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Fisica del B con i rivelatori Fisica del B con i rivelatori ATLAS e CMS ATLAS e CMS
Riccardo Ranieri
INFN e Università di Firenze
Primo Workshop italiano sulla fisica di Primo Workshop italiano sulla fisica di ATLAS e CMS - PisaATLAS e CMS - Pisa10-11 Giugno 200310-11 Giugno 2003
ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003
Fisica del B Riccardo Ranieri 2
Fisica del B a LHCFisica del B a LHCProgramma Programma
Decadimenti rariDecadimenti rari
violazione di CPviolazione di CP
mixing Bmixing B00ss
Produzione di b a LHCProduzione di b a LHCluminosità: 2x10luminosità: 2x1033 33 cmcm-2-2ss-1 -1
(( 10 103434 cm cm-2-2ss-1-1))
0.5 mb 0.5 mb O(10O(1055-10-1066) ) bb/sbb/s
OO(100) ev/s su nastro (100) ev/s su nastro per per tutti i canali di fisica tutti i canali di fisica interessantiinteressanti
La strategia di trigger è La strategia di trigger è
fondamentalefondamentale
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Fisica del B Riccardo Ranieri 3
TriggerTrigger
30Collisions/25ns ( 10 9 event/sec ) 107channels(10 16 bit/sec)
Multilevel trigger and readout systems
Luminosity = 1034 cm-2 sec-1 25 ns
25ns
40 MHz
105 Hz
103 Hz
102 Hz
Trigger Rate
Lvl-1
Lvl-2
Lvl-3
Front end pipelines
Readout buffers
Processor farms
Switching network
Detectors
µsec
ms
sec
25ns
40 MHz
105 Hz
102 Hz
Trigger Rate
Lvl-1
HLT
Front end pipelines
Readout buffers
Processor farms
Switching network
Detectors
µsec
sec
40 MHZ40 MHZ
50 kHz50 kHz
100 Hz100 Hz
CMS
30Collisions/25ns ( 10 9 event/sec ) 107channels(10 16 bit/sec)
Multilevel trigger and readout systems
Luminosity = 1034 cm-2 sec-1 25 ns
25ns
40 MHz
105 Hz
103 Hz
102 Hz
Trigger Rate
Lvl-1
Lvl-2
Lvl-3
Front end pipelines
Readout buffers
Processor farms
Switching network
Detectors
µsec
ms
sec
25ns
40 MHz
105 Hz
102 Hz
Trigger Rate
Lvl-1
HLT
Front end pipelines
Readout buffers
Processor farms
Switching network
Detectors
µsec
sec
40 MHZ40 MHZ
25 kHz25 kHz**
2 kHz2 kHz
200 Hz200 Hz
[Event Filter][Event Filter]
HLT
ATLAS
[Region of Interest][Region of Interest]
Le soglie del Trigger di L1 sono ottimizzate per la fisica di scopertaLe soglie del Trigger di L1 sono ottimizzate per la fisica di scoperta selezione di processi ad alto pselezione di processi ad alto pTT
b-jet selezionati con il trigger di muoni (1μ o 2μ)b-jet selezionati con il trigger di muoni (1μ o 2μ)
Riduzione del DAQ all’inizio di LHC (problemi di budget)* * scenario più severo scenario più severo possibilepossibile
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L1 Trigger (muoni)L1 Trigger (muoni)Low Lumi
< 2.1
16 kHz DAQ16 kHz DAQ3.6 kHz for 3.6 kHz for
14;3,32.7+0.9=3.6kHzW =90%Z =99%Bs=15%
ATLAS•singolo μ: pT>20 GeV/c0.8 kHz
•2μ: pT>6,6 GeV/c0.2 kHzè allo studio la possibilità di scendere fino a 3-4 GeV/c
(totale L1: 25 kHz, “fattore di sicurezza” non incluso)
CMS•singolo μ: pT>14 GeV/c2.7 kHz
•2μ: pT>3,3 GeV/c0.9 kHz
(totale L1: 50 kHz “fattore di sicurezza” 1/3)
CMS
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Fisica del B Riccardo Ranieri 8
threshold [GeV/c]TSingle muonp12 14 16 18 20 22 24 26
thr
esho
ld [
GeV
/c]
TD
i-m
uon
p
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
20 Hz30 Hz
40 Hz
50 Hz
60 Hz
70 Hz
80 Hz
Low LuminosityLow Luminosity
CMS
High-Level Trigger (muoni)High-Level Trigger (muoni)
Banda riservata al Banda riservata al trigger di muoni:trigger di muoni:
ATLASATLAS: : 50 Hz50 Hz(40 Hz μ20i+2μ10 e 10 Hz (40 Hz μ20i+2μ10 e 10 Hz 2μ6 con m2μ6 con mB,J/B,J/))
CMSCMS: : 29 Hz29 Hz(25 Hz μ(25 Hz μ1919 e 4 Hz μ e 4 Hz μ7,77,7 con con isolamento)isolamento)
30 Hz30 Hz
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Singolo muone – HLT Singolo muone – HLT streamstream
threshold [GeV/c]Tp
5 10 15 20 25 30
Rat
e [H
z]
10-1
1
10
102
103
104
all
/K
+X c/b
+X
W-+
25 Hz
b/c
W
Solo ~5 Hz sono eventi b/c: 1 HzSolo ~5 Hz sono eventi b/c: 1 Hz101077 ev/y a bassa luminosità ev/y a bassa luminositàNon è abbastanza per decadimenti con BR<10Non è abbastanza per decadimenti con BR<10-4-4 e ε e εselsel<10%<10%
CMS
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High-Level TriggerHigh-Level Trigger• I risultati precedenti si possono migliorare
– utilizzo dei sistemi di tracciatura– algoritmi che richiedano solo una frazione di
dati• Region of Interest (RoI) • ricostruzione tracce
– quasi offline– condizioni di stop
• velocità di esecuzione– misure di timing degli algoritmiGli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie:
1. Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,,jet,…) ”Trigger elements”
2. Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti) ”Hypothesis algorithm”
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ATLAS & CMS startupATLAS & CMS startup
Pixel Vertex detector: 2+1 layer invece di 3+2 ?
Camere μ: Trigger L1 limitato a |η|<2.1 (< elettronica)
Pixel Vertex detector: 2 layer invece di 3
TRT (straw tubes): accettanza limitata |η|<2
Riduz
ione
dei
trigg
er
Riduz
ione
dei
trigg
er
proc
esso
rs
proc
esso
rs
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Canali di benchmarkCanali di benchmark
• Di-muon Trigger L1:– Bsμμ
– BsJ/(μμ) (KK)
• Canali adronici (Trigger L1 di singolo muone sul secondo bμ):– BsDs(π(KK)) π[a1]
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Decadimenti rari: BDecadimenti rari: Bssμμμμ
• FCNC bs o bd a livello di loop nel Modello Standard– BR(Bsμμ)=(3.5±1.0)x10-9
– correzioni MSSM (alto tanβ)nuova fisica» Br(Bsμμ)=3x10-6(tanβ/50)6(200 GeV/mA)4 loop
Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità) sono favoriti rispetto a LHCb
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BBssμμ – trigger (CMS)μμ – trigger (CMS)
• L1: 2μ pT>3 GeV/c, =15.2% Rate=900 Hz
• HLT:
– Seed nei pixel: pT > 4 GeV/c intorno ai muoni
– Propagazione tracce:- stop se pT<4 GeV/c @ 5σ o Nhit=6 o σ(pT)/pT<0.02
