Die Neue Die Neue Ära Ära Experimenteller Experimenteller B B Physik Physik Andreas Höcker Laboratoire de l‘Acélérateur Linéaire (LAL) Orsay, France Ist es Ist es Beauty Beauty oder oder Bottom Bottom ? ? Früjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18.-22. März, 2002
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Die Neue Ära Experimenteller B Physik Andreas Höcker Laboratoire de l‘Acélérateur Linéaire (LAL) Orsay, France Ist es Beauty oder Bottom ? Früjahrstagung.
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Die Neue Die Neue Ära Experimenteller Ära Experimenteller BB Physik Physik
Andreas Höcker
Laboratoire de l‘Acélérateur Linéaire (LAL)
Orsay, France
Ist es Ist es BeautyBeauty oder oder BottomBottom ? ?
Früjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
18.-22. März, 2002
Die vier Kernbereiche der B Physik
Verbesserung unseres
Verständnisses von B Zerfällen
Nachweis seltener Zerfällen:
Suche nach neuer Physik und
Direkter CP Verletzung
Präzise Bestimmung der CKM
Matrixelemente (|Vub| und |Vcb|)
CP Verletzung im Neutralen B System:
CPV durch Interferenz zwischen Zerfall und Mischung
CPV durch Interferenz der Zerfallsamplituden
Der Schlüssel zur B Physik: Die CKM MatrixMasseneigenzustände Geschmackseigenzustände Quarkmischung
B Mesonen zerfallen schwach
modifizierte Kopplungen für geladene schwache Ströme:
2 3
2 2
3 2
1 / 2
1 / 2
1 1CKM
A i
V A
A i A
Wolfenstein Parametrisierung (Entwicklung in ~ 0.2):
ud us ub
CKM cd cs cb
td ts tb
V V V
V V V V
V V V
CPV Phase
VCKM unitär und komplex:
4 reelle Parameter (3 Winkel und eine Phase)
2 6J A
* *Im 0ij k i kjJ V V V V * *Im 0ij k i kjJ V V V V
0 keine CPV im SM
(phaseninvariant!)Jarlskog 1985
Kobayashi-Maskawa 1973
CP Verletzung, wenn:
Was ist der Wert von
in userer Welt?
Viele Wege führen zum „Unitaritätdreieck”
J/2J
B dγ
Punkt der Erkenntnis: SM oder neue Phasen (Felder)?
0,0 0,1
Rt
η,ρ
ρ
η
Das Unitaritätsdreieck
Rb
Themenübersicht
ObservableCKM
ParametersExperimentelle Bestimmung
Theoretisches Werkzeug
(B0/B+) -Rekonstruktion des B
ZerfallsvertexesHeavy Quark
Expansion, Gitter
md , aSL (l+l–) (1–)2 + 2 BdBd f+f– + X pQCD & Gitter
msfBd
2Bd Bs f+ + X Gitter
sin2 , Bd cc sd -
sin2 , Bd +/+ – QCD Faktor.
, Bd DK, b u, Direkte
CPV- / QCD Faktor.
|Vcb| A b cl (exkl. / inkl.)Heavy Quark Effective Theory, Modelle / OPE
|Vub| 2 + 2 b ul (exkl. / inkl.)Hadronische Modelle /
Im Rahmen der Heavy Quark Entwicklung (HQE) erwartet man eine explizite Abhängigkeit der B Lebensdauer vom Geschmack des “Spectator Quarks“: B0(+) = bd(u):
2
0 2
( )1 0.05 1.07
( ) 200 MeV/cB
d
fBB
Zerfallskonstante
| | ( )12 ( )
t BBf t e
B
Die B0(+) Lebensdauer folgt dem Exponentialgesetz:
Für die Messung in einem asymmetrischen Beschleuniger, rekonstruiert man die Zerfallsvertices des vollständig oder teilweise rekonstruierten B‘s, und des anderen (=tag) B‘s.
z
0tagB
ee
K
0recB
B-Geschmacksbestimmung
Exklusive B Mesonen
Rekonstruction
0SK
/J
0 0rec flavB B (Geschmackseigenzustände) Lebensdauer, Mixing
(CP Eigenzustände) CP Analyse
(4S)
t z/c
z 250m
Das Messprinzip (für: Lebensdauer, Bd Mischung, CPV)
Noch keine signifikante Messung. Gespanntes Warten auf CDF, D0…
LEP/SLD/CDF
Amplitudenspektrum aus dem fit an die Eigenzeitverteilung:
SM fit
Verbesserung durch ms Limit
> 5% CL
Bestimmung der Matrixelemente |Vcb| und |Vub|
Für beide Matrixelemente gibt es sowohl exklusive als auch inklusive Ansätze, beide sind jedoch semileptonisch.
