Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter...

32
Measurement of CP Violation in B s J /ψφ at CDF Michal Kreps for the CDF collaboration (rad) s β -1 0 1 ) -1 (ps Γ -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -1 CDF Run II Preliminary L = 1.35 fb 95% C.L. 68% C.L. SM prediction (rad) s β -1 0 1 ) -1 (ps Γ -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -1 CDF Run II Preliminary L = 2.8 fb 95% C.L. 68% C.L. SM prediction New Physics ? www.kit.edu www2.warwick.ac.uk

Transcript of Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter...

Page 1: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Measurement of CP Violation in Bs → J/ψφ at CDF

Michal Kreps for the CDF collaboration

(rad) s

β-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 1.35 fb

95% C.L.68% C.L.SM prediction

(rad) s

β-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 2.8 fb

95% C.L.68% C.L.

SM prediction

New Physics

⇒ ?

www.kit.edu www2.warwick.ac.uk

Page 2: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Discovery of CP violation����������

����������

���������������

��������������� Neutral kaon puzzle in late 1950s

����������

����������

���������������

��������������� Two particles (K1, K2) with same mass, but

different lifetime and different decay mode

��������

��������

���������������

��������������� K2 is CP odd and if CP is conserved can

decay only to 3 π

����������

����������

���������������

��������������� Observation of K2 → π+π− in 1964 by

Cronin and Fitch ⇔ CP is not conserved

2 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 3: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Explaining CP violation��������

��������

���������������

��������������� Observation by Cronin and Fitch requires ≈ 10−3 admixture of

wrong CP state in wave function

����������

����������

���������������

��������������� In 1973 Kobayashi and Maskawa concludes that

����������

����������

���������������

��������������� No reasonable way to include CP violation in model with 4

quarks����������

����������

���������������

��������������� Introduction of CP violation needs new particles����������

����������

���������������

��������������� One of the suggested ways uses 6 quark model

��������

��������

���������������

��������������� CP violation ⇔ complex phase in quark mixing (CKM) matrix

Vud Vus Vub

Vcd Vcs Vcb

Vtd Vts Vtb

=

1 − λ2/2 λ Aλ3(ρ− iη)−λ 1 − λ2/2 Aλ2

Aλ3(1 − ρ− iη) −Aλ2 1

����������

����������

���������������

��������������� Nobel prize in 2008

3 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 4: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Implications����������

����������

���������������

��������������� When Kobayashi and Maskawa proposed their explanations, only

3 quarks were known

����������

����������

���������������

��������������� The six quark model had several implications:

��������

��������

���������������

��������������� Existence of another 3 quarks to be seen by experiment��������

��������

���������������

��������������� In 1980/1981 several people predicted large CP violation in B

system

-1

0

1

-1

0

1

-1

0

1

sin2

φ 1 . s

in(∆

md∆

t)

(c) J/ψKL (ξf = +1)

(a) Combined

Asy

mm

etry

(b) (cc)KS (ξf = −1)−

-8 -4 840∆t (ps)

-1

0

1(d) Non-CP sample

-1

-0.5

0

0.5

1 BABAR

-1

-0.5

0

0.5

1

-5 0 5

Asy

mm

etry

∆t (ps)

-4

-3

-2

-1

0

-1 0 1 2sin2β

ln(L

/Lm

ax)

��������

��������

���������������

��������������� Start of dedicated B physics

experiments

����������

����������

���������������

��������������� In 2001 Belle and Babar

experiments observe large CPviolation in B0 decay

����������

����������

���������������

��������������� Since then many measure-

ments performed to check idea

4 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 5: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Global status

VCKM =

1 − λ2/2 λ Aλ3(ρ− iη)−λ 1 − λ2/2 Aλ2

Aλ3(1 − ρ− iη) −Aλ2 1

γ

γ

αα

dm∆Kε

sm∆ & dm∆

SLubV

ν τubV

βsin 2

(excl. at CL > 0.95) < 0βsol. w/ cos 2

excluded at CL > 0.95

α

βγ

ρ-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

η

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5excluded area has CL > 0.95

ICHEP 10

CKMf i t t e r

5 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 6: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Are we done?

