Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT) Encanto y belleza en los quarks más pesados ( introducción a la física de quarks pesados ) I- Motivación (teórica) II - Retos (experimental) 16/4/2015 Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT)

Perito accidentes Su reconstrucción del suceso Simil : ¿Físico experimental de partículas = perito ?

Perito accidentes Su reconstrucción del suceso ¿Físico experimental de partículas = perito ? ¿ Qué colisión ha dado lugar a ese estado final ?

Un perito (al igual que un Físico de Partículas) puede Perito accidentes Su reconstrucción del suceso Un perito (al igual que un Físico de Partículas) puede llevar a cabo un tratamiento estadístico de sus datos “SI BEBES NO CONDUZCAS” : ¿ES ESO CIERTO? ASIMETRIA PRODUCCION ACCIDENTES : H vs M ¿Cierto?

LHC collisions are more like these (multiple)

Nos vamos a centrar en estados finales concretos (con b) ¿Por qué estudiar los quarks más pesados bottom y top (b y t)? Nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar (SM) Comprueban la existencia de nueva física [test de lo conocido y búsqueda de lo desconocido] Conceptos teóricos: Mass and Lifetime Measurements of Bottom and Charm Baryons in p�p Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV Mass and Lifetime Measurements of Bottom and Charm Baryons in p�p Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV Mass and Lifetime Measurements of Bottom and Charm Baryons in p�p Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV Violación CP (CPV), sabor de quark, oscilación de hadron-b Heavy quark hadrons are the hydrogen atom of QCD masses, lifetimes, rare-decays, CPV Hadrons are systems bound by the strong interaction, which is described at the fundamental level by Quantum Chromodynamics (QCD). While QCD is well understood at high energy in the perturbative regime, low-energy phenomena such as the binding of quarks and gluons within hadrons are more difficult to predict. High precision measurements are most useful to test the reliability of several models and techniques, such as constituent-quark models or lattice-QCD calculations, into predicting the mass spectrum and the properties of the hadrons. “factorization” , i.e. separating long and short-distance Physics, is important for B decays, because much of the theoretical progress in the subject relies on being able to separate the short-distance physics at scales 1/mW and 1/mb which determines the quark-level process (and for which perturbation theory is a useful tool) from the complex long distance physics of hadronization. Effective field theory is a tool which makes this factorization automatic.

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.

CPV tiene algo que ver (pequeña asimetría a~10-6 s) ¿Por qué se estudia CPV? Estamos en un universo dominado por materia CPV tiene algo que ver (pequeña asimetría a~10-6 s) 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 Violación CP es un ingrediente necesario (pero parece que insuficiente)

- - - Sabor de un quark: un ńumero cuántico importante en el SM Hay tres generaciones de pares de sabores de quarks 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 ∄ hadrones-t Hadrones-b : 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 - - - -2/3 +2/3 -1/3 - -1/3 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)

large CPV large small CPV CPV small CPV Matriz VCKM : VCKM describe cómo se llevan a cabo las transiciones de sabor Vtb Vud 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 ) Rate of

+ - Bs0 J/Ψφ ¿Por qué estudiar CPV en Hadrones-b ? => sin (2βs) CPV procede de la interferencia entre las amplitudes de mezcla y desintegración Bs0 La fase CP entre los dos caminos de desintegración es βs J/Ψφ => sin (2βs) - + c _ _ s _ _ s s La fase de violación CP en el SM, βsSM -arg[(VtsVtb*)2/(VcsVcb*)2], es pequeña La observación de una gran fase CP en Bs0J/Ψφ  sería un signo inequívoco de nueva física sSM  -arg[(VtsVtb*)2/ (VcsVcb*)2]

+ + - Bs0 - Bs0 Bs0 J/Ψφ J/Ψφ => sin (2βs) => sin (2βs) La fase CP entre los dos caminos de desintegración es βs J/Ψφ => sin (2βs) - + c _ _ s _ _ s s c _ _ s - _ _ J/Ψφ Bs0 s s => sin (2βs) + La fase CP entre los dos caminos de desintegración es βs Bs0 sSM  -arg[(VtsVtb*)2/ (VcsVcb*)2]

Lado experimental Producción (aceleradores) Selección (trigger) Medición (subdetectores) ¿ Cómo se realizan las medidas ? ¿ Cúales son los retos para hacerlo posible ? Acordaos del simil del perito ...