Das theoretische Rüstzeug hierfür ist Heavy Quark Effective Theory (HQET) und die Operator Produkt Entwicklung (OPE)
1/mQ
1/QCD
Symmetrie schwerer Quarks [=SU(2nQ)]:
Im mQ Limit eines Qq Systems verhält sich Q wie eine statische Farbquelle mit festem 4-Impuls.
Die leichten Freiheitsgrade werden insensitiv zu Spin und Geschmack des Quarks
|Vub| ( 2+2) ist entscheidend für die SM Vorhersage von sin(2)
|Vcb| ( A) ist von grosser Bedeutung in der Kaon Physik (K, BR(K), …)
Compton Wellenlängen
Messung der Rate als Fkt. des Impulsesübertrags
Bestimmung von |Vcb| aus Extrapolation zu 1 (Theorie am restriktivsten)
22d ( )
( )d
cb
B DF V
Exklusive semileptonische BDl Zerfälle
B D B
HQ Symmetry:
(1) 0.9 ( 5%)F
D
=1
=1.5
BD
BelleBelleBelleBelle
Im B Ruhesystem ist = (D)
Bigi, Uraltsev;Neubert;...;Gitter QCD
3
35.6 1.7 (LEP)
(1) 10 42.2 2.2 (CLEO)
36.2 2.3 (Belle)cbF V
Belle, PLB 526, 247 (2002)
Identifiziere durch „Markierung“ eines B‘s:
Vollständige Rekonstruktion oder hochenergetisches Lepton
Selektiere Leptonen des semileptonischen Zerfalls des anderen B‘s
OPE: Entwicklung der Zerfallsrate in und
Modellunabhängige Ergebnisse für „genügend inklusive“ Observablen:
Inklusive semileptonische BXc l Zerfälle
QCD / bm ( )s bm
3pQCD 1/
BR( ) 1.55 ps0.0419 1 0.015 0.010 0.012
0.105
b b
ccb m m
B
B XV
0 /,0 0
0 /,
tag : , '
c u e
c u c e
B X eB B
B X Y X X e
0 0(4 ) S B B
Schnelles e+: „right-sign“
Ex
pe
rim
ente
lle S
tra
teg
ie
Kaskaden e–: „wrong-sign“
schnell tagBR( ) /B X N N
Bigi, Shifman, Uraltsev; Hoang, Ligeti, Manohar
BABAR: (10.82 0.21 0.38) %
Belle: (10.86 0.14 0.47) %
CLEO: (10.49 0.17 0.43) %
LEP: (10.65 0.23 ) %
ARGUS : ( 9.7 0.5 0.4 )%
BR(BX l(e)): BBAABBARARBBAABBARAR
z.B.: |Vcb|(BABAR) (40.8 1.7 1.5)10–3
Ein vielversprechender Ansatz für theoretisch verbesserte Analysen ist der kombinierte fit der HQET Parameter und 1 (CLEO) mit Hilfe von b s. Erlaubt Test der Quark-Hadron Dualität. (Siehe auch hadronische Zerfälle).
CLEO, Phys. Rev. Lett. 87, 251808 (2001)
–0.4
–0.3
–0.2
0
–0.5
0.1
–0.1
|Vcb|(CLEO) (40.4 1.3)10–
3
BABAR preliminär:
1
|Vub| aus exklusiven Zerfällen (I)
Problem: Modellabhängigkeit des Formfaktors
+
b
dd
u
+WubV
20 2 2BR ( )ub BB h V F q , , ,...F B
Reiner Tree (Born) Zerfall. Die Zerfallsrate ist direkt proportional zum CKM Element |Vub|2
|Vub| aus inklusiven Zerfällen Unterdrückung des dominanten charm Untegrundes durch Schnitt auf den B Xul Lepton Impuls jenseits des kinematischen Endpunktes von B Xcl
Reduktion der Modell-Abhängigkeit durch Verwendung von HQE und “Shape-Function” gemessen in B Xs
CLEOCLEOCLEOCLEO
34.08 0.34 0.44 0.16 0.24 10ubV
Mögliche Verletzung von Quark-Hadron-Dualität ?
stat fu HQE1/mb
CLEO, hep-ex/0202019
B Xs
SM fit
> 5% CL
Messung des ganzen Spektrums ( Theorie unter Kontrolle) B Xul (Neur. Netz für Signal)
(GF)2 verstärkt gegenüber loop-induzierten nicht radiativen Zerfällen (GF )2
Empfindliche Sonden für neue Physik (SUSY, rechtshändige Kopplungen, ...)