��������

��������

���������������

��������������� Does not look to be case

��������

��������

���������������

��������������� Many unanswered questions

����������

����������

���������������

��������������� SM has many free parameters����������

����������

���������������

��������������� What is the meaning of generation, why we need more than

one?��������

��������

���������������

��������������� What is the origin of dark matter and dark energy?��������

��������

���������������

��������������� How current matter-antimatter asymmetry is generated?

����������

����������

���������������

��������������� No baryon number violation in SM��������

��������

���������������

��������������� CP violation in SM is many order of magnitude too small��������

��������

���������������

��������������� In SM cannot generate needed phase transition

����������

����������

���������������

��������������� SM is probably just low energy approximation of final big theory of

everything

6 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 7: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Role of flavor physics��������

��������

���������������

��������������� Several extensions of SM exists, each postulating new particles

��������

��������

���������������

��������������� Some examples

����������

����������

���������������

��������������� Fourth generation introduces two additional quark, VCKM is

changed to 4 × 4 matrix��������

��������

���������������

��������������� Supersymmetry has partner for each SM particle��������

��������

���������������

��������������� In supersymmetry squarks/sleptons mix through 3 × 3 matrix

m211 m2

12 m213

m221 m2

22 m223

m231 m2

32 m233

��������

��������

���������������

��������������� Looking for indirect effects of new physics to discover it

��������

��������

���������������

��������������� If new physics is discovered, understand which model is right one

7 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 8: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

CPV in Bs → J/ψφ

Vud Vus Vub

Vcd Vcs Vcb

Vtd Vts Vtb

=

1 − λ2/2 λ Aλ3(ρ− iη)−λ 1 − λ2/2 Aλ2

Aλ3(1 − ρ− iη) −Aλ2 1

��������

��������

���������������

��������������� Vts known from unitarity

����������

����������

���������������

��������������� Need to check also by experiment

����������

����������

���������������

��������������� Best testing ground is decay Bs → J/ψφ

b

t, c, u

t, c, u

W−W+

b

s

ss

cc

b

s

c

c

s

s

��������

��������

���������������

��������������� New physics in mixing can have large effect on CP violation

��������

��������

���������������

��������������� Search for large CP violation in Bs → J/ψφ

8 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 9: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Sidenote on phases��������

��������

���������������

��������������� Bs system is described by equation

iddt

(∣

∣B0s (t)⟩

∣B0s (t)⟩

)

=(

M− i2Γ

)

(∣

∣B0s (t)⟩

∣B0s (t)⟩

)

����������

����������

���������������

��������������� Box diagram of mixing give rise to M12 and Γ12

����������

����������

���������������

��������������� Interesting quantities and relation to observables:

��������

��������

���������������

���������������

∆Ms = 2|MSM12,s| · |∆s|

��������

��������

���������������

��������������� φs = arg(−M12/Γ12) = φSM

s + φ∆s , in SM φs = (4.2 ± 1.4) · 10−3

��������

��������

���������������

���������������

∆Γs = 2|Γ12,s| · cos(

φSMs + φ∆s

)

��������

��������

���������������

��������������� CP Violation in Bs → J/ψφ measures

����������

����������

���������������

��������������� φ

J/Ψφs = −2βs + φ∆s + δSM

Peng. + δNPPeng.

in SM 2βs = 2 arg(−VtsV ∗tb/VcsV ∗

cb) ≈ 0.04

��������

��������

���������������

��������������� With current CDF precision we really test presence of large φ∆s

9 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 10: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Analysis logic����������

����������

���������������

��������������� Principle is to measure time dependent asymmetry of CP

eigenstate

A =N(B, t) − N(B, t)

N(B, t) + N(B, t)

����������

����������

���������������

��������������� We need to find in data

��������

��������

���������������

��������������� Bs → J/ψφ decays����������

����������

���������������

��������������� Measure decay time��������

��������

���������������

��������������� Find out whether it was produced as B or B

K+K−Bs

+µ−µ

K

Bq

K

l

10 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 11: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Likelihood anatomy

��������

��������

���������������

��������������� Signal PDF for single tag

Ps(t , ~ρ, ξ|D,σt ) =1 + ξD

2P(t , ~ρ|σt )ε(~ρ)

