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Flavor-Physikbei CDF

Thomas Kuhr

Physikalisches Kolloquium Karlsruhe07.11.2008

Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 2

Übersicht

● Entwicklung des Flavor-Konzepts

● CDF-Detektor

● B0s-Oszillationen

● CP-Verletzung im B0s-System


Historie – Seltsame Teilchen

0

p

p

K0

π-

π-

π-

π+

● Beobachtung von Teilchen mit “seltsam” langer Lebensdauer

● 1953, Gell-Mann:Erklärung durch neue Flavor-QuantenzahlStrangeness

● Erhalten in starkerund e.m. WW, Änderungnur durch schwache WW

➔ Ordnung des Teilchenzoos


Historie – Quarks

● Erklärung der Multiplets durch Quarkzusammensetzung

➔ Flavor-Physik = Physik der Quarksorten

➢ Drei bekannte Quark-Flavor: u (q=+2/3) und d, s (q=-1/3)

n p

0- +

- +

S0

-1

-2

0 +1+½-½-1I3

udd uud

udsdds uus

dss uss

⇒


Historie – Vorhersage des vierten Flavor

● Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet


Historie – Vorhersage des vierten Flavor

● Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet

● 1970, Glashow-Iliopoulus-Maiani:Einführung einer vierten Quark-Sorte: Charm

➔ Destruktive Interferenz beider Diagramme (GIM-Mechanismus)

➢ Erklärt jedoch nicht CP-Verletzung im K0-System


Parität

p

e-

P

Raumspiegelung (P):● Vektor ↔ - Vektor, Axialvektor ↔ Axialvektor

Physikalische Gesetze invariant unter Raumspiegelung?

➔ Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW➔ Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW (1956, Wu)

p

e-

P

pS

p S

p

r

L L

p

r


Ladungskonjugation

p

e-

C

Ladungskonjugation (C):● Teilchen ↔ Antiteilchen

Physikalische Gesetze invariant unter Ladungskonjugation?

➔ C-Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW➔ C-Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW

p

e+

C

pS

S p


CP-Verletzung im K0-System

Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen:

● K0S c = 2.7 cm

● K0L c = 15 m

Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände:

➢ CP |> = (+1) |>

➢ CP |> = (-1) |>

Wenn CP erhalten, folgt:

➔ CP |K0S> = (+1) |K0

S>

➔ CP |K0L> = (-1) |K0

L>


CP-Verletzung im K0-System

Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen:

● K0S c = 2.7 cm

● K0L c = 15 m

Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände:

➢ CP |> = (+1) |>

➢ CP |> = (-1) |>

Wenn CP erhalten, folgt:

➔ CP |K0S> = (+1) |K0

S>

➔ CP |K0L> = (-1) |K0

L>

1964, Cronin, Fitch, et al.:Beobachtung von K0

L

⇒ CP-Verletzung O(10-3)


Baryon-Asymmetrie im Universum

● Urknall: Gleiche Anzahl Teilchen und Antiteilchen

● Heute: Nur Teilchen

➔ Erfordert Prozess, der Teilchen-Antiteilchen-Symmetriebricht

● Bedingungen (1967, Sakharov):

➢ Verletzung der Baryonenzahl➢ Thermisches Ungleichgewicht➢ C- und CP-Verletzung


Erklärung der CP-Verletzung

1972, Kobayashi, Maskawa:

● CP-Verletzung möglich,wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt

➔ Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors

➔ CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben







✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks








✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks









✔ 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks









✔ 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks

✔ 2001, BaBar/Belle: Nachweis von CP-Verletzung im B0-System


2008: Nobelpreis

➢ "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature"

Kobayashi Maskawa


Die Quark-Familien

up

downstrange

charm

bottom

top

+2/3

-1/3

q [e]


Flavor-ändernde Wechselwirkung

● Flavor-Änderung nur durch geladene Eichbosenen derschwachen WW: W±-Bosonen

● W± koppelt nicht direkt an Quark-Paare einer Familie,sondern an eine Mischung

● Beschreibung durch Quark-Mischungsmatrix

0.002 %5 %95 %


(C)KM-Matrix

● Komplexe Elemente Vij

➔ 18 Parameter

● Unitarität(VV† = 1) +Quark-Phasen

➔ 4 freie Par.:3 Winkel +1 Phase (CP)

Vtb

Vcb

Vub

Vts

Vcs

Vus

Vtd

Vcd

Vud

VCKM =

VCKM=cos12cos13 sin12cos13 sin13e−i

−sin12 cos23−cos12sin23sin13ei cos12cos23−sin12 sin23 sin13ei sin23cos13

sin12sin23−cos12cos23sin13 ei −cos12sin23−sin12 cos23sin13ei cos23cos13


Unitaritätsdreieck

● N>4 Messungen für 4 Parameter

➔ Überbestimmtes System ⇒ Test der KM-Theorie

● Graphische Darstellung durch Unitaritätsdreieck

● Unitaritätsbedingung z.B. für j=1, k=3:∑iV ijV ik

∗= jk

VudVub∗Vcd Vcb

∗V td V tb

∗=0

VudVub∗

V tdV tb∗

Vcd Vcb∗

Fläche

↕

CP-Verletzung


CKM-Messungen

Normierung auf VcdVcb*

● Messung von Seitenlängen und Winkeln

➢ Unitarität Geschlossenes Dreieck

Re

Im

0 1


CKM-Messungen

● B0-System genau vermessen von B-Fabriken (BaBar/Belle)

