Das BELLE Experiment: Resultate und Zukunftsperspektiven ÖPG-Fakt G.Leder 28.September 2005 Das...

Das BELLE Experiment: Resultate und Zukunftsperspektiven ÖPG-Fakt G.Leder 28.September 2005

Das BELLE Experiment

• Das Experiment

• B-Physik : Ausgewählte Resultate

• Zukunftsperspektiven: Superbelle vs LHC

Gerhard LEDER Hephy ÖAW-Wien

~1 km in diameter

Mt. Tsukuba

KEKBBelle

KEK 　高エネルギTokyo 東京


Lpeak=1.56 x1034cm-2sec-1

design=1034cm-2secKEKB Collidere-

8GeV

e+

3.5GeV

= 0.425

B-“Fabrik“(auf 4s Resonanz)

B-“Fabrik“(auf 4s Resonanz)

BBthreshold

BBSchwelle


Kontinuierliche InjektionKein Grund, Run zu unterbrechen

Immer bei ~max. Strömen, Luminosität~30% mehr L dt KEKB & PEP-II

HER Strom

LER Strom

kontinuierliche Injection (neu)normale Injektion (alt)

Luminosität

0 12 24Time

~1 fb-1/Tag ! (~1x106 BB)-


SVD

Der BELLE Detektor


Unterschied SVD1.6 und SVD2.0Rbeampipe

15 mm

Rlayer 1

20 mm

Routside

88 mm

6+12+18+18=54

LaddersSVD2

Rbeampipe

20 mm

Rlayer 1

30 mm

Routside

60 mm

8+10+14=32

Ladders SVD1


Wiener R/O & Trigger Elektronik

R-PHI Trigger

R-Z Trigger

24 input OR and

analog signal input from

VATA

2 x 18 FADCTF


B Zerfälle und das Standard Modell

Elektro-schwach

Hadronen

Quark NiveauQuark Niveau

EndzustandEndzustand QCD/LatticeNeue Resonanzen

QCD/LatticeNeue Resonanzen

b-Quarks sind schwer Vielfalt von Zerfallskanälen

Reiches Feld für fundamentale SM Parameter

1

2

3

Vtd Vtb

Vcd Vcb

Vud Vub*

*

*


B Zerfälle und “Neue” Physik

ExperimentelleMessung SM Vorhersagegleich?

Tieferes VerständnisTieferes VerständnisNeue Physik ?Neue Physik ?

JaNein

Wesentlich: ANP ~ ASM (klein/verboten)

b t s,dg,,Z

WPenguin

b x s,d+

Neue Teilchen, Phase


Kontinuums Unterdrückung

e+ e-

e+ e-

qq

Signal B

Anderes B

Dominanter Untergrund für seltene Zerfälle:

Continuum

Jet-like

BB

sphärisch

e+e qq “Kontinuum” (~3x BB)

Zur Unterdrückung:Verwende “event shape” Variable

Continuum

Y (4S)


Die Standard Modell Physik bei BELLE

selbstkonsistent falls SM korrekt

Vtb*Vtd

Vcb*Vcd

Unitaritäts Dreieck

Vub*Vud

Vcb*Vcd

Vtb*Vtd

Vcb*Vcd

+ 1 + = 0

i i

{i=1,k=3}: Vub*Vud+Vcb*Vcd+Vtb*Vtd = 0 d s b

u Vud Vus Vub

c Vcd Vcs Vcb

t Vtd Vts Vtb

CKM-Matrix

1

i

0

BB00->ππ->ππBB00->->ππ

BB00->J/->J/KKss

BB00->->KKss

BB00->D->D((**) ) DD((**))BB00-> D*π-> D*πBB00->D*->D*B->DB->DCPCPKK

Vub*Vud

Vcb*Vcd

1

2

3


Penguin d

b

d

s/d

u

u

W

B0d -

+Vus/d

Vub

Tree

• Einfachster charmloser seltener Zerfall• Tree - Penguin Interferenz Direkte CP Verletzung