+1 − ξD

2P(t , ~ρ|σt )ε(~ρ)

��������

��������

���������������

��������������� ξ = −1, 0, 1 is tagging decision

��������

��������

���������������

��������������� D is event-specific dilution

��������

��������

���������������

��������������� ε(~ρ) - acceptance function in angular space

����������

����������

���������������

��������������� P(t , ~ρ|σt ) (P(t , ~ρ|σt )) is PDF for Bs (Bs)

11 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 12: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Likelihood anatomyd4P(t , ~ρ)

dtd~ρ∝ |A0|2T+f1(~ρ) + |A‖|2T+f2(~ρ) + |A⊥|2T−f3(~ρ)

+ |A‖||A⊥|U±f4(~ρ) + |A0||A‖| cos(δ‖)T+f5(~ρ)

+ |A0||A⊥|V±f6(~ρ)

T± = e−Γt × [cosh(∆Γt/2) ∓ cos(2βs) sinh(∆Γt/2)∓ η sin(2βs) sin(∆mst)] ,

U± = ±e−Γt ×[

sin(δ⊥ − δ‖) cos(∆mst)

− cos(δ⊥ − δ‖) cos(2βs) sin(∆mst)

± cos(δ⊥ − δ‖) sin(2βs) sinh(∆Γt/2)]

,

V± = ±e−Γt × [sin(δ⊥) cos(∆mst)− cos(δ⊥) cos(2βs) sin(∆mst)± cos(δ⊥) sin(2βs) sinh(∆Γt/2)] .

12 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 13: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Issue of s-wave����������

����������

���������������

��������������� We reconstruct Bs → J/ψφ with φ→ K +K−

��������

��������

���������������

��������������� But wide resonance f0(980) can also decay to K +K− and

Bs → J/ψK +K− is also possible (called s-wave)

����������

����������

���������������

��������������� There are arguments that s-wave can be large

����������

����������

���������������

��������������� Stone et al, PRD79, 07024 (2009) predicts

B(Bs → J/ψf0(980))B(f0(980) → ππ)B(Bs → J/ψφ)B(φ→ KK )

' 0.2 − 0.3

��������

��������

���������������

��������������� Best upper bound from Belle

B(Bs → J/ψf0(980))B(f0(980) → ππ) < 1.63 · 10−4 at 90% C.L.

��������

��������

���������������

��������������� S-wave can contribute to reconstructed signal

��������

��������

���������������

��������������� It is CP-odd eigenstate with its own angular and time dependence

����������

����������

���������������

��������������� Sizeable contribution which is not accounted for can bias result

⇒ Account for it in the likelihood

13 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 14: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Treatment of s-wave��������

��������

���������������

��������������� Add amplitude for s-wave ⇔ four angular terms (amplitude2 + 3

interference terms)

����������

����������

���������������

��������������� S-wave amplitude is pure CP-odd eigenstate with its own angular

dependence

��������

��������

���������������

��������������� Strong phases vary over resonance

⇒ Need to start with K +K− mass included��������

��������

���������������

��������������� Relativistic Breit-Wigner propagator for p-wave��������

��������

���������������

��������������� Constant for s-wave

��������

��������

���������������

��������������� Keep K +K− mass as unobserved ⇔ integrate over it

��������

��������

���������������

��������������� Interference between p-wave and s-wave could break last

symmetry

��������

��������

���������������

��������������� Full math spelled out in arXiv:1008.4283

14 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 15: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Previous results

(rad) s

β-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 1.35 fb

95% C.L.68% C.L.SM prediction

(rad) s

β-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 2.8 fb

95% C.L.68% C.L.

SM prediction

New Physics

CDF 1.35 fb−1

p-value = 15%

CDF 2.8 fb−1

p-value = 7%

CDF 2.8 fb−1 + DØ 2.8 fb−1

p-value = 3.4%

What next?

