Neue Ergebnisse der B-Meson Fabriken

Klaus PetersRuhr-Universität BochumBad Aachen11. März 2003DPG Frühjahrstagung

Überblick

CP-Verletzungeff, und

Seltene B-Zerfällenon bc Übergänge

bu, bs, leptonischSM-Tests

CKM ElementeVub/Vcb (s. Parallelsitzunen), Vtd

Weitere Vorträge

T 302.2 L. Wilden Messung des CKM Matrixelements |Vub| mit exklusiv semileptonischen B-Meson Zerfällen bei BaBar

T 302.3 R. Dubitzky Messung des CKM Matrixelements |Vcb| mit exklusiv rekonstruierten B0D*-e+e mit dem BaBar Detektor

T 302.4 R. Nogowski Bestimmung der CKM Matrixparameter mit dem Programmpaket ckmLfit

T 302.5 S. Christ Inklusive Messung der K-Meson Produktion in B-Meson Zerfällen bei BaBar

T 306.2 E. Maly Messung des inklusiven Spektrums neutraler Pionen aus Y(4s)- und Kontinuumereignissen bei BaBar

T 504.4 R. Dubitzky BaBar Erfahrung am GridKa

Sowie weitere Parallelvorträge bei der DPG Tagung HK in Tübingen 17.-21.3.2003

PEP-II maximale Luminosität 4.971 x 1033cm-2s-1 (Design Ziel 3.0 x 1033)

PEP-II erzeugt 111 fb-1

BABAR aufgezeichnet 106 fb-1

SLAC B-Meson Fabrik

9 GeV e- on 3.1 GeV e+

Boost = 0.55

IP beam size 147 m x 5 m

BABAR Detector

BABAR Detector

SVT: 97% Effizienz, 15 m z hit Auflösung (innere Lagen, 0° Spuren)

SVT+DCH: (pT)/pT = 0.13 % pT + 0.45 %

DIRC: K- Separation 4.2 @ 3.0 GeV/c 2.5 @ 4.0 GeV/c

EMC: E/E = 2.3 %E-1/4 1.9 %

KEKBAsymmetrischer e+e- collider

@ (4S) region (10.58 GeV)

e : 8.0 GeV, 1.1Ae+: 3.5 GeV, 2.6A

finite angle crossing ±11mrDesign L=1034 cm-2s-1

Belle Detektor

peak L= 8.256 1033 /cm2s-1

aufgezeichnet 115.6 pb-1

Viele B-Zerfälle sind selten

Hadronisch bsgPinguin: B’K, K(*)

Unterdrückt bu (tree)Bhh, hhh

Elektromagn. bs/dPinguin: BK(*), Xs, /

Elektroschwach bsZ/Pinguin: BK(*)l+l-, Xsl+l-

mES ~ 3 MeV

Experimentelle Überlegungen

*2 *2ES beam Bm E p

* *B beamΔE E E

Signal

1) Benutze Strahleigenschaften 2) Kontinuum Unterdrückung

Signalu,d,s,cbackground

Fisher Disk.

Arb

itra

ry U

nit

s

Thrust Schnitte

Fisher Diskriminante

Neuronale Netze

4) Globale Maximum Likelihood Fits

3) Tagging

Kontinuum

B background

Quartette haben messbare PhasenSie definieren die Winkel , und

CKM Matrix Unitaritätsdreieck

1

2

3

Schwache WW der Quarks im Standard Modell

Unitaritätswinkel

*ub udV V

*cb cdV V

*tb tdV V

Charmonium und Open Charm (Vcb) B-ZerfälleB (cc)h , B DD“Große” Raten, “wenig” Komplikationen...

B0-B0 Mischung und CP Verletzung

B0

B 0

fCP

0 0L,HB p B q B b

d

d

bu,c,t

u,c,t

top quark box: Vtb Vtd*

t /

f d f d

ef (t) 1 S sin( m t) C cos( m t)

4a

md = mH - mL

W W

2

ff 2

f

1C

1

f

f 2

f

2ImS

1

0CP

f 0CP

q A(B f )p A(B f )

td

*td

q V~

p V

0CPf (B f )

0

CPf (B f )

Direkte CP Verletzung: mehrere Amplituden mit unterschiedlichen Phasen

Sensitiv auf die Phase von f auch ohne direkte CP Verletzung

Theoretisch sauber:Tree level dominiert und CP nur von B0B0 mixing

Relativ großes BRKlare experimentelle Signatur

CP Asymmetrie in B0 (cc)K0

+ -fCP d

+ -

ffA (t) sin2 sin( m t)

ff

f = f e-

i2f=±1

0

CPf

0CP

A(B f )qp A(B f )

