1 3/9/2014 Encanto y belleza en los quarks más pesados ( introducción a la física de quarks pesados ) I- Motivación (teórica) II - Retos (experimental)

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1 1 3/9/2014 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)

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

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

4 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. Por qué estudiar los quarks más pesados bottom y top (b y t)? Heavy quark hadrons are the hydrogen atom of QCD Conceptos teóricos: masses, lifetimes, rare-decays, CPV 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]

5 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.

6 A t~10 -6 s a.B.B., había 10 10 -1 antiquarks por cada 10 10 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

7 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 :

8 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. Rate of Bs0Bs0  Γ(B f ) Γ(anti-B anti-f ) VCKM describe cómo se llevan a cabo las transiciones de sabor Matriz VCKM : V tb V ud large CPV large small CPV small CPV

9  s SM  -arg[(V ts V tb * ) 2 / (V cs V cb * ) 2 ] + La fase de violación CP en el SM, β s SM  -arg[(V ts V tb * ) 2 /(V cs V cb * ) 2 ], es pequeña CPV procede de la interferencia entre las amplitudes de mezcla y desintegración ¿Por qué estudiar CPV en Hadrones-b ? Bs0Bs0 La fase CP entre los dos caminos de desintegración es β s Bs0Bs0 J/ Ψ  φ => sin (2 β s ) - La observación de una gran fase CP en B s 0  J/ Ψφ  sería un signo inequívoco de nueva física c _ s s __ s _

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

11 g g Flavor Creation (gluon fusion) b Flavor Creation (annihilation) q b q b Flavor Excitation q q b g b b Gluon Splitting g g g b Los quarks se fragmentan en hadrones: B c - (bc),  b (bdu),  b + (buu),  b - (bdd), Ξ b - (bsd), Ω b - (bss), B s 0 (bs), B 0 (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:

12 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) - - 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

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

14 Medición : Masa y vida media de B +, B 0 & L b Violación de CP en B s 0  J/ψφ

15 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

16 Los hadrones-b decaen en SV lejos del PV Vidas medias de hadrones-b SVSV PVPV 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

17 Análisis estadístico de los datos: método de ajuste o estimación por máxima verosimilitud (MLM) Tenemos N medidas de la cantidad x {x 1, x 2, … x n }. 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 (x i 's) que medimos. ¿Cómo se obtiene el MLM? La probabilidad de medir x 1 es f(x 1 | a,b )dx... La probabilidad de medir x n es f(x n | a,b )dx Si las medidas son independientes, la probabilidad de obtener ese conjunto de medidas es: L = f(x 1 | a,b )dx * f(x 2 | a,b )dx... f(x n | a,b )dx = f (x 1 | a,b ) * f (x 2 | a,b )... f (x n | a,b )dx n Podemos olvidarnos de los términos dx n pues se trata sólo de una constante de proporcionalidad L =Π i f(x i |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).

18 ¿Cómo ajustar(modelar) estos datos? La funcion L =Π i f(x i |a,b) para e l 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)

19 Flavor Creation (annihilation) q b (B  J/ψX) b q 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 (B  J/ψX )  +  -

20 x es ct f' f'' l l q q p p - qc,b(D,B') q c,b Fondos y sus modelos x es Masa El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica

21 x es Masa f f' f'' + + + x es ct El resultado se muestra normal-mente en escala logarítmica

22 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

23 CP Violation in B s 0  J/ψφ ¿Qué medimos experimentalmente? 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 Medimos Γ(Bf)-Γ(anti-Banti-f), diferencia de tasas de desintegración Bs0Bs0  Rate of

24 Flavor Creation (annihilation) q b q b Reto : Determinar partícula/antipartícula en producción CP Violation in B s 0  J/ψφ Γ(B s 0 J/ψφ ) [cτ] - Γ(anti-B s 0 J/ψφ ) [cτ] ~sin(2β s ) Γ(B s 0 J/ψφ ) [cτ] + Γ(anti-B s 0 J/ψφ ) [cτ]

25 Quién es el quark top? Masivo m t = 173.34  0.75 GeV/c 2 Anchura  t = 2.0 +0.3 -0.6 GeV tiempo de vida media muy corto  10 -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. m t y m W constriñen m H 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) Quién es el quark top?  La partícula elemental más masiva hasta el momento (incluído el bosón de Higgs!!) m t = 173.34  0.75 GeV/c 2  la que más se acopla al bosón de Higgs  El quark top es ubicuo. Su sección eficaz es grande en el LHC ( debido al gran flujo de gluones )  Anchura  t = 2.0 +0.7 GeV  Medidas de precisión del quark top pueden dar info sobre ruptura de la simetría electrodébil.  O incluso nuevas partículas pue- den desintegrarse en quark tops  portal para nueva física? Masa de los quarks  ħ/  ħ  ∙    eV s

26 Diagrama dominante en Tevatron (pp) LHC Diagramas dominantes en LHC (pp) Modo de producción predominante: pares tt (int. fuerte)  W+ b W- b q q  t t ud e - ν e __ gg ~85% ~15% qq ~10% ~90% _

