|M12| ; ms = 17.77  0.12 ps-1 (CDF) • Time evolution of Bs flavor eigenstates from Schrödinger equation:

41. Collider sigma (pb) Tevatron 7.26 LHC 7 127.7 LHC 8 248.1 LHC 14 977.5

42. Secciones eficaces diferenciales Mejor descripción con NNLO que NLO, en dileptones y semileptónico Masa del quark top Junto con mW permitió poner límites indirectos a mH Spin del quark top y sus correlaciones Resultados acordes con SM

43. B-Tagging Efficiency Identificación de jets (b-jets) originados en el proceso de hadronización de un quark b o antiquark bbar puede ser más o menos eficiente según el algoritmo de identificación que se use. Hay que calcular es eficiencia. Se calcula el cociente entre la eficiencia medida en datos / eficiencia MC

44. Se calcula el cociente entre la eficiencia medida en datos / eficiencia MC

46. Why b-hadron lifetimes ? b-hadrons Lifetime: largely determined by charged weak decay of b quark Interactions of quarks inside hadrons change these lifetimes by up to about 10%. HQE predicts(Bu)>  (Bd) ~ (Bs) > (Lb)>> (Bc) In B+ / B0 = 1.0630.027, In Lb/ B0 = 0.880.05 • The measurement of lifetimes (and ratios) can be used to evaluate deviations from the naive spectator quark model : b quark decays like free “particle” => all B hadron lifetimes are equal • In reality QCD => lifetimes of B hadrons study the interplay between strong and weak interaction

47. Results φs = 0.07 ± 0.09 (stat) ± 0.01(syst) rad ΔΓs = 0.100 ± 0.016 (stat) ± 0.003 (syst) ps-1 SM: φs ≈ -2βs = - 0.036 ± 0.002 rad, ΔΓs = 0.087 ± 0.021 ps-1 ΔGs = GL – GH

48. Bs0 Lifetime Reconstruction q p l q - l p • Bs0 travels ~ 450 m before decaying into J/Ψφ • Peak at 0 comes from prompt J/ψ(main source: Drell Yan) • Long lived tail is mostly our Bs0J/ψϕ Signal - • Properties of decay depend on decay time, CP at decay, and initial flavor of Bs0 / Bs0

49. Overview of fit Single event likelihood decomposed and factorized in: : probability distribution functions (PDFs) for signal : PDFs for background fs : signal fraction (fit parameter) Single event likelihood decomposed and factorized in: