“Beautiful Physics” mit LHCb

LHCb

Ulrich Uwer Physikalisches Institut

Universität Heidelberg

Heidelberger LHC Treffen

B Production at LHC

LHC

• pp collisions at s = 14 TeV

• Forward production of bb, correlated

• Bunch crossing (BX) rate of 40 MHz

• Multiple interactions per BX possible

• single interactions preferred L ~ 2 x 1032 cm-2s-1 tuned ~1012 bb events/yr produced

• all b hadrons produced: Bu (40%), Bd(40%), Bs(10%), Bc and b-baryons (10%)

LHCb

• Single arm forward spectrometer 12 mrad < < 300 mrad(1.8<<4.9)

inel ~ 80 mb

bb ~ 500 b

bb production:(forward!)

b b

A typical B event

Full GEANT simulation

• decay length L typically ~ 1 cm in LHCb• decay products with p ~ 1–100 GeV• need to tag production state (flavour) of B

b hadrons are not coherent: mixing dilutes tagging

LHCb – Experiment

• Exzellente Vertex-Auflösung

• Gute Teilchenidentifikation

• gute Massenauflösung

• Flexibler+effizienter B-Trigger für nicht leptonische Zerfälle

• Moderate Lumi Anforderung L ~ 2 x 1032 cm-2s-1

Nutzung des B-Potenzials von Beginn an: ~1012 bb Ereignisse/Jahr

• Lumi-Tuning auf optimal. Wert

• Offene Geometrie erlaubt mit Upgrades auf neue physikal. Fragestellungen zu reagieren

Vorwärtsspektrometer

Trigger

HLT rate Event type Calibration Physics

200 Hz Exclusive B candidates Tagging B (core program)

600 Hz High mass di-muons Tracking J/, bJ/X (unbiased)

300 Hz D* candidates PID Charm (mixing & CPV)

900 Hz Inclusive b (e.g. b) Trigger B (data mining)

high IP, high pT tracks [software,1

ms]

HLT: software using complete event [10 ms]

40 MHz

1 MHz

40 kHz

2 kHz

high pT (m,e,g,h) [hardware, 4 ms latency]

storage

detector

30%

Leptons

B Physik - heute

037.0725.0]2[sin WA

ca. 600 Mio BB Paare on-tape

Eine Vielzahl an Messungen

B Fabriken

Highlights

Setzt den Rahmen für B Physik am LHC:

Nachmessen von sin2β ist nicht das Ziel

• CP Verletzung im Bd System

169101 o

R.Nogowski & K.Schubert, Dresden

KB0

• Messung von |Vcb| mit 2% Fehler

• Direkte CP Verletzung im Zerfall

B Physik bei LHCb

W

New Physics

WNew

Physics

Bs Meson Präzise Bestimmung der Mischungsparameter

Messung CP Verletzung in Bs Zerfällen Bestimmung der Phasen und

Die gleichzeitige Messung von Bs und Bd Zerfällen reduziert theoretische Unsicherheiten.

Bd Meson Weiterführung des Programms der B-Fabriken

insbesondere dort wo es statistisch limitiert ist.

Vielzahl an unterschiedlichen Messungen erlaubt die “indirekte Suche“ nach neuer Physik

Seltene Zerfälle mit BR ≤ 10-9

B0 →D0 K*0

= B0→ + ,

and B0 + Bs K+ K

, Bs→ J/()

Bs→ DS K

ms Bs→ DS

0,dsB

Beispiel: Neue Physik im B Mixing

Φd = 2 + ΦdNP

Φs = 2 + ΦsNP

CPV in B0 J/ Ks ~sin(2+ΦdNP)

B0 D* ~sin(2+ΦdNP+)

Bs J/ ~sin(2+ ΦsNP)

Bs DsK ~sin(2+ ΦsNP+)

Rate of B0 D0 K*0, D0K*0, D0CP

K*0

Redundante Messungen: notwendig um CKM Phasen von Effekten Neuer Physik zu untescheiden

WNew

Physics

B(s)B(s) mixing phase:

Messung der CP Asymmetrie:

Aktuell: Neue Physik in BKS ?

b ss

sd

dg

, ,u c t

0SK

0B, , ( )CPKK

W

sin2β aus ccK Zerfällen und

sin2β inssK Pinguin Zerfällen

Mögliche Beiträge Neuer Physik

4

4 Diskrepanz

Physik-Potenzial

Beispiele für Potenzial:

• Messung der BS Oszillation: mS

• Gold plated decay BsJ/Φ

• Messung des CKM Winkels • Seltene Zerfälle

B Physik am LHC erlaubt die indirekte Suche nach Neuer Physik. Komplementär zur direkten Suche bei ATLAS und CMS.