Wesentliche Vorhersage des Kobayashi-Maskawa Modells

Wesentliche Vorhersage des Kobayashi-Maskawa Modells

Verstehen des Penguin

_ _ (B f ) (B f ) _ _ (B f ) (B f )

ACP =

Anomalie (Neue Physik)

B0d

d

b

du

u

W

g +

-

Vts/dVtb

ts/d

Direkte CP-Verletzung:B K/


ACP(B0 K)

Evidenz für DCPV bei Belle auch bei [A() 3.2]

ACP = -0.101 0.025 0.005 [PID Effizienz Biaskorrektur: A = -0.01 0.004]

275M BB

3.9 Signifikanz

PRL93,191802(2004 )

B0 K _B0 K

Signal: 2140 53


„Goldener“ KanalPrinzip der Messung B-Flavour Tagging

t=1.6 ps z 200, 250 m

Exklusive B Meson Rekonstruction

/rec tagt t t z c

kohärente BB Produktion

sin2

m

B ΨKS,L

B ΨKS,L

Quark Übergang b ccs

Zeitabhängige CP Asymmetrie


•Indirekte CP Verletzung : Mixing und/oder•Tree - Penguin Interferenz sin21(bccs) = 0.685 0.032

B0

B0 B0

Vc

b

Vt

b

V*

V*Vtb

V*2

td

td

td

J/

J/

KS

KS

Vc

b

Neue Physik ?


Radiative und EW Penguins

• Br(b→s) ≈ 3.5×10

• Br(b→sl+l≈ em×Br(b→s) ≈ 10

• Neue Teilchen (via “loops”) können beträchtlichen Beitrag leisten zu Zerfallsraten und/oder Asymmetrien.

• Gutes Testfeld für SM und

”jenseits” SM.

b→s, sl+l Zerfälle via FCNC Box und Penguin Diagramme

b→s

b→sl+l

Zukünftige Untersuchungen:

NEU: b→d


K

D

D*

Mass- / Vertex fit

e+ e-3.5 GeV 8 GeV

K

KD*

D

e/µ

Neuartige Methode der Rekonstruktion

D0 inklusiv

zusätzliche primäreMesonen

Laurenz Widhalm

Analysen am HEPHY (eine herausgegriffen)

Vollständige Rekonstruktion

Siehe unser Poster bei ÖPG


q² Verteilung: Vergleich zu Lattice QCD Semileptonischer Formfaktor

D0 lD0 l D0 KlSemileptonische Zerfälle

CLEO PRL94,011802(2005)

lattice calc.pole model

Siehe unser Poster bei ÖPG

Resultate


LHC: Maximale Energie

BsDsK, B0D0K*0, B0BsKK, …

B0K* B0K*0l+l-, bsl+l-, Bs...

B0Ks, BsB0B0…

BsDs, … BsJBsJ(’)

Ein komplettes Program mit B Physik enthält:• Präzise Messung von B0

s-B0s Mixing:

ms, s und Phase s.

• Präzise Bestimmung von Prozessen nur bei “tree-level”, um mögliche NP-Beiträge herauszufiltern.

• Mehrere andere Messungen von CP Phasen in verschiedenen Kanälen um Unitaritätsdreieck überzubestimmen

• Riesiger bb WQ: bb~500 b @14 TeV (~1nb @(4S) )

• Zugang zu allen b-Hadronen: Bd,Bu, Bs, b-Baryonen und Bc

Vorteile von LHC:

• Suche nach Effekten der NP, die in seltenen exklusiven and inklusiven B Zerfällen auftritt


FCNC sind offensichtlich stark unterdrückt:Jede „Neue Physik“ im TeV-Bereich muss einen Mechanismus haben, der FCNC-Prozesse unterdrückt.Ausgeprägte Flavor-Struktur auch bei niederer Energie! Abweichungen vom SM in Flavor Physik suchen!Verschiedene SUSY-Modelle haben unterschiedliche Vorhersagen für „Zeitabhängige CP-Asymmetrien“,obwohl sie ähnliches Massenspektrumhaben können (etc.)

Die Sensitivität zukünftiger B-Experimente

Maximale Luminosität


KEKB Collider Upgrade Scenario

~1010 B mesons/year !!

