13/9/2014

Encanto y belleza en los quarks más pesados

( introducción a la física de quarks pesados )

I- Motivación (teórica)II - Retos (experimental)

Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT)

Perito accidentes

Su reconstrucción del suceso

Simil :¿Físico experimentalde partículas = perito ?

Perito accidentes

Su reconstrucción del suceso

¿Físico experimentalde partículas = perito ?

¿ Qué colisión ha dado lugar a ese estado final ?

Por qué estudiar los quarks más pesados bottom y top (b y t)?

Conceptos teóricos:

• Violación CP (CPV), sabor de quark, oscilación de hadron-b

• Nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar (SM)

• Comprueban la existencia de nueva física

[test de lo conocido y búsqueda de lo desconocido]

Violación CP: materia y antimateria se comportan de un modo diferente

La violación de CP es la no-conservación de los nºs cuánticos de conjugación y paridad.

A t~10-6 s a.B.B., había 1010-1 antiquarks por cada 1010 quarks. La parte simétrica se aniquiló en γ y ν. La parte asimétrica dió lugar a nuestro universo

CPV tiene algo que ver (pequeña asimetría a~10-6 s)

Violación CP es un ingrediente necesario (pero parece que insuficiente)

¿Por qué se estudia CPV?Estamos en un universo dominado por materia

Sabor de un quark: un ńumero cuántico importante en el SM

Hay tres generaciones de pares de sabores de quarks

Un quark de un determinado sabor es un autoestado de la parte débil del Hamiltoniano del SM (interactúa de un modo definido con los bosones W y Z)

En el SM el número cuántico de sabor se conserva en las

interacciones fuertes y E-M. Sólo puede cambiar en

procesos de corriente cargada débil descritos por el

intercambio de un boson W+-. El W se acopla en buena aprox. a

pares de la misma generación pero son posibles transiciones

Combinación de un quark b y 1 ó 2 quarks más Los hadrones resultado de combinaciones (b,s), (b,d), (s,d) y (c,u) sufren transiciones del tipo FCNC: oscilan, se mezclan

+1/3

-1/3 -

++1/3

-1/3

-2/3 +2/3-+1/3

-- ∄ hadrones-t

Hadrones-b :

VCKM es compleja (tiene una fase). Esa fase viola CP, la invariancia de conjugación-paridad de la teoría, y en el SM es responsable de la violación de CP observada en los sistemas K y B.

Bs0

Rate of Γ(B ⇾ f ) Γ(anti-B ⇾ anti-f )

VCKM describe cómo se llevan a cabo las transiciones de sabor

Matriz VCKM :

Vtb

Vud

large CPV

large small CPV CPV

small CPV

+

La fase de violación CP en el SM, βsSM -arg[(VtsVtb

*)2/(VcsVcb*)2],

es pequeña

CPV procede de la interferencia entre las amplitudes de mezcla y desintegración

¿Por qué estudiar CPV en Hadrones-b ?

Bs0

La fase CP entre los dos caminos de desintegración es βs

Bs0 J/Ψφ=> sin (2βs)

-

La observación de una gran fase CP en Bs0J/Ψφ

sería un signo inequívoco de nueva física

c_

s

s_ _

s

_

¿ Cómo se realizan las medidas ?¿ Cúales son los retos para hacerlo posible ?

Lado experimental

•Producción (aceleradores)

•Selección (trigger)

•Medición (subdetectores)

g

gFlavor Creation (gluon fusion)

b

Flavor Creation (annihilation)

q b

q b

Flavor Excitationq q

bg

bb

Gluon Splitting

g

g g

b

Los quarks se fragmentan en hadrones: Bc- (bc), b(bdu), b

+ (buu), b-

(bdd), Ξb-(bsd), Ωb

-(bss), Bs0 (bs), B0(bd), B-(bu), tb. B*, B**, etc

Los hadrones B se desintegran débilmente y buscamos sus productos de desintegración (la desintegración débil de los quarks depende de parámetros fundamentales del SM)

--

-

-

Gran sección eficaz (pp bb ) ~ b (vs ~ nb at the (4s) resonance [B factories])

-

b

-

- en factorías de B : e+e- B0/B0 y B+/B- a la energía del ϒ(4S). - en col. Hadrónicos : pp bb, pp bb- --

-

Producción:

Proceso de selección de b's QCD(lighter quarks):fondo enorme al proceso (ppbb) Para eliminar fondo-QCD los hadrones-b se filtran usando trigers selectivos basados en sus caraterísticas peculiares:

• events selected by a Jψoriented dimuon trigger • events selected by an impact parameter based trigger (SVT)

--

calorimeter

chamber

stub

Central tracker

Central track

Measurements : Central tracking chamber: - Track momentum - Trajectory Muon chambers: - Trajectory (stub)

Require : - Central track - Muon stub - Position and angle match between central track and muon stub

Gracias a estos procesos de selección (triggers) de b's los experimentos acumulan grandes muestras ricas en b!