27 Desintegración del quark top Estados finales: siempre 2 quarks b  jets según desintegración de W: tt  bb l + l -  di-leptónico tt  bb qq’ l  leptónico + jets tt  bb qq’ q’’q’’’ hadrónico----- ---- Se desintegra antes de hadronizar a t  Wb (V tb  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 __

28 Reconstrucción (identificación) tt Objetos (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 τ B > resto hadrones. Multiplicidad trazas en b-jet~ 5 Trigger: e, ,  aislados, MET b-jet

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

30 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 m t = 173.34  0.75 GeV/c 2

31 Sección eficaz de producción t anti-t N data, 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, N bkgd ; tener en cuenta posibles candidatos de otros procesos exóticos (nueva física) en la muestra *L: dado por acelerador *A, ∈ : factores corrección donde estudio previo de bosones W, Z, nos asegura estos 2 puntos (leptones, fakes…)

32 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

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34 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 V tb. - Associated production of vector bosons Z,H, gamma, jet will give information about the top couplings. EWQCD New Physics top

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36 Precise measurements of φs and ΔΓs, will put severe constraints on NP in Bs mixing Large, well understood data samples from experiments ΔG s = G L – G H

37 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

38 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 Tevatron Tag either the b quark which produces the J/ ψ ϕ (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.

39 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 Sólo el caso hadrónico es resoluble totalmente (dentro de incertidumbre sistemáticas de medidas y calibraciones) En el resto, asunción de ciertas igualdades, en cada rama de desintegración: m W, m t, m t1 =m t2, m W1 =m W2

40 Time evolution of B s flavor eigenstates from Schrödinger equation: Neutral B s system Experimentally accessible The magnitude of the box diagram gives the oscillation frequency  m s = m H - m L ≈ 2|M 12 | ;  m s = 17.77  0.12 ps -1 (CDF) Diagonalize mass and decay matrices → obtain mass eigenstates (mixture of flavor eigenstates) Mass eigenstates have different decay widths (lifetimes)  =  L –  H ≈ 2|  12 | cos  s ; DG = 0.08  0.06 ps -1 (CDF) [part of this analysis] The phase of the diagram gives the complex number q/p = e -i  s where  s = arg (-M 12 / G 12 ) [ CP-violating phase] Mass eigenstates have different decay widths (lifetimes)  ΔG s = G L – G H ≈ 2|G 12 | cos  s ; DG = 0.08  0.06 ps -1 The magnitude of the box diagram gives the oscillation frequency Δ m s = m H - m L ≈ 2|M 12 | ; Δ m s = 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 B s flavor eigenstates from Schrödinger equation: Neutral Bs system

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

42 Secciones eficaces diferenciales Mejor 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

43 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

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

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46 b-hadrons Lifetime: largely determined by charged weak decay of b quark Interactions of quarks inside hadrons change these lifetimes by up to about 10%. In  B+ /  B0 = 1.063  0.027, In  Lb /  B0 = 0.88  0.05 HQE predicts   (B u )>  (B d ) ~  (B s ) >  (L b )>>  (B c ) Why b-hadron lifetimes ? The measurement of lifetimes (and ratios) can be used to evaluate deviations from the naive spectator quark model : b quark decays like free “particle” => all B hadron lifetimes are equal In reality QCD => lifetimes of B hadrons study the interplay between strong and weak interaction

47 Results φ s = 0.07 ± 0.09 (stat) ± 0.01(syst) rad ΔΓ s = 0.100 ± 0.016 (stat) ± 0.003 (syst) ps -1 SM: φ s ≈ -2β s = - 0.036 ± 0.002 rad, ΔΓ s = 0.087 ± 0.021 ps -1 ΔG s = G L – G H

48 Peak at 0 comes from prompt J/ ψ (main source: Drell Yan) Long lived tail is mostly our B s 0  J/ ψ ϕ Signal B s 0 Lifetime Reconstruction - l l q q p p - B s 0 travels ~ 450  m before decaying into J/ Ψφ Properties of decay depend on decay time, CP at decay, and initial flavor of B s 0 / B s 0

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

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53  0 b lifetime measurement t (  0 b ) = 1.537±0.045±0.014 ps t (  0 b )/ t (B 0 )=1.020  0.030  0.008 Theory: t ( L 0 b )/ t (B 0 ) =0.88  0.05 Some theories favour higher ratio 0.9-1.0 Measurement of t (B + ), t (B 0 )& t (B + )/ t (B 0 ) t (B + )= 1.639 ± 0.009± 0.009 ps t (B 0 )= 1.507 ± 0.010± 0.008 ps t (B + )/ t (B 0 )= 1.088 ± 0.009± 0.004 In agreement with theoretical prediction:  t (B + )/ t (B 0 ) =(1.063  0.027) (theory) B hadron lifetimes

54 Mass: discriminate signal against background Tratamiento estadístico. Modelo y variables x: cantidades medidas que forman parte de la función de probabilidad reconstructed mass of B s 0,B s 0 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.) 

55 Reto : medir el vértice con precisión