Fisica del B stato e prospettive Sommario Introduzione

Fisica del B: stato e prospettive Sommario: Introduzione Lati e angoli CKM Decadimenti rari Conclusioni Disclaimer: prevalentemente B factories… Concezio Bozzi, INFN Ferrara IFAE, Lecce, 25/4/2003

Stato dell’arte K = 2. 271 ± 0. 017 × 10 -3 |Vub/Vcb| = 3. 7 × 10 -3 / 40 × 10 -3 md = 0. 503 ± 0. 006 ps-1 ms > 14. 4 ps-1 sin 2 = 0. 731 ± 0. 055 • Il meccanismo CKM predice correttamente gli effetti di violazione di CP nei K, charm e B: • Violazione di CP piccola nel mixing KK ( K) e nel decadimento K→ ( ’/ ) • Violazione di CP grande in B→J/y K (sin 2 ) ma piccola nel mixing BB ( B) • Violazione di CP non rivelata nei decadimenti del charm (sensitività sperimentale non ancora adeguata)

Successo ed imbarazzo • Il modello standard è in ottima forma ma. . . – La rottura della simmetria elettrodebole non è capita – MS non spiega l’asimmetria barionica dell’universo • Naturale cercare effetti non-MS: – Misure di precisione nel settore di gauge (LEP/SLC) – Ricerca diretta di nuova fisica (Tevatron 2, LHC) – Misure di precisione nel settore di sapore (B Factories presenti e future, Tevatron 2, LHC) Qualsiasi estensione del MS dovrà sopravvivere a test molto stringenti di CPV (angoli e lati del triangolo CKM) e FCNC (decadimenti rari)

CPV e CKM: i lati Pinguino EM Oscillazioni Bd e Bs b Vcb (Vub) Vtd (Vts) d (s) (u) ( , …) Decadimenti semileptonici W t d (s) t W b

cf. M. Rotondo, A. Sarti Semileptonici: Vcb, Vub • Approccio esclusivo a Vcb: B→Dl , B→D*l – Misura | Vcb | × fattore di forma, conosciuto al 4% cb – Sistematicamente limitata – Sistematici altamente correlati (BR(D), D**, fattori di forma) – Precisione migliorerà ma impatto sul triangolo ormai trascurabile V escl. • Approccio esclusivo a Vub: dipendenza dai fattori di forma, calcolabili su reticolo – Errore teorico ~5% su una scala di 4 -10 anni (conservativo) • Approccio inclusivo a Vub. Rimozione fondo da b→cl – – – Tagli in q 2, m. Had, El. Ricostruzione esclusiva dell’altro B Teoria non ancora sotto completo controllo Combinazione di tagli Sistematico teorico su | Vub | ~5% asintotico? CLEO w

cf. A. Sarti |Vub| da decadimenti SL sul rinculo Ricostruzione completa di mesoni B e selezione di eventi SL nel B di rinculo Efficienza~10 -3 Sistematiche fortemente ridotte Taglio su MX (< MD) ( ~ 60 -80%) e altre variabili (P*l, q 2) per separare segnale b ul da fondo D(*) p Breco Y(4 S) Xu Brecoil l

Fisica più pulita B Xl Vcb Vub 1. 7 ~ /N S 0 S 1/5 ~ /N Analisi inclusiva Analisi su rinculo

Vub: stato ed estrapolazioni Vub (B factories)=(4. 32± 0. 57) 10 -3 Errori estrapolati (analisi Mx): Statistico L(ab-1) = 0. 08 sstat(%) = 7. 0 0. 5 2. 0 10 2. 8 1. 4 0. 6 Sistematico sperimentale ~5% 2. 5% (b cl bkgd) Teorico ~ 9% ( (mb)=90 Me. V) 5% (b ul , spazio delle fasi) Ottimizzare il punto di lavoro!

Oscillazioni: |Vtd/Vts| md 0. 502 0. 006 ps-1 Tanta precisione per nulla. . . ms >14. 4 ps-1@95%CL LEP/SLD/CDF: 13 analisi! md/ ms ~ |Vtd/Vts| @ O(5 -10%) teorico

ms: prospettive Limite attuale: Xs> 20. 6 S. D’Auria Decadimenti: CDF Bs Ds l, Ds* l (Ds , K*0 K , + ) ~40 K eventi in 2 fb-1 Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs t K/K ~ 14% Tagging: Sensitività fino a xs 30 D 2 = 11. 3 % (complessivo)