Medición :

• Masa y vida media de 0b

•Violación de CP en Bs0J/ψφ

Masa invariante:

Reconstrucción individual de una traza

Combinación de trazas para formar una hadron-b

Reto : una medida precisa de la masa requiere una buena medida del momento de las partículas (trazas) del estado final. Para ello se requiere un sistema de detección de trayectorias de trazas con una excelente resolución

Momento = trayectoria

Los hadrones-b decaen en SV lejos del PV

Vidas medias de hadrones-b

SVPV

Ayuda de detectores de silicio con una extremedamente buena resolución en posición

Con estas medidas de masa y SV se pueden hacer medidas de precisión de las vidas medias… Siguiente paso : tratamiento estadístico de los datos

Reto : medir el vértice 2º con suficiente precisión

Análisis estadístico de los datos: método de ajuste o estimación por máxima verosimilitud (MLM)

Tenemos N medidas de la cantidad x {x1, x2, … xn}. f(x|a,b) es una función de densidad o función de probabilidad o dns. de prob. Queremos determinar los parámetros a y b. MLM: dada cierta f-hipótesis/modelo, elegimos los valores de a,b que maximizan la probabilidad de obtener los valores (xi's) que medimos. ¿Cómo se obtiene el MLM?

La probabilidad de medir x1 es f(x1| a,b)dx ...La probabilidad de medir xn es f(xn| a,b)dxSi las medidas son independientes, la probabilidad de obtener ese conjunto de medidas es:L = f(x1|a,b)dx * f(x2|a,b)dx ... f(xn |a,b)dx = f (x1|a,b) * f (x2|a,b) ... f (xn |a,b)dxn

Podemos olvidarnos de los términos dxn pues se trata sólo de una constante de proporcionalidad L =Πif(xi|a,b) Función de verosimilitud

Queremos escoger el valor de los parámetros a,b que maximicen la función de verosimilitud, : δL/δα|

α=α * = 0, donde α puede representar una matriz de parámetros (a,b,vida media,etc).

¿Cómo ajustar(modelar) estos datos?

La funcion L =Πif(x

i|a,b) para el caso de medida de la vida media de una partícula

depende de más de una variable pero se puede factorizar en producto de funciones f que dependen de cada variable x (asumiendo que son variables independientes).

El truco, está en acertar con el modelo : las funciones de densidad f o densidades de probabilidad para cada variable x. Las funciones f pueden ser a su vez combinación de varias funciones debido a la contribución de varios agentes físicos (por ejemplo, varias partículas, varios tipos de fondo, etc) ...

Hablemos de modelos (f)

Flavor Creation (annihilation)

q b (BJ/ψX)

bq

x es Masa

x es ct

Señal y sus modelos en x (masa y ct)

_

El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica

q b

q b(BJ/ψX)

x es ct

f'

f''

l

l

q

q

p

p-

q c,b(D,B')

q c,b

Fondos y sus modelos x es Masa

El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica

x es Masa

f

f'

f''

++

+

x es ct

El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica

Los parámetros para el modelo de resolución se obtienen de los sucesos adyacentes.

Los parámetros α(a,b) son la masa , la vida media de la particula, etc

•CP Violation in Bs0J/ψφ

¿Qué medimos experimentalmente?