Bestimmung von |Vtd| und |Vts|
Bestimmung von HQET Parametern
Suche nach direkter CP Asymmetrie
Hadronische b u(d) Zerfälle
Messung direkter CP Verletzung
Bestimmung der UT Winkel und
Test der B Zerfallsdynamik (Faktorisierung)
b d,s
u
u,c, tg,Z,
Tree
,tb td sV V
Penguin
u
d
b
d
dd
d,su
u
+W
ubV
,ud sV
Box
b
dd
tbV d,s
, ,
W W,
t ,td sV
Wir unterscheiden zwei Kategorien:
Wie können wir relativ |Vub/Vcb|20.01 unterdrückte b u Zerfälle im De-tektor rekonstruieren ?
Wie können wir relativ |Vub/Vcb|20.01 unterdrückte b u Zerfälle im De-tektor rekonstruieren ?
e+e– (4s) BB B Zerfall (fast) in Ruhe
B 2b B XC
Kinematische Rekonstruktion:
*CMS
22CMS
ES *
1( )
2
4 B
E E B E
Em p
Selektion mit Event shape Variablenbackground
signal
CMS track momentum
B Untergrund ist sehr klein:
B 2b
Dominierender e+e– qq Untergrund ist jetartig
BBAABBARARBBAABBARAR B +–
Typische Auflösung:
(mES) 2.5 MeV/c2
(E) 25 - 40 MeV
Semileptonische und Radiative B Zerfälle
Kanal Experiment Theory (SM)
(3.23 ± 0.41) 10–4
(ALEPH’99, CLEO’01 Belle’01)
(3.7 ± 0.3) 10–4
(Hurth et al., Misiak)
[–0.27,+0.10] at 90% CL(CLEO’01)
< 1% (bs)
~ 10% (bd)
(4.44 ± 0.35) 10–5
(BABAR’01, Belle’01, CLEO’01)
(7 ± 4) 10–5
(Bosch, Buchalla)
0.08 ± 0.13|Acp| < 0.01
(Bosch, Buchalla)
(3.82 ± 0.47) 10–5
(BABAR’01, Belle’01, CLEO’00)
(7 ± 4) 10–5
(Bosch, Buchalla)
–0.04 ± 0.08|Acp| < 0.01
(Bosch, Buchalla)
< 0.5 10–6 at 90% CL (BABAR’01)
(7.5 ± 2.5) 10–6 (Belle’01)
(0.52.3) 10–6
(Ali, Parkhomenko)
< 2.9 10–6 at 90% CL (BABAR’01) (0.52.3) 10–6
sB X
( )CP sA B X
0( )CPA B K
0 0B K
0B K
( )CPA B K
B K
B K
Bedeutende theoretische Unsicherheiten durch nicht-pQCD und Form Faktoren !
Leider kostet das Ersetzen von s durch d einen Faktor 20 in der Rate (im Standard Modell)
Semileptonische und Radiative B Zerfälle
Das Verhältnis der B Rate zu B K* kann theoretisch sauberer vorhergesagt werden als die Einzelraten: Misst |Vtd|, wichtig für UT Winkel
2
2NP
BR( )1
BR( )td
ts
VBR
B K V
NP0.76 0.06 , 0.15R
Ali, Parkhomenko. Siehe auch: QCD FA Ansatz
von Bosch & Buchalla
Quelle(BR10–6) (BR10–6)
Ali, Parkhomenko 0.5 ± 0.2 0.9 ± 0.4
Bosch, Buchalla 0.8 ± 0.3 1.5 ± 0.5
BABAR < 1.5 < 2.8
Belle < 1.0 < 1.1
CLEO < 1.7 < 1.3
0 0B B
Grobe Abschät-zung der theo-retischen Un-sicherheit
Seltene hadronische B Zerfälle und („direkte“) CP Verletzung im Zerfall
/ 1 Prob( ) Prob( )ffA A B f B f
1 2
( ) ( )sin sin
( ) ( )CP
B f B fA A A
B f B f
Zeitintegrierte
Observable:
CPV im Zerfall entsteht, wenn verschiedene Beiträge zur Zerfallsamplitude interferieren:
Starke Phasen-differenz
Weak phase difference
Für neutrale B’s konkurriert direkte CPV mit anderen CPV Formen
1A Re
Im φ φ
θ
2A
0 oder 0 keine direkte CPV
fB fB
Fleischer, Mannel (98)Gronau, Rosner, London (94, 98)Neubert, Rosner (98)Buras, Fleischer (98)Beneke, Buchalla, Neubert, Sachrajda (01)Keum, Li, Sanda (01)Ciuchini et al. (01)Liste bei weitem nicht vollständig !
Weiche StreuungWeiche Streuung
Teλ P A γi2Kπ CP gemittelte BRs und Messungen
direkter CPV bestimmen den Winkel
Die theoretische Analyse behandelt: SU(3) breaking Rescattering (FSI) EW penguins
Das Tool ist: QCD Faktorisierung...