CPV e CKM: gli angoli sin 2 : sin(2 + ): : Bd → J/y Ks, Ks Bd → , Bd → D e Bs → Ds. K Bd → DK A(t) = S sin( m t) + C cos( m t)

cf. M. Pierini Misure di • Charmonio+Ks (canali aurei) Stessa fase per alberi e pinguini, no incertezze teoriche Segnale abbondante e puro Sistematiche sotto controllo • D(*) e J/y 0 Fasi differenti, asimmetria non necessariamente sin 2 Necessitano di analisi piu’ complesse • Ks e h(‘)Ks Prevalentemente pinguini, misurano sin 2 nel MS ma sono particolarmente sensibili a nuova fisica

Modi con charmonio PRD 66 (2002) 071102 N(BB)= 85 106 Belle PRL 89 (2002) 201802 Ba. Bar cf. M. Pierini N(BB)= 88 106

sin 2 : Ks Belle cf. M. Pierini Ba. Bar Modello Standard: S Ks=Sy. Ks=sin 2 SUSY: F ~ 0. 01 – 0. 7 tasso( K) ~ 10 -2 tasso(J/y. K) → Misura statisticamente limitata!

Sommario sin 2 • Fit di CP dipendenti dal tempo oramai maturi • Misure con charmonio solide, consistenti con vincoli da misure indirette, non piu’ fattore limitante nelle analisi CKM • Modi con pinguini ancora con statistica limitata • Ks a 2. 8 dal valore atteso (0. 74) → nuova fisica? • h‘ Ks 1. 6 piu’ bassa → valore inatteso per la “contaminazone” dell’albero? http: //www. slac. stanford. edu/xorg/hfag/triangle/winter 2003/index. shtml

sin 2 : prospettive Errore sistematico B Factories Sistematico tag leptonico (Statistico aumenta ~70% ) Super B Factories Canale B-Factories 0. 1 ab-1 B-Factories 0. 5 ab-1 LHCb/BTe. V 107 s Super-B 10 ab-1 J/Y Ks 0. 067 0. 033 0. 017 0. 008 Ks 0. 51 0. 009 0. 23 0. 14 0. 056 Misure ridondanti ↔ sensibilità a nuova fisica

cf. M. Bona Sin 2 (eff) da B→ u B 0 b d u d d Mixing + T: b p- t u B 0 p+ Fase debole – fase forte e |P/T| modificano : k da analisi di isospin A(t) = S sin( m t) + C cos( m t) d p- u d d P: p+

cf. M. Bona sin 2 (eff) : stato e prospettive Oggi: 0. 08 ab-1 Differenza a livello di 2. 2. Valore di Belle fuori dalla regione fisica… Speculazioni teoriche sulla media. Troppo presto per tirare conclusioni… Estrapolazioni Super BFactory: (sin 2 eff) ~ 0. 03 in 10 ab-1 Stesso ordine di grandezza per LHCb/BTe. V

Analisi di isospin? Occorre misurare: k … ambiguità quadrupla! ( triangolo invertito e f -f) ’ Toy MC: BR( ) = 4. 7 x 10 -6, BR( 0 ) = 4. 1 x 10 -6 BR( 0 0) 1. 0 x 10 6 L = 0. 5 ab-1 L = 2 ab-1 k k Alta statistica e/o Br( 0 0)~0 L = 10 ab-1 k

sin 2 da ? • Analisi dipendente dal tempo, flavor-tagged, delle interferenze di stati finali 0 tramite plot di Dalitz, misura • Dipendenza da BR( 0 0) • Ambiguità dovute a bassa statistica • S/N basso (0. 3) • contributi non risonanti e/o riflessioni da risonanze superiori • dipendenza da fattori di forma, fasi, … B 0 + – - B 0 – + B 0 + – - B 0 0 0 Interference Region …difficile!

sin 2 : quando? Misura di precisione esclusivamente a super-B factory

Il ruolo di • • Esiste nuova fisica nel mixing Non è rivelata da misure di m, sin 2 Si può rivelare da processi “ad albero” che coinvolgono Errori anche grossi sarebbero sufficienti per dare evidenza di nuova fisica se si trovasse g>90°. +nuova fisica (1 - )2+h 2+nuova fisica 2+h 2

cf. G. Marchiori Metodi per • Analogamente: Bs D(*)s. K • Interferenza tra mixing e decadimento di B D(*) ricostruito parzialmente o completamente: sin(2 ) – Ampiezze dello stesso ordine di grandezza – ms >> md – Solo collider adronici, PID necessaria (LHCb/BTe. V) – Precisione dell’ordine di 8° – un’ampiezza è Cabibbo soppressa: difficile sperimentalmente e teoricamente! B 0 b d W d u c d b D(*) d W d c u D(*) d • errore di ~10° con 1 -2 ab-1 analizzando anche B 0 D(*) , a 1, Ks Caveat: – Errore dipende da valore misurato – Rapporto tra ampiezze incognito oppure piccolo e impreciso