Medimos Γ(B⇾f)-Γ(anti-B⇾anti-f), diferencia de tasas de desintegración

Bs0

Rate of

Flavor Creation (annihilation)

q b

q b

Reto : Determinar partícula/antipartícula en producción

•CP Violation in Bs0J/ψφ

Γ(Bs0 ⇾ J/ψφ )[cτ] - Γ(anti-Bs

0 ⇾J/ψφ )[cτ]~sin(2βs)Γ(Bs

0 ⇾ J/ψφ )[cτ] + Γ(anti-Bs0 ⇾J/ψφ )[cτ]

Quién es el quark top? •Masivo

mt = 173.34 0.75 GeV/c2

•Anchura t = 2.0+0.3-0.6 GeV⇾ tiempo de vida media muy corto10-25 s

•Su sección eficaz es grande en el LHC (debido al gran flujo de gluones)

•La que más se acopla al bosón de Higgs. mt y mW constriñen mH

Contribución dominante en correcciones radiativas

•Medidas de precisión del quark top pueden dar información sobre ruptura de la simetría EW.

•Nuevas partículas pueden desintegrarse en quarks top (portal para nueva física)

ħ/ħ∙eV s

Diagrama dominante en Tevatron (pp)

LHC

Diagramas dominantes en LHC (pp)

Modo de producción predominante: pares tt (int. fuerte)_

Desintegración del quark top

Estados finales: siempre 2 quarks b jets según desintegración de W: tt bb l+l-di-leptónico tt bb qq’ lleptónico + jets tt bb qq’ q’’q’’’ hadrónico

-- ---- -- ---- -- -- --

Se desintegra antes de hadronizara tWb (Vtb 0.998) t W+ b t W- b

W es real (no es un propagador)

W l(l=e, ,) BR: (10.80± 0.09)% por leptón W qq’ BR: (67.60± 0.27)%

-- --

Proceso creación pares t anti-t

_ _

Reconstrucción (identificación) ttObjetos (partículas) reconstruidos•Leptones (e, , ) aislados (sin actividad alrededor)

•Jets•b-jets : etiquetado (b-tagging)•Energía faltante : MET

¿Qué es b-tagging?

Identificación de jets (b-jets) originados en el proceso de hadronización de un quark b

Se usan las propiedades que distinguen al quark b de los demás

•Masa del b-quark 4.18 GeV > c-,light-quark•τB > resto hadrones.•Multiplicidad trazas en b-jet~ 5

Trigger: e,, aislados, MET

b-jet

b-jet

Fondos irreducibles

Fondos instrumentales

Debido a mala reconstrucción de objetos ( falsa MET, falsos e, μ, mistag b )

Medidas sobre el quark top

Necesitamos medir (parametros fundamentales del SM):

• m, Г

• spin

• carga

•Acoplos a W, Z, γ ,G y H

•σ y d σ / d x

•Búsquedas

mt = 173.34 0.75 GeV/c2

Sección eficaz de producción t anti-t

Ndata, cuántos candidatos a quark tops se reconstruyen requiere :

*gran precisión y conocimiento de calibración de detectores

*gran control de otros procesos del SM que tengan un estado final similar: fondos, Nbkgd ;

*L: dado por acelerador*A,∈ : factores corrección

donde

estudio previo de bosones W, Z, nos asegura estos 2 puntos (leptones, fakes…)

Secciones eficaces a s = 7,8 TeV

Medidas dominadas por incertidumbres sistemáticas LHC es una factoría de quarks top

Buen acuerdo datos -predicciones teóricas del SM

El programa de hadrones pesados enriquece la física dentro y fuera del SM: - Heavy baryons - Precision lifetimes of all B hadrons - CPV - top mass, width, σ, etc

Conclusions

El top será estudiado con mucho detalle en LHC

- Top decays before it has time to hadronize; no top mesons. - Top production is perturbatively calculable because of the large mass of the top. - Single top production rate are substantial and give sensitivity to Vtb. - Associated production of vector bosons Z,H, gamma, jet will give informationabout the top couplings.

EWQCD

New Physics

top

Precise measurements of φs and ΔΓs,will put severe constraints on NP in Bs mixing

Large, well understood data samples from experiments

Δs = L – H

Modo de producción no predominante: t (int. debil)

Establecido y medido por Tevatron y LHC= 42 pb s = 7 TeV

Establecido y medido por CMS en 2014= 8.1 pb s = 7 TeV

Establecido y medido por D0 (Tevatron) en 2013 = 3.2 pb s = 7 TeV

t channel

s channel

W-associated channel

Same Side

Opposite Side

The final tag is the combination (properly weighted) of all the different tagging methods

Output: decision (b-quark or b-quark) and the quality of that decision-

b quarks generally produced in pairs at TevatronTag either the b quark which

produces the J/ψϕ(SST), or the other b quark (OST)

SST is based on flavor-charge correlations, i.e. tag on the leading fragmentation track OST searches lepton (either an electron or a muon) in the other side coming from the semileptonic decay of the other B.