B K und die Bestimmung von Interferierende Beiträge von tree und Penguin Amplituden
Potential für signifikante direkte CP Asymmetrien
Vo
rtrag
von
Ma
rtin B
eneke
... basierend auf Farbtransparenz:
Grosse Energiefreigabe soft Gluonen wechselwirken nicht mit dem
kleinen qq-bar Farbdipol des emittierten Mesons nicht-fakt. Beiträge sind in pQCD berechenbar Perfekt für mb .
Korrekturen der Ordnung: (QCD/mb)
b
d
2M
1M
Vertex Korr., PenguinsVertex Korr., Penguins
Harte Streuung (pQCD)Harte Streuung (pQCD)
0
0
0
0
0
0
0 0 0
0 0 0
B
B K
B K K
B
B K
B K
B K
B
1.6 1.4
2.5 1.4
2.6 2.3
3.0 1.4 2.7 1.3
4.6 4.0
5.9 2.4 5.1 3.3
4.3 0.5
17.2 1.2
1.9 (90%)
5.6 1.7
11.6
18.2 1.6
14.6
6BR ( 10 ) 6BR ( 10 )
Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Die meisten seltenen Kanäle entdeckt.Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Die meisten seltenen Kanäle entdeckt.
Updated Belle (La Thuile’02) Updated BABAR (Moriond EW’02)
Verzweigungsverhältnisse für B /K
5.4 0.7 0.4
17.8 1.1 0.5
< 2.5 (90%)
5.1 2.0 0.8
10.8 2.1 1.0
18.2 3.3 2.0
8.2 3.1 1.2
5.1 1.1 0.4
21.8 1.8 1.5
< 0.5 (90%)
7.0 2.2 0.8
12.5 2.4 1.2
18.8 3.0 1.5
7.7 3.2 1.6
5.17 0.62
18.5 1.0
5.9 1.41.61.511.6 2.32.218.5
9.0 2.2
BBAABBARAR55.6 fb55.6 fb–1–1
BBAABBARAR55.6 fb55.6 fb–1–1
CLEOCLEO9.1 fb9.1 fb–1–1
CLEOCLEO9.1 fb9.1 fb–1–1
BelleBelle29.1 fb29.1 fb–1–1
BelleBelle29.1 fb29.1 fb–1–1
Welt-Welt-MittelwertMittelwert
Welt-Welt-MittelwertMittelwert
< 5.6 (90%)< 3.4 (90%)< 5.7 (90%)
BABAR BABAR Moriond’02
CLEO PRL 85 (2000) 525CLEO
K
0K
0SK
CLEO
BABAR
Belle
Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Keine signifikante Abweichung von null.
Übereinstimmung zwischen den Experimenten. Keine signifikante Abweichung von null.
Input: S & C & sin(2)Input: S & C & sin(2)Input: S & C Input: S & C
sin(2eff) & Theorie (BBNS)
sin(2eff) & Theorie (BBNS)
Interessante neue Messung von Belle (Moriond’02):
Belle (Moriond’02): Belle (Moriond’02): 0.41 0.30
0.32 0.27
1.21
0.94
S
C
Vorzeichen von C geändert (Konvention) !
Input: S & C Input: S & C Input: S & C Input: S & C Zoom Zoom
Reverso: sin(2eff , 2) & SM fit Theorie
GR: Gronau, Rosner, Phys.Rev.D65:013004,2002BBNS: Beneke et al., Nucl.Phys.B606:245-321,2001
Die Theorie liefert Tree und Penguin Beiträge und deren relative Phasen. Der globale fit bestimmt, unter Verwendung aller gemessenen Verzweigungsver-
hältnisse und CP Asymmetrien (auch zeitabhängig), die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie.
Hierbei werden auch die freien Parameter der Theorie (CKM Elemente) bestimmt.
Wo stehen wir heute ?Wo stehen wir heute ?Was bringt die Zukunft ?Was bringt die Zukunft ?
Wo stehen wir heute ?Wo stehen wir heute ?Was bringt die Zukunft ?Was bringt die Zukunft ?
Das Zentrum ken-nen wir mit relativ guter Sicherheit… aber es ist zu gross!
Ein besseres Ver-ständnis von long-distance QCD öffnet uns die Türen zur vollen Ausbeute der grossen Datenmen-gen, die zur Zeit aus KEKB und PEPII quellen…
...und der ungeheu-eren Datenmengen, die am Tevatron und später (wann?) beim LHC auf uns zukom-men werden !
Das Standard Model hält die Festung:
Im Jahre 2010 brauchen wir einen Zoom, um den Überlappbereich noch zu erkennen...
Und in der ferneren Zukunft ?
Wird es noch einen Überlappbereich geben ? .
Vielleicht etablieren wir neue Physik bevor der LHC sie findet ???