Metodi per cf. G. Marchiori • Misure di processi B± D(*)X (violazione di CP nel decadimento) g, es. B± D(*)K • • Soppressione di colore Ambiguità x 8 non risolvibile con la statistica delle B factories attuali Studio effettuato con 600 fb-1 Riscalando a 10 ab-1, si risolvono ambiguità e si ottiene una precisione di 1° -2. 5° su • Rates e asimmetrie in B K , KK • Dipendenza da modelli teorici non ancora giunti a maturità • Sviluppi promettenti: decadimenti a 3 corpi, analisi Dalitz • B D(*)K(*), D(*)Ks, DKs , D(*)K(*) , … Misure ridondanti ↔ riduzione di errori e ambiguità

Sommario angoli CKM Angolo Babar (0. 5 ab-1) Super. Babar (10 ab-1) CDF Run. II BTe. V/ LHCb* Atlas/ CMS* sin 2 (J/y Ks) 0. 03 0. 008 0. 05 0. 02 sin 2 ( Ks) 0. 25 0. 06 0. 15 0. 14 ? sin 2 eff ( + -) 0. 14 0. 03 0. 1 eff- ( 0 0) <18° <7° - 5° ( ) - (DK, D* Ds. K) ~<10° <2. 5° <10° * 1 anno di run Una parola chiave: ridondanza (nuova fisica, ambiguità discrete, incertezze e input teorici) : la fase meglio misurata, B factories : la misura più difficile e a lungo termine, (S)B Factories : LHCb/BTe. V la misura migliore, B Factories concorrenziali

Scenario CKM tra 10 anni? • Ba. Bar, Belle, LHC-b e BTe. V: (sin 2 )~0. 01, (sin 2 (eff))~0. 03, ( )~5 o (lati) ~ 5% • Se non si saranno viste deviazioni dal meccanismo CKM, sarà la fine dei test di precisione sulla violazione di CP • Ma la ricerca di nuova fisica deve procedere anche attraverso lo studio di processi FCNC, cioé di. . .

Decadimenti rari Pinguino EM Decadimenti leptonici Pinguino EW

cf. F. Bucci Pinguini EW (Ba. Bar) Misure esclusive: 85 M coppie BB Teoria (SM): B(B+ K+ ) 3. 8 x 10 -6 56 M coppie BB, completamente ricostruito tag SL 2 eventi osservati (2. 2 bkgd atteso) B(B+ K+ ) 9. 4 10 -5 (90% CL) m(D 0)Rec-m(D 0)PDG ( m(D 0)) B(Xsll, inclusivo) =(6. 1± 1. 4+1. 4 -1. 1) 10 -6 Preliminare Signal Box Sideband Remaining neutral Energy (Ge. V)

cf. F. Bucci Decadimenti leptonici (Ba. Bar) • Già pubblicato, da aggiornare (Run 1+2) – BF(B ) < 1. 7 10 -6 (90% CL); int. lumi. 19. 4 fb-1 • ICHEP 2002 (Run 1+2): – BF(B e+e-) < 3. 3 10 -7 , BF(B + -) < 2. 0 10 -7 , – BF(B +e-) < 2. 1 10 -7 (90% CL) • Nuove analisi B+ + (Run 1+2), con: – Tag semileptonico o adronico completamente ricostruiti – Miglior limite disponibile (<4. 1 10 -4 @90% CL)

Decadimenti radiativi e nuova fisica • b s inclusivo: BR sensibile ai bosoni di Higgs carichi e alle particelle supersimmetriche; asimmetria di CP diretta è anche sensibile a nuova fisica • B /w , B K* – asimmetria di CP diretta e rapporto Br( )/Br(K* ) sensibili a MSSM – Rapporto sensibile anche a Vtd/Vts, con incertezza teorica ~10%. Crosscheck con oscillazioni

Decadimenti B Xsll e nuova fisica • B Factories: Misura di distribuzioni di decadimento oltre che di BR • Asimmetrie piccole in MS, grandi in MSSM • L’attraversamento a 0 dell’asimmetria FB di K*ll permette di discriminare tra vari modelli • Anche I decadimenti in Xs sono particolarmente sensibili a nuova fisica.