& also +-Lpeak = 1.561034cm-2s-1

Ltot = 431fb-1 (May.14, 2005)

crabcavities

Major upgrade ofKEKB & Belle(>1yr shutdown)

world records !

1.5x1034

431 fb-1

~5x1034

~1 ab-1

~5x1035

~10 ab-1Lpeak (cm-2s-1)Lint


Zusammenfassung (1)

SM bisher überraschend selbst in Details erfüllt!Bestimmung der CKM-Matrix-Elemente im SM

Indirekte CP-Verletzung A(t) bestimmt mit hoher Präzision

sin21(bccs) = 0.685 0.032

Grosse Anstrengung auch die beiden anderen Winkel zu messen(2 und 3)Außerdem „Seitenlängen“ des Dreiecks: md und ms, sowieVub/Vcb etc.

sin21(bsqq) Bedeuten andere Werte für schon „neue Physik“ oder„nur“ Penguin-Beitrag ?


Zusammenfassung (2)

Beträchtliche Direkte CP-Verletzung (3.9 )

ACP (B0 K+ -) = -0.101 0.025 0.005

Asymmetrie Materie-Antimaterie im Universum ?

Molekül D*0D0 = 4 Quarkzustand oder konventionelle Erklärung?

Neues Gebiet: Ds- Spektroskopie etc.

BELLE ist bei vielen Gebieten an vorderster Front:

SUPERBELLE mit höherer Luminosität

Komplementarität : LHC Superbelle


Methoden um B Signal zu extrahieren:

1) Cut auf MB und Fit an ECut auf E und Fit an MB

3) Zwei-dimensionaler Fit an MB und E Verteilung4) Falls B->P1P2P3: Cut Eund

MB Box und suche resonante Strukturen in M(P1P2) Massen Verteilung.

Prozedur, um B Signal zu extrahieren

Zwei fast unabhängige VariableN MB undE können verwendet werden -->B Meson

MB = (Ebeam)2 – ( Pi)2

E = Ei - Ebeam

*

*

Verwende spezielle Kinematik des (4S)


Zeitabhängige CP Asymmetrie

0 0

0 0

( ) ( )( )

( ) ( )

sin cos

CPCP

CPCP

B fB fCP

B fB f

d d

t tA t

t t

m t m tS A

2

2

2

2Im( )

1

1)

1, ( CAS

2 ( )

( )Mi CP

CP

A B fe

A B f

• CP Verletzung zeigt sich aus Eigenzeit Differenz Verteilung von zwei B Meson Zerfällen

• Zeitabhängige CP Asymmetrie ACP ist:

•Standard Modell Vorhersage: S(ccs) = sin21, A(ccs) = 0

S(sss) = sin21, A(sss) = klein


Überblick: Background Zusammensetzung

Signal

nicht-D° bkg

hadronisch bkg, misidentifizierte K

Hadronisch bkg, misidentifzierte

bkg von D° Kl

bkg von D° K*lD° *l

D° eD° e D° D°

DATA DATA

Invariante Neutrinomasse2 Alle Cuts außer Neutrino- masscut

Invariante Neutrinomasse2 Alle Cuts außer Neutrino- masscut


Christoph Schwanda


Continuums Unterdrückung

To separate spherical BB events from jet-like continuum events, topological variables are used:

1) Second Fox-Wolfram moment2) Super Fox-Wolfram (six modified Fox-Wolfram

moments, Fisher discriminant)3) Angle between B meson and beam axis direction4) Angle between thrusts of selected B meson particles and

all other particles in event

Likelihood ratio includes all info.


• Rekonstruiere B J/K0 Zerfälle• Messe Eigenzeit Differenz: t • Bestimme flavor von Btag

• Berechne CP Asymmetry aus beiden t Verteilungen

Prinzip der Messung

e ee: 8.0 GeVe: 3.5 GeV

BCP

z

Btag

(4S) ~ 0.425

fCP (J/K0)fCP (J/K0)

z cB ~ 200 m

Flavor tagFlavor tag( )

z

ct

( )

z

ct

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