B0 K0

B0 Mixing Decay K0 Mixing und Zerfall

cc

s

dd

b

* * * *2itb td cb cs cs cd ud us

CP CP CP* * * *tb td cb cs cs cd ud usK

V V V V V V V Vq A qe

p A p V V V V V V V V

Zeitabhängige CP Analyse

0tagB

+e-e

4S0recB

Ks0

J/

-

-(9 GeV) (3.1 GeV)

+

e+

e- BCP

BTag

t z/(signed!)

K+

Vertex and t Rekonstruktion

Rekonstruiere Breco Vertex

durch Zerfallsprodukte

Bestimme BTag Vertex

Übrigen Spuren Constraints

Breco Vertex

beam spot und Y(4S) impuls

Hohe Effizienz 95%

Mittlere z Auflösung ~ 180 m (BTag dominiert)

(<|z|> ~ 260 m)

t Auflösungsfunktion wird dabei aus den Daten bestimmt

Beam spot

Interaction Point

BREC Vertex

BREC Spuren

BREC Richtung

BTAG Richtung

TAG Vertex

TAG Spuren, V0s

z

0tagB B

perfekte(s) tagging & t Auflösung

0tagB B 0

tagB B

typische(s) mistagging & t Auflösung

Nötig: mistag Anteil w und t Auflösungsfunktion Rfür CP Asymmetrie MessungWerden aus B0B0 Mischungsereignissen extrahiert.

f dB

t Bef( t) 1 sin2 (1 2w)sin( m t) R

/

4

0tagB B

Tagging Fehler und t Auflösung

# Ereignisse und Reinheit

Datensatz Ntag Reinheit

J/ Ks(+-) 974 97%

J/ Ks(00) 170 89%

(2S) Ks 150 97%

c1 Ks 80 95%

c Ks 132 73%

Total (f = -1) 1506 92%

J/ KL 988 55%

J/ K*0 (Ks0) 147 81%

Alle CP Moden 2641 78%

2 2cm cmES beam Bm E p

cm cm0 beamB

E E E

Neu: B0 c Ks

wobei c K+K-0, K+Ks -

BaBar 88x106 BB

sin2 = 0.723 0.158 (f=+1) sin2 = 0.755 0.074 (f=-1)

Resultat

f =-1 f =+1

sin2 = 0.741 0.067 (stat) 0.033 (sys)

|f| = 0.948 0.051 (stat) 0.017 (syst)

Sf = 0.759 0.074 (stat) 0.032 (syst) nur f=-1

BABAR

Vergleich mit dem Standard Modell

Eine Lösung für stimmt hervorragend mit anderen Messungen der Dreiecksspitze

Method as in Höcker et al, Eur.Phys.J.C21:225-259,2001

= (1-2/2)

= (1-2/2)

sin2 = 0.741 ± 0.067 (stat) ± 0.033 (syst)

88x106 BB

BABAR

sin2 = 0.719 ± 0.074 (stat) ± 0.035 (syst)

85x106 BB

Belle

Cabbibo-suppressed mit

schwacher Phase wie b ccs (tree)

Pinguin Anteil unklar(erwartet: < 0.1 tree)

Kein CP Eigenzustand,CP gerade (L=0,2) und CP ungerade (L=1)

Winkelanalyse nötig (Transversalitäts-Basis)

(b ccd) mode B0 D*+D*-

Ntagged= 102

Purity = 82%

Falls Pinguine unwichtig sind

sin2 = -0.310.43(stat)0.10(syst)

2.7 kompatibel mit cc-Moden(Annahme ohne Pinguine!)

