CDF でのボトム・フレーバーの物理

素粒子実験研究室三宅 秀樹

2008/02/22 「フレーバー物理の新展開」研究会 @ 作並温泉

筑波大学

OUTLINE Tevatron における b ハドロ

ン生成 CDF 実験概要 CDF における B 物理Mixing and CPB spectroscopyB decays

将来展望

2

Tevatron 加速器

るみのシティCDFp

p

1km

Highest initial Lum store: 2.90e32

Best integrated Lum week: 45 pb-1

Best integrated Lum month: 165 pb-1

現在世界最高エネルギーを誇る陽子反陽子衝突型加速器( 重心エネルギー 1.96TeV)

3

CDF 検出器

Calorimeter CEM lead + scint 13.4%/√Et2% CHA steel + scint 75%/√Et3%Tracking (d0) = 40m (incl. 30m beam) (pt)/pt = 0.15 % pt

CDF detector: Si & tracking Endcap calorimetry L2 trigger on displaced tracks High rate trigger/DAQ

4

Flavor Creation (annihilation)

q b

q b

Flavor Creation (gluon fusion)

bg

g b

Flavor Excitationq q

bg

b

Gluon Splitting

bg

g g

b

b クォークは strong interaction で生成され、 weak interactionで崩壊

Tevatron における b ハドロン生成

Tevatron のメリット : B ファクトリー (e+e-コライダー ) に比べ、

1000 倍以上の b クォーク生成断面積 あらゆる b ハドロンを生成可能

(B0,B+,Bs,Bc,Λb,∑b,etc…)

デメリット： b クォーク生成断面積の 1000 倍以上の

QCD 背景事象トリガーが困難 π⁰ モードの解析が不得手 低 pT事象 :

Typical pT(B)=10 ～ 15GeV

これを利用した特徴的なB物理解析プログラムを遂行中

5

解析モードに合わせたトリガーの最適化が要 b ハドロンの長い固有崩壊長を利用 (SVT トリ

ガー )

B triggers

Di-Muon• Conventional trigger at hadron collider• Wide mass range

Primary VertexSecondary Vertex

Impact Parameter ( ~100m)

Lxy ~ 1 mm

B decay

Sillicon Vertex Trigger: SVT• Online selection of displaced tracks using SVX• UNIQUE at hadron colliders

1-Displaced track + lepton (e, )

120 m < I.P.(trk) < 1mm

PT(lepton) > 4 GeV

Semileptonic modes

2-Displaced tracksPT(trk) > 2 GeV 120 m < I.P.(trk) < 1mm

SpT > 5.5 GeV

fully hadronic modes

Level-2 SVT trigger

6

1 year ago…

7

CDF 実験における B 解析の現状

DCPK

Semi-leptonic C

PV

BSJ/ψΦ

DsKB(S)μμ

B**

∑b Λbhh

Bcψπ

Mixing and CP

B spectroscopy B

decay

Ξb積分ルミノシティ 1～ 2fb-1

Charm physics

DD mixing

Ψ(2S)

8

Mixing and CP

9

標準理論 :6 クォーク混合モデル クォーク混合 3x3 小林益川行

列 CP 非保存 ( 複素 ) 位相 η

Large CP violation ~ λ3

Large CP violation ~ λ3

Suppressed CP violation ~ λ4

Highly suppressed CP violation ~ λ5

λ = sin(Cabibbo) ≈ 0.23:

Bd unitarity triangle Bs unitarity triangle

BS 　 unitarity triangle

小林益川行列の精密検証 New physics への感度

Vts

Vts

10

J/ψΦ: BS golden mode

m)syst(7)stat(13456ps)syst(006.0)stat(076.0 1059.0

063.0

s

s

c

βS=0と仮定崩壊長分布CP位相SM prediction:崩壊幅差

CP-oddCP-even崩壊生成物の角度情報より、BSJ/ψΦ崩壊のCPパリティ比を得る

CP-even

CP-odd

B0における J/ψKS同様、崩壊の位相に理論的不定性が小さく、BB振動の位相を測定するのに適している

11

BSJ/ψΦ CP 非保存位相測定

フレーバー同定

CDF Run II Preliminary L = 1.7 fb-1

arXiv:0712.2348

allowed

excluded

UNTAGGED analysis: BSの initial flavorを見ない

arXiv:0712.2397

eD2 ~ 4.5%

不定性が著しく減少 at 68% confidence level

12

(Near)Future ProspectsPhys. Rev. D 76 , 057101 (2007 ) D0 combined results@1fb-1

CDF Prospects@6fb-1

Favored…?