➢ B0s-System kann (zur Zeit) nur am Tevatron

studiert werden Oszillation + CP-Verletzung


Übersicht


● CDF-Detektor




Tevatron

CDF

√s = 1.96 TeVp p

1 Kollision / 400 ns↳ 1.7 Mio Ereignisse

pro Sekunde


B0s-Produktion am Tevatron

➔ Hohe Produktionsrate von bb-Paaren in Prozessen der starken WW

➔ Produktion von B0s-Mesonen

in Fragmentation

Aber✗ Produktionsrate von leichten Quarks

~103 mal größer als bb) Trigger

✗ Untergrundspurenaus Fragmentation Hoher kombinatorischer

Untergrund

CDFBelle

q b

q b


CDF (Collider Detector at Fermilab)

Silizium-Vertexdetektor

Driftkammer

Flugzeit-Detektor

Magnet

e.m. Kalorimeter

hadr. Kalorimeter

Myon-Kammern


Detektorkomponenten


Übersicht


● CDF-Detektor




B0s-Oszillationen

Teilchen-Antiteilchen-Oszillation

● Eigenzustände mit definierter Masse und Lebensdauer:

➢ Oszillationsfrequenz: ∆m = mH-mL f ~ 3 Thz !


Messung von B0s-Oszillationen

Messung der zeitabhängigen Asymmetrie:




Anforderungen

● Selektion von B0s-Mesonen

B0s

Ds

π




Anforderungen


● Bestimmung des Flavors beim Zerfall

B0s

Ds+

π-




Anforderungen



● Messung der Lebensdauer

B0s

Ds+

π-




Anforderungen



● Messung der Lebensdauer

● Bestimmung des Flavors bei der Produktion

B0s

B0s

Ds+

π-


B0s-Selektion

Goldener Kanal:

Bs Ds

Ds KK

B0s

Ds

π

π

K

K


Lebensdauer-Messung

● Lebensdauer t wird gemessen über Zerfallslänge L und Impuls p

● ct-Auflösung reduziert effektiv messbare Asymmetrie:

⇒ ct = 87 fs

L

B0s

p


Flavor-Tagging

● Same Side Tag (SST):

● Teilchen aus b-Quark-Fragmentation

● Opposite Side Tag (OST):

● Ladung des Jets vom OS-b-Quark● Leptonen und Kaonen

aus Zerfall des OS-B-Hadrons

Same SideOpposite Side


Tagging-Leistung

Effizienz:

Dilution:

⇒ ⇒

ct = 87 fsD = 0.2ct = 87 fs

Dilution reduzierteffektiv messbare

Asymmetrie:


Mixing-Fit

● Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Flavor-Tag

➢ Signifikanz: 3 (Evidenz, aber noch keine Beobachtung)


Verbesserungen

NeuronalesNetz

BisherigeAnalyse

Zusätzlichdurch NNselektiert

Vom NNverworfen

➢ Selektion vonB0

s-Kandidaten durch NeuronalesNetz

➢ Hinzunahme vonweiteren (part. rek.) Zerfallskanälen

➢ Kombination derOS-Tagger mit einem Neuronalen Netz:

D2 = 1.5% → 1.8%


Mixing-Fit Reloaded

Analyse desselben Datensatzes mit verbesserten Methoden

➢ Signifikanz >5 ⇒ Beobachtung von B0s-Oszillationen!


Ergebnis

mΔ s = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1

● XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10%


Ergebnis

mΔ s = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1

● XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10%● XBs / XB0 genauer berechenbar, Unsicherheit 3-4%

|Vtd| / |Vts| = 0.2060 ± 0.0007(exp) +0.0081 (theor)

⇒

-0.0060


Auswirkungen auf Unitaritätsdreieck

● Bestimmung der Seitenlänge gegenüber Winkel ➔ Konsistent mit anderen Messung

⇒ SM bestätigt, Parameterraum für neue Physik eingeschränkt

⇒

Ohne Δms-Messung Mit Δms-Messung


Übersicht


● CDF-Detektor




CP-Verletzung in B0s J/

● Gemeinsamer Zerfallskanal:

B0s/B

0s J/ , J/ +-, K+K-

● CP-verletzende Phase in Interferenz:

VusVub∗

V tsV tb∗

V csV cb∗

s


CP-Eigenzustände

● Falls CP erhalten:

Massen-Eigenzustände = CP-Eigenzustände:

➢ Identifizierung der Massen-Eigenzustände anhand der Lebensdauer, falls

➢ Identifizierung der CP-Eigenzustände anhand der Zerfallsprodukte:

JPC (J/) = JPC() = 1-- ⇒ CP(J/ ) = (-1)L

J(B0s) = 0 ⇒ L=0,1,2

∆ = L – H = 1/L – 1/H ≠ 0

S-, D-Welle CP geradeP-Welle CP ungerade


Winkelanalyse

J/ Ruhesystem

Ruhesystem

S-, D-Welle CP geradeP-Welle CP ungerade


Likelihood-Fit

● Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Winkel


Ergebnis

● Unter Annahme vonCP-Erhaltung:

➢ ∆s =0.076

-0.063 (stat) ± 0.006 (syst) ps-1

➢ cs = 456 ± 13 (stat) ± 7 (syst) µm

➔ Konsistent mit SM(p-Wert = 22%)

+0.059

4-fach Ambiguität


B0s J/ mit Tagging

➔ B0s-Zerfall in CP-Eigenzustand fCP:

✗ Oszillation muss aufgelöst werden

✗ Produktionsflavor mussbestimmt werden

➢ Auch sensitiv auf CP-Verletzung für ∆=0


Ergebnis

➢ Einschränkung desParameterraums fürneue Physik

➢ Noch konsistent mit SM

p-Wert = 7% (1.8)

➔ Hinweis auf neue Physik?

2-fach Ambiguität


Neue Physik?

➔ (Noch?) keine Evidenz für neue Physik


Ausblick

Falls s ≫ sSM

➔ Realistische Chancefür Evidenz odersogar Beobachtungvon neuer Physikam Tevatron


Zusammenfassung

➢ Interaktion der Quark-Flavor und CP-Verletzung wird im SM durch die CKM-Matrix beschrieben

➔ Erfolgreich bestätigt im B0-System

➢ Auch gültig für B0s-System?

➔ Vermessung des B0s-Sytems am Tevatron

✔ B0s-Oszillationen werden gut vom SM beschrieben

✔ CP-Verletzung im B0s-System (noch) verträglich mit dem SM

➔ Entdeckung einer neuen Quelle von CP-Verletzungam Tevatron möglich


Backup


Two-Track-Trigger

➢ Auswahl von Spuren von sekundären Vertices

● Rekonstruktion von Spuren in der Driftkammer in 5 µs

➔ Selektion von Spurpaaren mit pT > 2 GeV/c

● Hinzufügen von Hits im Silizium-Vertex-Detektor in 20 µs

➔ Selektion von Spurenmit d0 > 100 µm

✔ Reduktion der Ereignisrate: 2.5 Mhz → <100 Hz

d0(1)

d0(2) 1

2B0

s


Weitere B0s-Zerfallskanäle

Bs Ds und Bs Ds mit

● Ds , KK● Ds K*K, K* K● Ds

N≈1400 N≈700

N≈700 N≈600 N≈200


Lebensdauer-Auflösung


Verbesserung des OS-Tagging

● Bisher hierarchische Entscheidung Erst Myon-Tag, dann Elektron-Tag, dann Jet-Tag

➢ Kombination der Tagger mit Neuronalem Netz

● Benötige Datensatz für Netzwerk-training mit

B-Hadronen Bekanntem B-Flavor

● Simulierte Daten beschreiben nicht alle Details der realen Daten

➔ Training auf realen DatenB-

Hadr

on

OS-TagO

S-B


Lepton+Sekudärvertexspur

➔ Datensatz angereichert mit semileptonisch zerfallenden langlebigen Teilchen

● Unterdrückung von Charm-Ereignissen durch Schnitt auf invariante Masse von Lepton+SV-Spur

● Statistische Subtraktion von Untergrundereignissendurch Ereignisse mit d0 < 0

● Ladung des Leptons gibt Flavor an mit prichtig = 82%

➔ Training des Taggers aufOS-B

d0

Lepton

SV-Spur

B-Ha

dron

OS-TagO

S-B


NN-OS-Tagger

● Optimal trainiertes Netz:

➔ Netzausgabe o (skaliert auf [0,1]) = Signalwahrscheinlichkeit p

● Ereignisweiser Schätzwert der Dilution:

➢ Verbesserungdurch NN-Komb.:

D2 = 1.5% → 1.8%


Amplituden-Scan


Δms-Signifikanz

Null-HypotheseΔms = ∞


B0s-Ereignis


Fit-Bias

● Parameter unbestimmt für 2s=0

● s und unbestimmt für =0

● Reduzierte Anzahl Freiheitsgrade ➔ Bias weg von =0, 2s=0


Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit

● Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = |Ak|eik, 0 := 0

● Mittere Zerfallsbreite: = (L – H) / 2



● Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = |Ak|eik, 0 := 0

● Mittere Zerfallsbreite: = (L – H) / 2

CP-gerade

CP-ungerade

Interferenz


4-fach Ambiguität

➔ Invarianz unterTransformationen:



B0s: = +1

B0s: = -1

Ambiguitätreduziert von4- auf 2-fach


Wolfenstein-Parameterisierung

● ≈ 0.22, A ≈ 0.82

● ≈ 0.22, ≈ 0.34

VCKM=Vub Vus Vub

Vcd Vcs Vcb

V td V ts V tb

=1−2 /2 A3−i− 1−

2/2 A

2

A31−−i −A

2 1 O4

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