Producción ¿Quien provoca los accidentes en Fª de Partículas? Los accidentes están controlados por decenas de Físicos, ingenieros y técnicos que controlan constantemente haces de partículas que aceleran y posteriormente hacen colisionar. ¿Quien provoca los accidentes en Fª de Partículas? Aceleradores de partículas. Producción Túnel Bajo tierra Son como “circuitos de carreras” donde controlas los coches y sus accidentes/colisiones ... pero no lo que resulta de la colisión ...

Selección Como controlas las colisiones pero no lo que resulta de la colisión, se necesita un sistema/triger Eres un cámara y sólo quieres grabar en la carrera de indianápolis cuando del resultado de un choque surgen cierto tipo de partículas. Tienes que decidir muy rápidamente si interesa o no (si grabar o no) usando trigers selectivos basados en las caraterísticas peculiares de las partículas que te interesa grabar Selección

Una vez elegido/grabado/almacenado la colisión de interés, como perito, se procede a la evaluación ( medición ) de la misma: - Con los restos (depósitos de energía de otras partícuas en las que se ha desintegrado la original) se tratan de recomponer las partículas producidas en la colisión ¿los pedazos de la colisión que tipo de auto forman? - Se realizan medidas de esas partículas ¿a qué velocidad iba el auto, qué tipo de auto (cuántas ruedas, de qué tipo, motor, marca, piloto, etc)?

- - - - - - Producción de b: Gran sección eficaz  (pp  bb ) ~ 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 - - - g Flavor Creation (gluon fusion) b b Flavor Excitation q b g b Gluon Splitting g Flavor Creation (annihilation) q b - - Gran sección eficaz  (pp  bb ) ~ b (vs ~ nb at the (4s) resonance [B factories]) 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) - - - -

Proceso de selección de b's - - QCD(lighter quarks):fondo enorme al proceso (ppbb) Para eliminar fondo-QCD los hadrones-b se filtran usando trigers selectivos basados en sus caraterísticas peculiares: events selected by a Jψoriented dimuon trigger events selected by an impact parameter based trigger (SVT) 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  stub  chamber Central track calorimeter Central tracker

Medición :   Masa y vida media de 0b Violación de CP en Bs0J/ψφ  

¿Cómo observar las colisiones? Compact Muon Solenoid una de las “Catedrales” de la Física Como una cámara digital 3D de 80 Mpixel, de 12500 toneladas, 21x15x15 m3 y a 100m bajo tierra. Se disponen de capas concéntricas de distintos detectores, donde las distintas partículas van depositando energía ¿Cómo observar las colisiones? Producción (aceleradores) Desint./Selección (trigger) Medición (subdetectores) Cada tipo de partícula deja una señal distinta en el detector. Con las partículas cargadas, medimos el rastro dejado en algún material Esta cámara hace 40 millones de fotos/s ! 20

Masa invariante: 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 Reconstrucción individual de una traza Combinación de trazas para formar una hadron-b Momento = trayectoria

Vidas medias de hadrones-b Los hadrones-b decaen en SV lejos del PV ct Reto : medir el vértice 2º con suficiente precisión PV ct SV 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

Análisis estadístico de los datos: método de ajuste o estimación por máxima verosimilitud (MLM) Tenemos N medidas de la cantidad x {x1, x2, … xn} (x es masa y ct). 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)dx Si 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(xi|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)

Modeling the signal : x is mass and ct Mass ct ct Results are typically shown in logaritmic scale Mass ct ct _ Flavor Creation (annihilation) + B-decay to q  b (BJ/ψX) q b q b  q b (BJ/ψX)