Coming soon: CDF/D0 analysis w/ x2 data D0 flavor tagged analysis

βS=0.02 βS=π/8

13

Λb0pK-/Λb

0pπ-

0b mass

region

b バリオンにおける世界初の CP 非対称度測定

理論予測値～ O(0.1)

offline selection

トリガーを通過した事象データ

Advanced analysis of charmless two body decays (B(S)hh)

pK-らしさ分布 pπ-らしさ分布

14

b spectroscopy

15

b baryon spectrum

New!

Tevatron: b-”baryon” factoryこれまでに bottom baryon Λb、∑ (*)

bを発見16

2MeV/c)syst(7.1)stat(5.29.5792)( bm

新バリオン Ξb の発見

Phys. Rev. Lett. 99, 052002

シリコン飛跡検出器を用いたカスケード崩壊の再構成

統計有意度 7σ 以上でシグナルを観測

17

B decays

18

910)5.04.3()( sBBR1010)14.000.1()( dBBR

Observe no events new physics への制限Observe events new physics の発見！

A.J. Buras, Phys. Lett. B566, 115 (2003)

小林益川行列要素 (Vtd/Vts)2による抑制

B(s)μμ 崩壊 中性 B 中間子のレプトン二体崩壊

FCNC 過程 : 標準理論で強く抑制 (Br: ～ 10-9)

超対称性理論モデルによっては(MSSM,R-parity

violation,mSUGURA)、崩壊分岐比に 100倍の寄与

19

B(s)μμ 崩壊 @2fb-1

全領域

シグナル BOX 近傍

BR(Bs) < 5.8×10-8 @ 95% CL < 4.7×10-8 @ 90% CL

BR(Bd) < 1.8×10-8 @ 95% CL < 1.5×10-8 @ 90% CL

World’s best!20

SUSY モデルへの制限

Foster,Okumura,Roszkowski Phys.Lett. B641 (2006) 452

SUSY General Flavor Mixing (GFM) framework への制限

パラメータ δxy :Minimal Flavor Violation (MFV) モデルからのずれ

BXSγ 崩壊、 Bs 質量差(Δms) 、 Bsμμ 崩壊を用いる事で、非 MFV SUSY モデルのパラメータ領域を大きく制限できる

tanb=40

21

p-

u

uudK

csW+

D0

u

uus

p+

KcdW+

D0

D0-D0 混合D0K+π- 崩壊は二重 Cabbibo 抑制崩壊の他にD0-D0 混合によっても起こり得る

D*+p+D0p+K+p-D*+p+D0p+K-p+

Doubly Cabibbo Supressed “wrong sign” (WS)

Cabibbo favored“right sign” (RS)

Mixing:D0D0

• D* を用いてリファレンス D フレーバーをタグ• D からの Pion 電荷により RS/WS を決定

pppp mmmm KK

_

22

Allowed regions of charm mixing parameter phase spaceDecay time in D0 lifetimes

Rd = 3.04±0.55 x 10-3

y’ = 8.5±7.6 x 10-3

x’2 = -0.12±0.35 x 10-3

Evidence for charm mixing!

D0-D0 混合解析結果

No mixing 統計有意度 : 3.8σ (no mixing prob.=0.013%)

No mixing

Best fit

時間に依存した崩壊幅比 : R(t)=ΓK+π-(t)/ΓK-π+(t)

_

23

CDF 実験においては重心系衝突エネルギー 1.96TeV の陽子反陽子衝突事象を用い、ユニークかつ多様な B 解析プログラムが遂行されている。

現在までに解析された 1-2fb-1 のデータを用い、世界初もしくは最高レベルの測定結果を多数得た。これらは B-factory 実験と相補的もしくは comparable である。

これをもとに標準理論の多角的な精密検証、 New physics の探索及び制限が行われている。

2009(10?) ～ 6-8.5 ｆｂ－１ : 敵は top/Higgs trigger :-) 今回用いた数倍の統計量を用いた高精度実験

より多くの Time dependent CP analysis (ex. B(S)hh)

B(S)μμ等による New physics モデルへの制限

まとめ

将来展望

24

ご清聴ありがとうございましたそれでは、温泉とスキーをお楽しみください

25

26

B 中間子の L=1励起状態 B** の観測

World’s Best!World’s Best!1st measurement!

27

Bc J/Y p ; J/Y Bc excess >8

M(Bc) = 6274.1 ± 3.2(stat) ± 2.6(syst) MeV/c2

+18 - 0

I. F. Allison et al., Phys. Rev. Lett. 94, 172001 (2005)

BCJ/ψπ 質量測定BC: ハドロンコライダーのみで生成可能

Bc mass: Lattice QCD の精密検証

M(BC)Lattice=6304±12+18-0 MeV/c2

28

29

RARE DECAYS (CDF)

at 95(90)%CLat 95(90)%CL

- 0.9 fb-1B(B+ → μ+μ−K+) = (0.60 ± 0.15 ± 0.04)×10-6, consistent with world average andB(B0 → μ+μ−K*0) = (0.82 ± 0.31 ± 0.10)×10-6 competitive with best measurements

