21
Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике) http://nuclphys.npi.msu.su/ b/index.html 18.04.2005 1

Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике) 18.04.2005 1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Редкие B-распады на установке ATLAS

Н.В.Никитин

(к Лекциям по

B-физике)

http://nuclphys.npi.msu.su/b/index.html

18.04.2005

1

Page 2: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Эксперимент LHC• LHC – Large Hadron Collider – Большой

адронный коллайдер строится в настоящее время в CERNе: pp-столкновения (14 ТэВ).

• Планируемое начало работы: весна 2007 г.• Четыре детектора: ATLAS, CMS – для поиска бозона Хиггса,

суперсимметрии и других задач, в том числе исследовании свойств b-адронов;

LHCb – оптимизирован под B-физику; ALICE – для исследования свойств КГП.

Page 3: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1
Page 4: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1
Page 5: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Мы сконцентрируемся на поиске редких

В-распадов на установке ATLAS только

потому, что группа МГУ активно принимает

участие в данной работе.

Следует иметь ввиду, что коллаборации

CMS и, особенно, LHCb имеют не менее

обширную программу по поиску редких

распадов

Page 6: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Introduction - IPhysics: b → d, s transitions (FCNC) are forbidden at

the tree level in SM and occur at the lowest order through one-loop-diagrams “penguin” and “box”.

Main points for study:

a) The good test of SM and its possible extensions

- SUSY, Two Higgs-doublet, LR, Extra Dimensions;

b) Information of the long-distance QCD effects;

c) Determination of the │Vtd│and │Vts│;

d) Some of rare decays as BG to other rare decays

(for example: B0d → π0 µ+ µ- as BG to B0

s →µ+ µ- γ ).2

Page 7: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Introduction - IIBranching Ratios Hierarchi in SM:

Br(B0d →µ+ µ- ) ~ “a few” * 10-10

Br(B0d →µ+ µ- γ ) ~ “a few” * 10-10

Br(B0s →µ+ µ- ) ~ “a few” * 10-9

Br(B0s →µ+ µ- γ ) ~ “a few” * 10-8

Br(B0d → π0 µ+ µ- ) ~ “a few” * 10-8

Br(B0d → ρ0 µ+ µ- ) ~ “a few” * 10-7

Br(B0d → K µ+ µ-) = (4.8 ± 1.2) * 10-7 (BaBar, Belle, ‘02)

Br(B0s → φ µ+ µ- ) ~ “a few” * 10-6

Br(B0d → K* µ+ µ-) = (1.17 ± 0.33) * 10-6 (BaBar, Belle, ‘03)

Br(B0d → K*γ) = (4.3 ± 0.4) * 10-5 (CLEO, ‘93)

3

Page 8: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Which new measurements can LHC make comparing with B-factories?

a) The rare decays of B0s – meson (B0

s→φγ , B0s→φ µ+ µ- ,

B0s →µ+ µ- γ and B0

s →µ+ µ-) and Λb - baryon;

b) Differencial distributions for rare semileptonic B-meson decays (dimuon-mass spectra, forward-backward asymmetries) – very sensitive to the SM extensions;

c) Branching fractions of rare muonic and rare radiative muonic B-meson decays – good sensitivity to the SM extensions.

4

Page 9: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

The basic theoretical description -IEffective Hamiltonian for b → d,s transition:

Heff (b → q)~ GFV*tqVtb∑ Ci(µ) Oi (µ),

includes the lowest EW-contributions and perturbative

QCD corrections for Wilson coefficients Ci(µ) .µ - scale parameter ~ 5 GeV : separates SD (perturba-tive) and LD (nonperturbative) contributions of thestrong interactions.

SM NLO: A.Buras, M.Munz, PRD52, p.182, 1995SM NNLO: C.Bobeth et al., JHEP 0404, 071, 2004MSSM NNLO: C.Bobeth et al., hep-ph/0409293.5

Page 10: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

The basic theoretical description -IIOi (µ) – set of the basic operators (specific for each model: SM, MSSM, LR and others); LD (nonperturbative) contribution of the strong inte-ractions are contained in the hadronic matrix elements:

and are described in the terms of relativistic invariant function - transition formfactors. Need the nonperturbative methods (SR, QM, Lat).

states hadronic initial | (µ) O|states hadronic final i

6

Page 11: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

The accuracy of calculationsStability of the Wilson coefficients to the choice of

mt and μ [mb /2, 2mb]: SM NLO: approximately 15% ; SM NNLO: approximately 6% - 7% ; MSSM NNLO: ≈ 30% depends from the parameters set.Accuracy of the nonperturbative calculations: depends on a method, but it’s not less, than 15% .

For SM calculations – NLO, for MSSM – NNLO.

7

Page 12: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Simulations of rare B-decays

for ATLAS detector

8

Page 13: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

B0d,s →µ+µ- decays in ATLAS

Points for study in ATLAS:

Branching ratio - sensitive to the SUSY .

Simulations:Full Inner detector simulation and reconstruction at low and nominal LHC luminosity

1) for TDR layout signal + background (ATLAS TDR 15, Vol.II, 1999)

2) for Initial layout only signal (ATL-COM-PHYS-2003-003 ).

3) signal + background in DC2.

