16/4/2015 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 16/4/2015 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 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?

5 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. Nos vamos a centrar en estados finales concretos (con b) ¿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]

6 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.

7 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

8 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 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 : 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)

9 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

10  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 _

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

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

13 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 Como controlas las colisiones pero no lo que resulta de la colisión, se necesita un sistema/triger Selección

14 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)?

15 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 de b:

16 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

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

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

19 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

20 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 ct

21 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 } (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 (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).

22 ¿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)

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

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

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

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

27 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

28 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]

29 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. Etiquetado de sabor (flavor tagging)

30 30 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:

31 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 Dualidad teoría-experimento 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 ¿ Por qué hacer esto?

32 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. Heavy quark hadrons are the hydrogen atom of QCD masses, lifetimes, rare-decays, CPV 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 ¿ Por qué hacer esto?

33 33 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

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35 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 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.

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