15 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 16: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Tevatron and CDF experiment

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

0 50 100 150 200 250 300 350Day

CD

F A

cqui

red

Lum

inos

ity (

pb-1

)

200120022003

2004

2005

2006

20072008

2009

2010

����������

����������

���������������

��������������� pp collisions at

√s = 1.96 TeV

����������

����������

���������������

��������������� Peak luminosity ≈

3.5 − 3.8 · 1032 cm−2s−1

��������

��������

���������������

��������������� Collected about ≈ 7fb−1

16 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 17: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Selection

Network output-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

Can

dida

tes

per

0.02

310

410

510SignalBackground

CDF Run II Preliminary -1L=5.2 fb

]2) [GeV/cφ ψMass(J/5.28 5.3 5.32 5.34 5.36 5.38 5.4 5.42 5.44 5.46

2C

andi

date

s pe

r 2

MeV

/c

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

-1CDF Run II preliminary L = 5.2 fb

Neural Network Cut-0.5 0.0 0.5 1.0

par

abol

ic e

rror

0.110

0.115

0.120

0.125

0.130

0.135

0.140

CDF Simulation = 0.02sβInput

��������

��������

���������������

��������������� Latest analysis uses 5.2 fb−1

��������

��������

���������������

��������������� Events selected using dimuon trigger

����������

����������

���������������

��������������� Typical event has few dozens tracks ⇒

lot of background

����������

����������

���������������

��������������� Neural network to select interesting

events

����������

����������

���������������

��������������� Select ≈ 6500 Bs → J/ψφ decays

17 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 18: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Flavor tagging

K−

Bs

SST

OST

a l −

b K+

b

u

u

Bb

s

Κ s

s/d/d

/π+ +/d

��������

��������

���������������

��������������� Determination of the flavor at

production time

��������

��������

���������������

��������������� Difficult task due to large number of

tracks

��������

��������

���������������

��������������� Benefits from PID

��������

��������

���������������

��������������� Calibrated with data

18 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 19: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

OST Calibration

]2

invariant mass [GeV/c+ KψJ/5.20 5.25 5.30 5.35 5.40

)2en

trie

s/(5

MeV

/c

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

-1CDF II Preliminary, 5.2 fb

51,920 +/- 388 Signal Events

OST Predicted Dilution0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

OS

T M

easu

red

Dilu

tion

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0-1

CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

events+B 0.09±Slope = 0.93

OST Predicted Dilution0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

OS

T M

easu

red

Dilu

tion

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0-1

CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

events-B 0.10±Slope = 1.12 B+ B−

����������

����������

���������������

��������������� Flavor tagging algorithm is characterized by

���������������

���������������

���������������

��������������� Efficiency ��������������

���������������

���������������

��������������� Dilution D = 2 · P − 1

��������

��������

���������������

��������������� Quantity εD2 defines effective statistics

��������

��������

���������������

��������������� Opposite side tagging is independent of studied hadron

����������

����������

���������������

��������������� Effective power of OST is εD2 = 1.2%

19 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 20: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

SSKT Calibration

5.4 5.5 5.6

2C

andi

date

s pe

r 3

MeV

/c

0

50

100

150

200

250

300

350

400 DataFit Function

π s D→ sB Ks D→ sB

Comb. Backgr. Xs D→B

75±S = 5613

33±B = 1070

0.17±S/B = 5.25

0.70± = 68.66 S+BS/

-1CDF Run 2 Preliminary, L = 5.2 fb (+ cc)- K

+ K→ φ,

-π φ → -s, D+π -

s D→ 0sB

2Invariant Mass in GeV/c

5.4 5.5 5.6

data

(dat

a -

fit)

-2

0

2

-1Mixing Frequency in ps

10 20 30

Am

plitu

de-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0Amplitude A

-1Sensitivity: 37.0 ps

-1CDF Run 2 Preliminary, L = 5.2 fb

-1Mixing Frequency in ps

10 20 30

Am

plitu

de-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

����������

����������

���������������

��������������� SSKT depends on the meson we study

����������

����������

���������������

��������������� Only way to calibrate is to use Bs itself

����������

����������

���������������

��������������� Fortunately Bs oscillation is sensitive to

quality of tagging

��������

��������

���������������

��������������� Principle

A = Nmix−NunmixNmix +Nunmix

= A · D cos (∆mt)

��������

��������

���������������

��������������� Use decays:

��������

��������

���������������

��������������� Bs → Dsπ with Ds → φπ, Ds → K ∗K and

Ds → πππ

��������

��������

���������������

��������������� Bs → Dsπππ with Ds → φπ

��������

��������

���������������

��������������� In total ≈ 12900 signal events

��������

��������

���������������

��������������� Total tagging power εD2 = 3.2 ± 1.4%

��������

��������

���������������

���������������

∆ms = 17.79 ± 0.07(stat)

20 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 21: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Angular efficiencies

CDF Run II Preliminary, L=5.2 fb−1

����������

����������

���������������

��������������� Derived from large statistics MC

����������

����������

���������������

��������������� Parameterized in three dimensions

����������

����������

���������������

��������������� CP Violation relatively insensitive to exact details

��������

��������

���������������

��������������� Efficiency compares well with angular distributions of combinato-

rial background

21 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 22: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Lifetime and width difference

KK) [cm] ψct (J/-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

mµev

ents

per

50

1

10

210

310

Data - signal regionFitSignalLightHeavyBackground

-4-2024

pull

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

Distribution for BsH

Distribution for BsL

Signal mass region

Under SM assumption (βs = 0) we measure:cτ = 2

ΓH+ΓL= 1.529 ± 0.025(stat) ± 0.012(syst) ps

∆Γs = 0.075 ± 0.035(stat) ± 0.01(syst) ps−1

22 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 23: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Polarization amplitudes

)ψcos(-1.0 -0.5 0.0 0.5

Ent

ries

per

0.12

rad

0

100

200

300

400

500

600

700Data

Fit

)θcos(-1.0 -0.5 0.0 0.5

Ent

ries

per

0.12

rad

0

100

200

300

400

500

600

700Data

Fit

φ0 2 4 6

Ent

ries

per

0.42

rad

0

100

200

300

400

500

600

700Data

Fit

CDF Run II Preliminary, L = 5.2 fb

)ψcos(-1.0 -0.5 0.0 0.5

Ent

ries

per

0.12

rad

0

100

200

300

400

500

600

700

800 Data

Fit

)θcos(-1.0 -0.5 0.0 0.5

Ent

ries

per

0.12

rad

0

100

200

300

400

500

600

700

800 Data

Fit

φ0 2 4 6

Ent

ries

per

0.42

rad

0

100

200

300

400

500

600

700

800 Data

Fit

CDF Run II Preliminary, L = 5.2 fb

|A|||2 = 0.231 ± 0.014(stat) ± 0.015(syst)|A0|2 = 0.524 ± 0.013(stat) ± 0.015(syst)φ⊥ = 2.95 ± 0.64(stat) ± 0.07(syst)

Signal

Background

23 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 24: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

CP Violation

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

95% CL

68% CL

SM prediction

(rad) sβ-1 0 1

log

(L)

∆2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1895% CL

68% CL

SM prediction

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

����������

����������

���������������

��������������� SM p-value is 44%

����������

����������

���������������

��������������� Corresponds to 0.8σ

����������

����������

���������������

��������������� Significant improvement

��������

��������

���������������

��������������� Strong phases free

���������������

���������������

���������������

��������������� SM p-value is 31%

���������������

���������������

���������������

��������������� Comparable to 2D case ⇔ ∆Γ

consistent with SM

������������

������������

���������������

��������������� βs ∈ [0.02, 0.52] ∪ [1.08, 1.55]

@ 68% C.L.

24 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 25: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Comparison to previous result

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

95% CL

68% CL

SM prediction

(rad) s

β-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 2.8 fb

95% C.L.68% C.L.