B(Bs → μ+μ−φ)/ B(Bs → J/ψφ) < 2.61(2.30)×10-3 at 95(90)%CL best limit

- First observation of in 1.2 fb-1

109 +/- 9 signal events with ~8 sigma significanceMeasure branching fraction relative to Cabibbo allowed mode:

- With 2.0 fb-1, best limit in:

arXiv:0712.1708

http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/061130.blessed_bmumuh/

http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/070524.blessed-Bs-DsK/

CP非対称度分布 B 中間子における直接的な CP 非

保存パラメータ、 ACP 及びその確率分布を以下のように定義する

ACP の確率分布は、 綺麗に B フレーバーを識別している

Bs中間子における直接的ＣＰ非保存パラメータの世界初の測定

30

CDF 実験において陽子反陽子衝突 1fb-1 のデータを用い、 Bs 中間子及び Λb バリオン二体崩壊モードの 1st observation:

B(s) 中間子二体崩壊における直接的な CP の破れ現象の測定 :

B(s) 中間子二体崩壊 annihilation モードの探索 :

b バリオン (Λb) における世界初の CP 非対称度測定 :

Bhh 崩壊まとめ

以上の結果を得た。31

事象選別P

P P

L3D x

y

Bs R < 1 (a < 57o)

z

a

)(3

BpMcL vtxD

用いる物理量は hh モードと ほぼ同様だが、より効率を上げる為ニューラルネットを使用

粒子識別 (PID) を用いて Bhhモードの混入を抑制

崩壊分岐比 Best limit の90%CL に最適化Δα:Pointing angle

λ: 固有崩壊長

Isolation

i iiTT

T

RpBpBpIso

)0.1()()(

32

B(s)μμ 崩壊分岐比 崩壊分岐比測定

コントロールサンプルとして B+J/ψK+ モードを用いる ( 比を用いる事で系統誤差の cancel が見込める )

トリガーに対するアクセプタンスや検出効率を、シグナルモード及びコントロールサンプルの両方について求める

)/()/()(

eaea JBRKJBBR

ff

NNBBR

s

utotalBsBs

totalBB

B

Bss

BR(Bs) < 5.8×10-8 @ 95% CL < 4.7×10-8 @ 90% CL

BR(Bd) < 1.8×10-8 @ 95% CL < 1.5×10-8 @ 90% CL

α: Trigger acceptance ε: 検出効率 fx: pp衝突から Bx中間子が生成する割合

B+J/ψK+

World’s B

est!

33

SUSY モデルへの制限 (1)Bμμ 崩壊を用いて、 SUSY パラメータに独自の制限を与えることができる

m0:scalar mass,m1/2 gaugino mass34

将来展望 (Bμμ)

CDF(2fb-1)

CDF(2fb-1)+DØ(2fb-1)

35

36

37

CHARGE ASYMMETRY IN INCLUSIVE BS DECAYS (DØ, CDF)

- Measure same sign muon charge asymmetry at DØ with 1 fb-1:

- With knowledge of fragmentation fractions fs and fd, the integrated oscillationprobabilities cd and cs and known B0 semileptonic asymmetry from B factories:

As = -0.0064 +/- 0.0101 (stat+syst) PRD 74, 092001 (2006)

- Similar measurement at CDF with 1.6 fb-1: As = 0.020 ± 0.021 (stat) ± 0.016 (syst) ± 0.009 (inputs)

http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/070816.blessed-acp-bsemil/

- These measurements can be combined with asymmetries in Bs →μDsX to further constrain CP violation phase

38

BRANCHING FRACTIONS AND CP ASYMMETRY IN B+ → D0 K+ (CDF, 1 FB-1)

- Results:- ratio of branching fractions:

- direct CP asymmetry:

- Quantities measured for the first time at hadron colliders- Results in agreement and competitive with B factories

http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/bottom/071018.blessed-BDK/

New baryons: Sb

Σb(*)±→Λb

0π±; Λb0→Λc

+π-; Λc+→pK-π+

Using fully reconstructed decay mode:

20.22.2 MeV/c)syst(7.1)stat(8.5807)(m S

b

2MeV/c)syst(7.1)stat(0.12.5815)(m Sb

27.18.1

6.18.1

* MeV/c)syst()stat(0.5829)(m

Sb

28.17.1

0.28.1

* MeV/c)syst()stat(4.5836)(m

Sb

Using 2 displaced tracks triggerReconstruct Λb

0→Λc+π-

Search for resonances in Q distribution

39

BSDSK

Br(Bs0 →Ds

±K+) / Br(Bs0 →Ds

+π−) = 0.107 ± 0.019(stat) ± 0.008(sys). The statistical significance of the Bs

0 →Ds

±K+ signal is 7.90σ.

40

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