Channel Trig (L0+L1) tot Yield B/S

B0 34 % 0.69 % 26 k < 0.7

B0 K 33 % 0.94 % 135 k 0.16

Bs K-+ 37 % 0.55 % 5.3 k < 1.3

Bs KK 31 % 0.99 % 37 k 0.3

Bs Ds 31 % 0.34 % 80 k 0.3

Bs Ds-+K+- 30 % 0.27 % 5.4 k < 1.0

B0 J/KS 61 % 1.39 % 216 k 0.8

B0 J/e-eKS 27 % 0.16 % 26 k 1.0

Bs J/ 64 % 1.67 % 100 k < 0.3

Bs J/e-e 28 % 0.32 % 20 k 0.7

B0 36 % 0.03 % 4.4 k < 7

B0 K 38 % 0.16 % 35 k < 0.7

s 34 % 0.22 % 9.3 k < 2.4

1 year (107s) at L = 2x1032 cm-2 s-1

tot det* rec/det* sel/rec* Tri g = 0.120.920.180.34norm. to 4 ( for B0

Ereignis-Raten

470

1600

2800

1200

2x640

BABAR

events

ms with BsDs+(KK)-

Expected unmixed Bs Ds sample

in one year of data taking (fast MC)

Annual event yield: 80k

Background B/S: 0.32

Tagging probability: 55 %

Mistag probability w: 33 %

Proper time res. 33 fs (core)

ms (ps-1) 15 20 25 30

(ms) 0.009 0.011 0.013 0.016

Statistical precision / yr

5 observation of Bs oscillation: 68 ps-1 / yr

SM prediction: ms20 ps-1

Φs and and ΓΓss with B with BssJ/J/ΦΦ

• The “gold plated decay” of Bs: SU(3) analogue of Bd J/Ks

• ACP measures mixing phase Φs

In SM: Φs = -2 = -22 ~ -0.04

• event yield () / yr: 100k background B/S <0.3

proper time resolution 38 fs

If Γ/Γ is ~0.1, can do a 5 discovery in one year

() ~ 2 O

/JBs

SM in 0

)/()/(

)/()/(00

00

CP

CP

A

JBNJBN

JBNJBNA

Sensitivity after 1 year

)(2

1LH

LH

ACP0 New Physics in Bs mixing

from BsDs+K+

Measure s from time-dependent rates: BsDs

K and BsDsK

(+ CP-conjugates) Use s from BBssJ/J/

After 1 year, if s/s = 0.1, 55 < < 105O

ms 20 25 30

(+Φs) 14 0 16 0 18 0

event yield () / yr: 5.4k

background B/S: <1.0

Only tree diagrams:insensitive to new physics in B mixing

Time dependent BsBs asymmetries

5 yrs of data, ms=20 ps-1

BsDsK

BsDs

from B and BsKK

• bu decays are sensitive to

• large penguin contributions in both decays

• Theoretically difficult to extract P/T ratioBd/s

/K

/K

/K

/KBd/s

Measure time-dependent CP asymmetry for B and BsKK and exploit U-spin flavour symmetry for P/T ratio (R. Fleischer).Take s, d from J/,J/Ks can solve for

BdM=17 MeV

Use RICH for K/separ.

without RICH

B (26k / yr)

BsKK (37k / yr)

BK+ (135k / yr)

BsK+ (5.3k / yr)

() = 46 deg

B0K*0 +-

SM:

BR(B0K*0 +-) = (1.2 0.4) x 10-6

Measurement determines |Vts|

Variables sensitive to New Physics:

+- invariant mass distribution

+- forward-backward asymmetry FBA = (+, B direction in +- CMS)

Annual yield (SM): 4.4kEfficiency: 0.7%Background (B/S) <2

(BR) ~ 2%(ACP) ~ 2%

AFB(s)

(AFB)

In 5 years: (AFB )~ 0.1

Bs0

BR(Bs0+)SM = (3.50.1)x10-9 Good sensitivity to NP

BR(Bs0+)SUSY ~(tan6, ACP ~(tan3 for large tan

LHCb: 1 year 17 events Bs0

Backgr. study requires additional MC statistics, present limit from bX+cc. B/S<5.7 (MBs)=18 MeV/c2 SM signal in the first

year !

Heidelberger BeiträgeBisher haben sich die Heidelberger Gruppe auf ihre Hardware Aufgaben konzentriert.

Gruppe ist aber auch im Bereich der Datenanalyse nicht unvorbereitet:

• HERA-B Beteiligung

• BABAR Beteiligung

Ab 2006 müssen wir uns auch verstärkt an Physik-Vorbereitung beteiligen

• Wichtiger Zugang zur Datenanalyse werden die Beiträge zur Spur- und Vertex-rekonstruktion sein.

1. Bs Mischungsmessung

Messung der Bs Mischung ist Voraussetzung zur Messung der zeitabhängigen CP

Asymmetrien. Erstes wichtiges Resultat von LHCb.

2. CP Verletzung im Bs System

Messung zeitabhängiger Zerfallsasymmetrien zur Bestimmung der CP Phasen: und . Test möglicher Beiträge neuer Physik.

Zu diesen Messungen gehören eine Reihe vorbereitender Bench Mark Messungen.

Analyse-Schwerpunktthemen