Modeling the background Mass ct ct Results are typically shown in logaritmic scale Mass ct ct l q p - q c,b(D,B') c,b

+ + + x is Mass Results are typically shown in logaritmic scale x is ct f + + f' + f''

We get the parameters for the resolution model from sideband events The parameters (a,b) are the particle's mass, lifetime, etc

 Bs0 CP Violation in Bs0J/ψφ ¿Qué medimos experimentalmente? Rate of Medimos Γ(B⇾f)-Γ(anti-B⇾anti-f), diferencia de tasas de desintegración Miramos cualquier diferencia en propiedades como vida media, descomposición angular de la amplitud, etc entre una desintegración y su “imagen especular” como resultado de aplicar las transformaciones de C y P

CP Violation in Bs0J/ψφ Flavor Creation (annihilation) q b Γ(Bs0 ⇾ J/ψφ )[cτ] - Γ(anti-Bs0 ⇾J/ψφ )[cτ] ~sin(2βs) Γ(Bs0 ⇾ J/ψφ )[cτ] + Γ(anti-Bs0 ⇾J/ψφ )[cτ] Reto : Determinar partícula/antipartícula en producción

Etiquetado de sabor (flavor tagging) b quarks generally produced in pairs at Tevatron Tag either the b quark which produces the J/ψϕ(SST), or the other b quark (OST) Same Side The final tag is the combination (properly weighted) of all the different tagging methods Opposite Side 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. - Output: decision (b-quark or b-quark) and the quality of that decision

Overview of fit Single event likelihood decomposed and factorized in: : probability distribution functions (PDF) for signal : PDFs for background fs : signal fraction (fit parameter) Single event likelihood decomposed and factorized in:

Dualidad teoría-experimento La mejor herramienta que tenemos para describir la naturaleza son las matemáticas. La Física de Partículas (a pesar de ser una ciencia fundamentalmente experimental) no es una excepción ¿ Por qué hacer esto? Dualidad teoría-experimento Teoría y experimento : cara y cruz de la misma moneda Las teorías surgen a partir de lo que se observa en la naturaleza o de lo que vemos en los experimentos. Del mismo modo, para comprobar las nuevas teorías, se necesitan nuevos experimentos… Teórico Experimental 33

¿ Por qué hacer esto? Heavy quark hadrons are the hydrogen atom of QCD Los resultados de los análisis sobre las colisiones, nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar (SM, modelo teórico): el SM dice que p y n tienen estructura interna Comprueban la existencia de nueva física Test de lo conocido y búsqueda de lo desconocido Mass and Lifetime Measurements of Bottom and Charm Baryons in p�p Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV Mass and Lifetime Measurements of Bottom and Charm Baryons in p�p Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV Mass and Lifetime Measurements of Bottom and Charm Baryons in p�p Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV Heavy quark hadrons are the hydrogen atom of QCD masses, lifetimes, rare-decays, CPV Hadrons are systems bound by the strong interaction, which is described at the fundamental level by Quantum Chromodynamics (QCD). While QCD is well understood at high energy in the perturbative regime, low-energy phenomena such as the binding of quarks and gluons within hadrons are more difficult to predict. High precision measurements are most useful to test the reliability of several models and techniques, such as constituent-quark models or lattice-QCD calculations, into predicting the mass spectrum and the properties of the hadrons. “factorization” , i.e. separating long and short-distance Physics, is important for B decays, because much of the theoretical progress in the subject relies on being able to separate the short-distance physics at scales 1/mW and 1/mb which determines the quark-level process (and for which perturbation theory is a useful tool) from the complex long distance physics of hadronization. Effective field theory is a tool which makes this factorization automatic.

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

Conclusions Large, well understood data samples from experiments. 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 EW QCD New Physics top Large, well understood data samples from experiments. Precise measurements of φs and ΔΓs, will put severe constraints on NP in Bs mixing

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