Reconstrucción cinemática t anti-t •Reconstrucción es compleja, no existe pico de masa (como en Z).

•Existen partículas (ν, ¿materia oscura?) que escapan indetectadas

•Aplicar conservación mom. en plano⊥productos finales de colisión

•Se realizan todas las posibles permutaciones de asignación de jets/partículas a cada rama (top)

• Ajuste de las medidas disponibles, maximizando la probabilidad de la desintegración y la cinemática resultante: 2

Expe

rime

ntally a

ccessib

le

The phase of the diagram gives the complex number q/p = e-i s where s = arg (-M12/) [ CP-violating phase]

Mass eigenstates have different decay widths (lifetimes)Δs = L – H ≈ 2|12| cos s ; = 0.08 0.06 ps-1

The magnitude of the box diagram gives the oscillation frequency Δms= mH - mL ≈ 2|M12| ; Δms = 17.77 0.12 ps-1

Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates

(mixture of flavor eigenstates)

Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates

(mixture of flavor eigenstates)

Diagonalize mass and decay matrices→ obtain mass eigenstates

(mixture of flavor eigenstates)

Time evolution of Bs flavor eigenstates from Schrödinger equation:

Neutral Bs system

Collider sigma (pb)Tevatron 7.26LHC 7 127.7LHC 8 248.1LHC 14 977.5

Secciones eficaces diferencialesMejor descripción con NNLO que NLO, en dileptones y semileptónico

Resultados acordes con SM

Junto con mW permitió poner límites indirectos a mH

Masa del quark top

Spin del quark top y sus correlaciones

Identificación de jets (b-jets) originados en el proceso de hadronización de un quark b o antiquark bbar puede ser más o menos eficiente según el algoritmo de identificación que se use. Hay que calcular es eficiencia.

Se calcula el cociente entre la eficiencia medida en datos / eficiencia MC

B-Tagging Efficiency

Se calcula el cociente entre la eficiencia medida en datos / eficiencia MC

b-hadrons Lifetime: largely determined by charged weak decay of b quarkInteractions of quarks inside hadrons change these lifetimes by up to about 10%.

Why b-hadron lifetimes ?

Results

φs = 0.07 ± 0.09 (stat) ± 0.01(syst) rad

ΔΓs = 0.100 ± 0.016 (stat) ± 0.003 (syst) ps-1

SM: φs ≈ -2βs = - 0.036 ± 0.002 rad, ΔΓs = 0.087 ± 0.021 ps-1

Δs = L – H

• Peak at 0 comes from prompt J/ψ(main source: Drell Yan)

• Long lived tail is mostly our Bs

0J/ψϕ Signal

Bs0 Lifetime Reconstruction

-

l

l

q

q

p

p-

Bs0 travels ~ 450 m before decaying into J/Ψφ

Properties of decay depend on decay time, CP at decay, and initial flavor of Bs

0 / Bs0

Overview of fit

: probability distribution functions (PDFs) for signal : PDFs for background

fs : signal fraction (fit parameter)

Single event likelihood decomposed and factorized in:

0b lifetime measurement

(0b) = 1.537±0.045±0.014 ps

(0b)/(B0)=1.0200.0300.008

Theory: (0b)/(B0) =0.880.05

Some theories favour higher ratio 0.9-1.0

Measurement of (B+), (B0)& (B+)/(B0)

(B+)= 1.639 ± 0.009± 0.009 ps(B0)= 1.507 ± 0.010± 0.008 ps(B+)/(B0)= 1.088 ± 0.009± 0.004

In agreement with theoretical prediction:

(B+)/(B0) =(1.0630.027) (theory)

B hadron lifetimes

Mass: discriminate signal against background

Tratamiento estadístico. Modelo y variables x: cantidades medidas que forman parte de la función de probabilidad reconstructed mass of Bs

0 ,Bs0 and its error, decay time and

its error, transversity angles, flavor tag decision, dilution D

Angles: Separate CP-even from CP-odd final states

Output: parámetros α (siguiente transp.)

Reto : medir el vértice con precisión