B0

D* -

D* +

B0

D* -

D* +

Vcd

(bccd) in B0J/0

Cabibbo und color-suppressedModen mit vergleichbaremTree und Pinguin-Anteil

Ntagged = 49

Reinheit = 59%f = + 1

Vcd

Tree: ~VcbVcd* ~ O(3)

schwache Phase wie bccs

Pinguin: ~VcbVcd* + VubVud

* ~ O(3)zusätzliche schwache Phase

Ohne Pinguine C=0

S = - sin2

Charmloser Zerfall von gluonischen Pinguin

dominiert (b sss)Schwache Phase wie b ccs, aber sensitiv

zu neuer Physik in den Schleifen

Pinguin Moden: sin2 aus B0KS

Kleines BR ~O(10-5) Signifikanter Untergrund qq Kontinuum

Ntagged = 66 (nur K+K-)

Reinheit = 50%f = - 1

Fix |K| = 1, fit: SK = +0.19 (stat) 0.09 (syst)

SK = -0.73 0.64 (stat) 0.18 (syst)

+0.52- 0.50

BABAR

Belle

Erste Analysen zu CP-verletzenden Phase und möglicher neuer Physik

in Pinguin ZerfällenB0K0

S

B0J/0

und open charm ZerfällenB0D*+D*-

Zusammenfassung sin2

Neue Messung von sin2 in Charmonium Moden

Verbesserte Resultate durch steigende Luminosität und verringerten Systematischen Fehler

(Erste BaBar Resultate)

Millionen BB Paare

July 00

Feb 01

July 01Mar 02

July 02

BABAR

Unitaritätswinkel

*ub udV V

*cb cdV V

*tb tdV V

Charmlose (Vub) B Zerfälle

B , B Situation ist wesentlich komplizierter...

– CKM Struktur

Pinguin und Tree Anteile tragen gleichsam beiaber mit unterschiedlicher schwacher Phase...

Messung: – zu K– Verhältnis – große Pinguin Anteile

Kann durch Isospin-Analyse entschlüsselt werdenda Pinguin und Tree verschieden beitragen

Für die Zukunft: 0 analysis noch nicht realistischAktuelle: messe “eff” das Pinguin/Tree Effekte einschließt

b

ddW– uu

d

bt,c,u

g

W–

d d

d

uu

bt,c

g

W–

d

du

u

d

eff – Isospin Analyse

Signifikante Pinguine Anteile führen zu

|| 1Im = || sin(2eff)

Isospin Analyse: Dreiecks-Konstruktion

Definiere = 2eff – 2

verlangt die Messung aller Seitenaber “nur” Zeit-integrierte Observable

Aber geTagged!

Schwierig!

– Ereignisse

Peaking Background (K) unterdrückt durch DIRC PID

Klares Signal

– Resultate

Zeit-abhängige Fits

S = 0.02 ± 0.34 ± 0.05C = –0.30 ± 0.25 ± 0.04

S = –1.25 ± 0.41C = –0.77 ± 0.27 ± 0.08

BABAR

Belle

– – Verbindung to

Trotzdem können wir etwas lernen(Für diese Experimentgeneration)

Limits für |eff – | mit der totalen B0B0 00 Rate

(Grossman-Quinn analysis)

1023 E. ~2.59

|eff – | < 51o (90%CL)

BR(B000) < 3.610-6 (90%CL)

– Ein anderer Zugang

Isospin Analyse ersetzt durch Interferenzanalyse im (+–0) Dalitz plot

Unterschiedliche Phasen in verschiedenen BereichenNoch nicht genug Statistik fürvolle Analyse bislang: nur Bänder:

3433

22K 21

N 413

N 147

PID wichtig!

Zusammenfassung

Inzwischen genug Statistik um die Untersuchung zu beginnen

Bislang keine eindeutige Evidenz für CP Verletzung

Saubere Messung immer noch in der Zukunft : Wahrscheinlich in der nächsten Generation

Modellabhängige Analysen bis dahin

: Vielversprechender Start500 fb-1 Ära der B-Fabriken ermöglicht modellunabhängige Resultate

Unitaritätswinkel

*ub udV V

*cb cdV V

*tb tdV V

Die Seiten des Dreiecks

*ub udV V

*cb cdV V

*tb tdV V

Vub, Vcb, Vtd

SUSY in B → K* ?

SM: Acp ≤ 1% in SM.

SUSY:könnte dies auf ~20% erhöhen

~22.7106 B Paare

0 5

5

BR(B K ) (4.23 0.40 0.22) 10

BR(B K ) (3.83 0.62 0.22) 10

ACP(B→K*)= -0.044 0.076 0.012[-0.170, 0.082] (90% C.L.)

BABAR

2

td*

ts

V BR(B )V BR(B K )

rgg

®µ

®

Vtd/Vts Extraktion15-35% FehlerZum Vergleichms/md 7% error

BR(B )~1/50 BR(B K*)~ 3 *

B K* b sB 0 Untergrund

Vtd(s)

Hohe isolierte -Energie(1.5 <E

* < 3.5 GeV)

Radiativer Pinguin

Suche nach B

B Resultate

a) BR(B0 ) < 1.4 x 10-6

b) BR(B+ ) < 2.3 x 10-6

c) BR(B0 ) < 1.2 x 10-6

mES (GeV/c2)

E*G

eV

SM:[ 0.4-0.8] x 10-6

SM [0.85 - 1.5] x10-6

td

ts

V0.36

V<

Ali et al.