Decadimenti leptonici • B ll BR molto piccoli, ma potrebbero diventare misurabili grazie a contributi di nuova fisica (leptoquarks, nuovi bosoni di gauge, SUSY con violazione dell’R-parità) – Nessun evento SM atteso in 10 ab-1, livelli di sensibilità ~10 -9 – 10 -7, corrispondente a masse di ~10 Te. V per nuove particelle in alcuni modelli • B l poca sensibilità a nuova fisica, ma sensibile a |Vub|f. B, importante per calcoli su reticolo e cross-check per |Vub| – Precisione del 5% su t e 8% su in 10 ab-1

Sommario decadimenti rari Collider ~BFact Solo (S)BFact Solo collider Solo (S)BFact CAVEAT: nuova fisica a LHC dovrebbe manifestarsi soprattutto in altri canali. . .

Conclusioni • I test di precisione di CPV e FCNC in fisica del B saranno un campo di ricerca avvincente nei prossimi anni • Non esiste un canale d’oro – Necessario interpretare misure di diversi processi, effettuate in condizioni sperimentali differenti – La sensibilità sperimentale va confrontata con la chiarezza teorica • Non esiste un rivelatore vincente – Le B factories hanno scoperto la violazione di CP nei decadimenti dei B • sin 2 ~misura di precisione. • Luminosità attuale ~0. 1 ab-1; 0. 5 ab-1 nel 2006; almeno 2 ab-1 per esperimento per la fine del decennio – Super-B factory (~10 ab-1) per misure esclusive ( , decadimenti rari con neutrini) o concorrenziali con collider adronici nel settore della fisica del sapore esclusive – Collider adronici competitivi per , , ms, canali rari in 2 leptoni

Ringraziamenti: M. Bona, F. Bucci, G. Cavoto, S. D’Auria, R. Faccini, F. Ferroni, L. Lanceri, M. Pierini, M. Rotondo, A. Sarti, F. Simonetto

Backup

PEP-II without upgrades peak 1. 6 x 1034 integrated 0. 5 ab-1 2006 1. 1 ab-1 2009

PEP-II upgrade scenarios From J. Seeman/SLAC NO (Super-KEKB? ) 2 ab-1 in 2009 Minimal upgrade Super. PEP/Super. Bar Feasible from 2005 Shut-down 3 months 0. 4 0. 5 ab-1/year Limited cost Year 20. . . ? New collider, (and new detector…) Snowmass: 370 M$

What about KEK-B/Belle upgrades ? Eo. I (January 2002): Super KEK-B, L = 1035 cm-2 s-1 - LER: e- , I = 10 A; HER: e+, I = 3 A Linac upgrade (e- e+) - Vacuum system (ante chambers); RF system (52 cavities, 12 SC) - 15 mrad crossing, final focussing Total cost (KEK-B + Belle): 400 M$ Eo. I preliminary plan:

Vincolo su k k cf. M. Bona sin 2 eff = 0. 02`0. 34`0. 05 with 2 eff = 2 k Grossman-Quinn bound: F BR(B 0→ 0 0) < 3. 6 10 -6 (81 /fb) _k/2=| eff- | < 51 o F’ ’ UL corrente Luminosità ~ininfluente | eff – | < 190 con 10 ab-1 signal BR = 0. 5 e-6 Metodo funziona meglio

Quasi-2 -body B 0 Acp 81. 9 fb-1 Violazione diretta di CP? hep-ex/0207068

da B-g. D 0(CP)K- (Gronau-London-Wyler) cf. G. Marchiori Osservabili: n 1, p 1, n 2, p 2 Parametri teorici: , r,

da B-g. D 0(CP)K-: proiezioni Risultati sperimentali recenti (Ba. Bar) Proiezioni da Toy MC: (Fit non stabile per r = 0. 1) r=0. 3 (0. 5 ab-1), sin 2 = 0. 75 fit: sin 2 = 0. 72 0. 23 = (59. 9 10. 2)o r=0. 2 (2 ab-1), sin 2 = 0. 75 fit: sin 2 = 0. 71 0. 14 = (58. 5 7. 4)o r=0. 2 =60 o =30 o (2 ab-1) ACP=0. 174 0. 031 CPV diretta accessibile anche a statistica “moderata”

Charmless decays: Direct CP violation? Time-integrated CP asymmetries: No evidence for direct CPV yet Theoretical expectations: Tree + Penguin: ACP 10% Pure Penguin: ACP 1% Present sensitivity (most channels) stat. ACP 10% syst. ACP 1 2% Charge asym.