- Ricostruzione Bs se e solo se 2 tracce di carica opposta in mBs±150 MeV/c2
- Vertice20 e drφ> 150 μm
• Tempo di CPU richiesto = 240 msec [1 GHz PIII]
CERN/LHCC 2002-26
CMS TDR 6.2
“The Trigger and Data Acquisition project, Volume II
Data Acquisition & High-Level Trigger”
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BBssμμ – analisiμμ – analisi
L1 L1 HLT HLT Global Global
(=L1xHLT)(=L1xHLT) ev/10fbev/10fb-1-1 Trigger RateTrigger Rate
15.2%15.2% 33.5%33.5% 5.1%5.1% 4747 <1.7Hz<1.7Hz
HLTHLT Full TrackerFull Tracker
Analisi offline (Analisi offline (SM BR=SM BR=3.5x103.5x10-9-9))(L1 μ trigger in |(L1 μ trigger in ||<2.4 invece di ||<2.4 invece di ||< 2.1)|< 2.1)
10 fb10 fb-1 -1 7 eventi di segnale <1 fondo 7 eventi di segnale <1 fondoosservazione a 5σ con 30 fbosservazione a 5σ con 30 fb-1-1
inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminositàinoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità
= 46 = 46 MeV/cMeV/c22
= 74 = 74 MeV/cMeV/c22
hep-ph/9907256
A.Nikitenko, A.Starodumov, N.Stepanov
“Observability of B(d)sμμ decay with the CMS detector”
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Oscillazioni BOscillazioni Bss/B/Bss
B0s e B0
s sono gli autostati di flavoursovrapposizione degli autostati di massa BH e
BL
Oscillazioni B0
sB0s
con frequenzaΔmsmH-mL
Difficoltà all’interno del Modello standard a giustifcare valori di Δms superiori a 25 ps-1nuova fisica
--
-
-
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CMS L1 μ
Troppo ottimista!!!
BBssDDssπ – L1 Triggerπ – L1 Trigger
Trigger di L1: 1 muone dal secondo b (+ 1
“soft” jet)
P(bBs) x Br(BsDs KK ) ~ 5 x 10-5
BS-BS mixing: ΔmS 14.4 ps-1 @ 95% CL -
Muon pT[GeV/c]
>
Jet ET[GeV]
>
Rate [Hz]
ev/20 fb-1
4 no jet 50 k 106 k
10 20 2.5 k 9.6 k
14 no jet 3.2 k 11 k
CMS NOTE 2002/045
A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov
“Study for a High Level Trigger for the decay channel BsDsπππKKππ”
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HLT ε=10%
HLT Rate troppo alto
BBssDDssπ – HLT Triggerπ – HLT TriggerHLT [640 ms/ev fondo, 460 ms/ev segnale]:
1. Vertice Primario2. Ricostruzione parziale tracce 2 pixel+1 Si dell’intero evento3. Tagli topologici: ΔR(KK)<0.3, ΔR(π<1.2, ΔR(Dsπ<2.0,
Δφ(Bs,μ)>0.6
4. Tagli cinematici: pT()>2 GeV/c, pT(Ds)>4 GeV/c, pT(Bs)>5 GeV/c
5. Massa invariante: ΔM<15 MeV/c2, ΔMDs<75 MeV/c2, ΔMBs<270 MeV/c2
L1 Muon pT[GeV/c]
>
L1 Jet ET[GeV]
>
HLT Rate [Hz]
HLT ev/20 fb-
1
4 no jet 270 11 k
10 20 21 1 k
14 no jet 17 1 k
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Fisica del B Riccardo Ranieri 19
BBssDDssπ – analisiπ – analisi
BBssDDss=5 =5 MeV/cMeV/c22
=25 =25 MeV/cMeV/c22
=95 =95 MeV/cMeV/c22
1 anno a bassa luminosità (20 fb1 anno a bassa luminosità (20 fb-1-1): ): Downscale (0.25 μDownscale (0.25 μ1414 + 0.17 μ + 0.17 μ1212) ) L1: 1 kHz HLT: 5 Hz L1: 1 kHz HLT: 5 Hz
300-400 ev segnale 300-400 ev segnaleΔmΔms s fino a 20 psfino a 20 ps-1-1
1000 eventi per test SM: Δms 26 ps-1 @ 99% CL
Non si può utilizzare tutto il rate L1 (2.7 kHz) a causa Non si può utilizzare tutto il rate L1 (2.7 kHz) a causa dell’alto HLT rate in uscita: si può migliorare ancoradell’alto HLT rate in uscita: si può migliorare ancora
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Fisica del B Riccardo Ranieri 20
BBssDDssπ – prospettiveπ – prospettivexs=Δms/Γs
2 fb-1 (RunIIa) e 6.5 fb-1 (RunIIb) ~2008
–Risoluzione in tempo proprio:t = 45 fs t pT/pT (L00+SVX)
Sensibilità fino a xs 6070
Test dello SM (xs~30) con < O(10k) eventi
Bassa Luminosità 30 fb-1 ~2008
–Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs
Sensibilità fino a Δms<29.5 ps-1 (xs<43)
LHCb: 1 anno = 2 pb-1 72k
80K
40K
20K
10K
70K
60K
50K
30K
0
Nu
mero
di Even
ti p
er
osserv
azi
on
e a
5 s
igm
a
CDF
ATLAS
B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz
EPJdirect CN3, 1-23 (2002)
“Prospects for the measurement of B0
s oscillations with the ATLAS detector at LHC”
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Fisica del B Riccardo Ranieri 21
BBssJ/J/ - la fisica - la fisica
Analisi angolare per misurare s
J/
Bs
Bs
J/
Colour Singlet exchange
BR(BsJ/ )=(9.3±3.3)x10-4
J/ℓ+ℓ- (BR≈6%)K+K- (BR≈49%)
CP violation weak phase s= 2= -22
SM: s ~O(0.012÷0.027)
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BBssJ/J/ - trigger - trigger
• L1 2 muoni– CMS: 2μ pT
μ>4 GeV/c 0.9 kHz
• HLT– L2: J/μ+μ-
• |mμμ-mJ/|<~100 MeV/c2
• fit del vertice: 2<20
• decay length (piano trasverso): d0>~200 μm
– L3: K+K-
• combinazioni di tracce di carica opposta ricostruite (CMS: 6 hit) intorno alla J/: |mKK-m|<~10 MeV/c2
– BsJ/ • fit vertice 3D + massa invariante
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BBssJ/J/ - massa del B - massa del Bss
Risoluzione HLTRisoluzione HLT
= 22.4 = 22.4 MeV/cMeV/c22
BBss
= 46.5 = 46.5 MeV/cMeV/c22
J/J/ = 2.2 = 2.2 MeV/cMeV/c22
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è richiesto maggior tempo di CPU (660 ms/ev addizionali)
Rate ridotto al minimo
Numero di eventi l’anno analogo a LHCb (TDR)
260 ms/ev su Pentium III 1 GHz
si analizzano tutti gli eventi che passano L1
BBssJ/J/ - selezione (CMS) - selezione (CMS)
Lvl-1 Lvl-1 Lvl-2 Lvl-2 Lvl-2 Rate Lvl-2 Rate Lvl-3 Lvl-3 Lvl-3 RateLvl-3 Rate Events/20 fbEvents/20 fb-1-1
16.5%16.5% 13.7%13.7% 14.5 Hz14.5 Hz 8.7%8.7% <1.7 Hz<1.7 Hz 167167 600600
CERN/LHCC 2002-26
CMS TDR 6.2
“The Trigger and Data Acquisition project, Volume II
Data Acquisition & High-Level Trigger”
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Fisica del B Riccardo Ranieri 25
BBssJ/J/ - analisi - analisi
CERN 2000-004
“Proceedings of the Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC”
ℓ+
ℓ-
K+
K-
Analisi angolare BsJ/μμKKsu un campione di 600600 000 000 eventi (σT=0.063 ps, 10% fondo):1/Γs = 1.54 ps ΔΓs s(xs=20)
s(xs=40)
Value0.15xΓ
s0.04 0.8
Error 8.0% 0.014 0.03Errore su Errore su ΔΓΔΓss vs stat. vs stat.