Daten: 84 x 106 BB PaareKein Signal, 90% C.L.

wie (isospin sym)

BABAR

Standard-Modell

TESTS

Tests zum Standard-Modell

geladenes H?

Suche nach stark unterdrückten Zerfällen (im SM)

Beim Nachweisklarer Hinweis auf neue Physik

multi-Higgs-doublet Modelleleptoquarks,R-parity violating SUSY…

B l+l’ SM (BR) B0 e+e 10-15

B0 + 10-10

B0 e+ -

BR(B+K+) 3.810-6 (SM)

FCNC Unterdrückung

B0l+l- Resultate

NGSB NSigBox NBG 90% CL obere Grenze

B e+e 25 1 0.600.24 3.3 10-7 B + 26 0 0.490.19 2.0 10-7

B e+ 37 0 0.510.17 2.1 10-7

B +B e+e B e+

Preliminary 54.4 fb-1

GSB

SigBox

BABAR

Suche nach FCNC: b → sl+l-

SM B → Kl+l- 0.5x10-6 B → Kl+l- 1.5x10-6

Andere exotische Zustände?

m l+l- Form könnte einen Hinweis auf neue Wechselwirkungen geben

B K *B K

SM nicht-res

SUSY

m2l+l- m2

l+l-

B → Kl+l- (Kombinierte) Resultate

Charmonium/D0 VetoTopologische Schnitte

4.4

2.8

0.24 0.11 60.20 0.18

* 0.68 6 60.58

B(B Kl l ) (0.78 ) 10

B(B K l l ) (1.68 0.28) 10 3.0 10 90% C.L.

BABAR

Belle

1.4 6S 1.1B(B X l l ) (6.1 1.4 ) 10

4.4

Kombination K*ll Moden: Annahme K*ee/K*=1.2 (Ali et al.).

Recoil Physik (für seltene Zerfälle)

Voll rekonstruiertes B Meson (anderes B)Recoil System

monochromatischer B-Strahl

~400 K voll rekonstruierte Bsin 87 fb-1 (unterschiedlicher Reinheit)

Für Suche nach seltenen Zerfälle wie BK, B Statistik limitiert: ab-1 B-Fabrik Regime!

Vorteileabgeschlossene Kinematikmit bekanntem Boostund bekanntem pMiss

Untergrundunterdrückung!

‘anderes’ B

Brecoil

BrecoD* Y(4S) l

B+K+ Results (Recoil Technik)

Signalsignaturzusätzliches identifiziertes schnelles Kaon (p*>1,5 GeV/c)und wenig neutrale Energie (<0,5 GeV)

2 E. beobachtet (2.2 erwartet)

Signal MC on-peak Daten

BR(B+K+) 9.410-5 (90% CL)

MC signal Effizienz 0.1%

Preliminary 50.7 fb-1

übrige neutrale Energie (GeV)übrige neutrale Energie (GeV)

m(D

0)R

ec -

m(D

0)P

DG ( m

(D0

))

m(D

0)R

ec -

m(D

0)P

DG (

m(D

0))

Zusammenfassung

sin(2) wieder verbessert

Dalitz Plot Analyse in Sichtweite, Limit für |-eff|

Verschiedene Ansätze

Neue Exp’t. Generation für Isospin Analyse

Verbesserte Kenntnis von |Vcb| und |Vub|

in ArbeitD0D0-Mischung, ISR-Physik, cc-Zustände, D(S)

(*)-Spektrum, Seltene D-Zerfälle

CKM Hauptquelle der CP-VerletzungSM immer noch unangetastet

Luminositätsausblick

0

100

200

300

400

500

Year

Inte

gra

ted

Lu

mi

[fb

-1]

024681012141618

Pe

ak

Lu

mi

[10

33]Yearly Lumi

Cumulative Lumi

Peak Lumi

Yearly Lumi 2 23 40 70 95 110 70

Cumulative Lumi 2 25 65 135 230 340 410

Peak Lumi 1 2 5 7,5 10 12 17

1999 2000 2001 2002 2003 2004mid

2005

BABAR

Belle