SM prediction

New Physics

������������

������������

���������������

��������������� Concentrate on size of the allowed region

������������

������������

���������������

��������������� Significant improvement compared to our previous result

25 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 26: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Size of the adjustment

) pln(L∆20 5 10 15

1-C

L

-210

-110

1 68% CL

95% CL

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

rand

omiz

ed n

uisa

nce

para

met

ers

non-

Gau

ssia

n er

rors

idea

l

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

95% CL

68% CL

SM prediction (rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

5.99

2.30

SM prediction

26 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 27: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

S-wave check

Prob 0.3225

)2 Mass (GeV/c-

K+ KψJ/5.30 5.35 5.40 5.45

2C

andi

date

s pe

r 4

MeV

/c

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Prob 0.3225

-1CDF Run II Preliminary L = 3.8 fbdatatotal fit

signal0sB

combinatorial bkg0misreconstructed B

)2 Mass (GeV/c-

K+K1.00 1.050

500

1000

1500

2000

2500data

total fit

combinatorial background

0misreconstructed B0f

-1CDF Run II Preliminary 3.8 fb2C

andi

date

s pe

r 2

MeV

/c

S-wave fraction 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

log

(L)

∆2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9-1

CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

95% CL

68% CL

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6 S-wave not included

S-wave included

5.99

2.30

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb��

��������

����������

���������������

��������������� Q: Is change since last time due to

previously omitted s-wave?

����������

����������

���������������

��������������� A: No, likelihood almost same with s-wave

fixed to zero

����������

����������

���������������

��������������� Q: Is the K +K− mass consistent with our

fit model?

��������

��������

���������������

��������������� A: Yes it is

27 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 28: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Effect of flavor tagging���������������

���������������

���������������

��������������� With tagging of εD2 ≈ 5% we

don’t gain lot in precision

���������������

���������������

���������������

��������������� Main effect in reducing

ambiguities

���������������

���������������

���������������

��������������� Untagged case symmetric under

each���������������

���������������

���������������

��������������� 2βs → −2βsδ⊥ → δ⊥ + π

������������

������������

���������������

���������������

∆Γ → −∆Γ

2βs → 2βs − π

������������

������������

���������������

��������������� Tagged symmetry

���������������

���������������

���������������

��������������� 2βs → π − 2βs

∆Γ → −∆Γ

δ|| → 2π − δ||δ⊥ → π − δ⊥

28 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 29: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Different parts of data

29 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 30: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Different parts of data

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

S-wave not included

-1Data 0-1.35 fb

5.99

2.30

SM prediction

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

S-wave not included

-1Data 1.35-2.8 fb

5.99

2.30

SM prediction

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

S-wave not included

-1Data 2.8-5.2 fb

5.99

2.30

SM prediction

29 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 31: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Conclusions����������

����������

���������������

��������������� Significantly improved measurement of the CPV in Bs → J/ψφβs ∈ [0.02, 0.52] ∪ [1.08, 1.55] @ 68% C.L.

����������

����������

���������������

��������������� CDF data now agree on the ≈ 1σ level with SM

��������

��������

���������������

��������������� Best measurement of

��������

��������

���������������

��������������� Mean lifetime����������

����������

���������������

��������������� Width difference between mass eigenstates��������

��������

���������������

��������������� Polarization amplitudes

(rad) sβ-1 0 1

)

-1

(ps

Γ∆

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

-1CDF Run II Preliminary L = 5.2 fb

95% CL

68% CL

SM prediction

30 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010

Page 32: Measurement of CP Violation in B J/ψφ - · PDF fileHow current matter-antimatter asymmetry is generated? No baryon number violation in SM CP violation in SM is many order of magnitude

Prospects����������

����������

���������������

��������������� Couple of improvements possible beyond collecting data

����������

����������

���������������

��������������� Include other triggers gives ≈ 25% more statistics����������

����������

���������������

��������������� Add Bs → ψ(2S)φ��������

��������

���������������

��������������� Look for Bs → J/ψf0(980) with f0(980) → π+π−

����������

����������

���������������

��������������� Add K +K− mass as fit variable - helps in ambiguity resolution

����������

����������

���������������

��������������� Still collecting data, expect to have ≈ 2 times more by the end of

2011

��������

��������

���������������

��������������� Extension of running by 3 years under discussion

store number1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000

2000

4000

6000

8000

01/1001/0901/0801/0701/0601/0501/0401/03

Delivered

Acquired

)-1Luminosity (pb

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

0 50 100 150 200 250 300 350Day

CD

F A

cqui

red

Lum

inos

ity (

pb-1

)

200120022003

2004

2005

2006

20072008

2009

2010

31 Michal Kreps – Measurement of CP Violation in Bs→J/ψφ at CDF21 September 2010