Results:Using SM teoretical predictions: Br(B0

d,→µ+µ- ) ≈ 1.5*10-10 and Br(B0d,→µ+µ- ) ≈ 3.5*10-9

we obtaned the following sensitivities for ATLAS

After 3 year LHC work at L=1033 cm-2s-1 (30 fb-1) will be expected

B0d : 4 signal ev., B0

s : 27 signal ev., 93 BG ev. common to both

After 1 year LHC work at L=1034 cm-2s-1 (100 fb-1) will be expected

B0d : 14 signal ev., B0

s : 92 signal ev., 660 BG ev. common to both

We expect the 3*1010 sensitivities at CL 95% for rare leptonic decays.9

Page 14: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

B0d→K*(892)µ+µ- decay at ATLAS

Points for study in ATLAS:

Branching ratio - sensitive to the SUSY ;

Differencial distributions (dimuon-mass spectra, AFB) – very good

sensitivity to the SUSY.

Simulations:Full ATLAS Inner detector simulation and reconstruction at low

luminosity (ATLAS TDR 15, Vol.II, 1999) using theoretical matrix

element from paper D.Melikhov, N.Nikitin, S.Simula, PRD57, 6814, 1998.

Results of simulation:After 3 year LHC work at L=1033 cm-2s-1 (30 fb-1) will be expected

~2000 signal events at 290 BG events10

Page 15: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

BdK* Bs Preliminary resultsNon-optimized offline cuts,

resolution (>100 MeV/c2) could be improved.

Using DC1 simulation tools: estimations including trigger and off-line selection cuts for 1year LHC work at L=2*1033cm–2s-1 (20fb-1) : Bs: 3200 signal ev., S/√BG > 7; BdK*0 : 8500 signal ev., S/√BG > 5.→ BG rejection under investigation combining π0/ γ rejection

cuts, kinematics and angle between B0 and K+ at K*rest frame cuts.

Radiative penguins in ATLAS Points for study in ATLAS:

Branching for Bs, polarization measurements and CP-violation effects.

11

Page 16: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

Baryonic rare decay of Λb→ Λ µ+ µ-

Points for study in ATLAS:

Branching ratio - sensitive to the SUSY ;

FB asymmetry - very sensitive to the SUSY .

Generation procedure:EvtGen used to generate events using amplitudes from works

(C-H.Chen, C.Q.Geng, PRD64, 074001, 2001 ) and (T.M.Aliev et.al. , NPB649, p. 168-188 , 2003).

Results of DC1-simulation:

At Br(Λb→ Λ (p π-) µ+ µ- ) ~ 2·10-6 after 1 year LHC work at

L=2*1033 cm-2s-1 (20 fb-1) will be expected ~ 1800 events of the

decay Λb→ Λ (p π-) µ+ µ- .12

Page 17: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

B0d → π0 µ+ µ- as BG to B0

d,s →µ+µ-γ

and B0d,s →µ+µ- decays

|η(μ)| < 2.5, pT(μ) > 6 GeV, π0 → γ γ , pT(π0) < 4GeV

The decay B0d →π0 µ+ µ- are essential background for the decay

B0d,s →µ+ µ- (γ) at the particle level simulation.

B0s →µ+ µ-

B0d →µ+ µ-

B0d → π0 µ+ µ-

Number of events

Mµµ

Number of events

B0s →µ+ µ- γ

B0d →µ+ µ- γ

B0d → π0 µ+ µ-

Mµµ

16

Page 18: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

SUSY in rare B-decays

at ATLAS detector

Page 19: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

SUSY: main motivations for study in rare B-decays

I) Many kinds of heavy (m > 1 TeV) SUSY particles.II) Only lightest of these particles can be detected on LHC.III) Other SUSY-particles give the tiny contributions as virtual particles in SM processes.To find the information on such particles it is necessary to choose the decays : a) where SM contributions are suppressed as much as possible; b) QCD nonperturbative corrections well known; c) branchings can be measured in ATLAS.

Rare B0d,s and Λb decays are IDEAL CHOICE for that!

18

Page 20: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

MSSM for B0d,s→µ+µ- decays and

ATLAS sensitivity

C.Bobeth et al., PRD66, 074021, (2002)

The B0d,s→µ+µ- barnchings as functions of charge

Higgs boson mass MH for two choice the tan β. 19

tan β = 50 tan β = 60

SM

SM

95% CL

for ATLAS

sensitivity

Br(

B0 q

→ µ

+ µ

- ) x

108

Br(

B0 q

→ µ

+ µ

- ) x

108

Page 21: Редкие B-распады на установке ATLAS Н.В.Никитин (к Лекциям по B-физике)  18.04.2005 1

MSSM in B →K*(892) µ+µ- decay and ATLAS precision

Sensitivity of AFB to the choice of the

Wilson coefficients in one MSSM scenario:

P.Cho, M.Misiak, D.Wyller, PRD54, p.3329, 1996.

Three intervals for variable q2 /M2B. If in the first interval the negative average

asymmetry will be measured, it will be convincing demonstration of a SM exten-

sions reality.

Interval min − 0.14 0.14−0.33 0.55−max

SM 10% -14% -29%

MSSM -17 – 5% -35 − -13% ~ 30%

ATLAS

Accuracy 5% 4.5% 6.5%

20