ΔΓΔΓs s //ΓΓs s < 15 % < 15 %
ss(x(xss=20) ~ 0.015 rad=20) ~ 0.015 rad
ss(x(xss=40) ~ 0.03 rad =40) ~ 0.03 rad
60 fb60 fb-1-1
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Fisica del B Riccardo Ranieri 26
Misure di precisione: Misure di precisione: BBddJ/J/KKss
1 year @ 1033 cm-2 s-1 ATLAS CMS
TriggerOffline
S/B
800 k170 k
31
4400 k430 k
8
Lepton tagJet/charge tag
Total
0.0390.0260.017
0.0310.0210.015
ATLAS+CMS 3 years @ 1033 cm-2 s-1
ATLAS+CMS 3 years @ 1033 cm-2 s-1
+ LHCb, 5 years @ 1032 cm-2 s-1
0.007 0.005
Bd J/ Ks sin2
CERN 2000-004
“Proceedings of the Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC”
Trigger L1 μ
NON ATTUALE!!!
ATLAS: 1 μ pT>6 GeV/c (20) + L2 secondo μ pT>4 GeV/c
CMS: pT>7 GeV/c (14) o 2μ pT>4 (3) GeV/c
B0
d J/ Ks
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Fisica del B Riccardo Ranieri 28
δsin2β - prospettiveδsin2β - prospettive
AnnoBaBar
+Belle
CDF ATLAS CMS LHCb
2002 0.06
2006 0.03 0.06
>2007 (1
anno di run)
0.02 0.04 0.02 0.02 0.03
ATLAS e CMS sono competitivi
Media mondiale: sin2β=0.734±0.055 [δs/s=7.5%]
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Fisica del B Riccardo Ranieri 29
Decadimenti radiativi: Decadimenti radiativi: BBddKK**
b s,d
W-
u,c,t
•Nuovi vincoli sui parametri della matrice CKM (Vts,Vtd):
x R x Br (B
K*)
Br (B
) =|Vtd|
|Vts|
2
2
Form factors ratio
Phase space factor
•Vincoli su parametri di QCD (fattori di forma, mb) da misure di Branching Ratio:
Br (BdK*) = (7.2±1.1) x 10-5 x
1.6ps
mb4.65
2(K
*)0.35
2
x x
Form factor
B quark mass
•Asimmetrie di CP in B, violazione di isospin in BK* e B.
ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003
Fisica del B Riccardo Ranieri 30
BBddKK** - selezione (ATLAS) - selezione (ATLAS)
• L1 singolo muone– ATLAS: μ pT
μ>6 GeV/c (si assume 85% efficienza)
• HLT– L2:
• cluster ET>4 GeV
• selezione nel calorimetro (/π0 rejection)
• Offline• K0*K+π- (fit vertice)
• Massa invariante Bd
S.Viret,S.Ohlsson-Mahlek
4th ATLAS Physics Workshop Athens 2003
“Radiative b-decays with ATLAS (preliminary)”
PRELIMINARY
(Bd)=80 MeV/c2
reco(Bd)=8.5%
N(Sig)/y = 143k
N(Bkg)/y = 55x106
Bd purity=60%
S
B~ 19
ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003
Fisica del B Riccardo Ranieri 31
LHCb
BBddKK** - confronto - confronto
• Valore misurato:Br(BdK*)=(4.23±0.40±0.22)x
10-5
• Eventi/1 anno:– ATLAS: 143k– LHCb: 20k– b-factories: 6k[confronti difficili, S/N]
LHCb: Risoluzione in massa ~80 MeV/c2
Fondo B0K*π0 rigettato grazie a diverse elicità K*
ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003
Fisica del B Riccardo Ranieri 32
B Trigger e tabella HLTB Trigger e tabella HLT• La banda di trigger dedicata alla fisica
del B allo startup di LHC dipenderà da:1. Luminosità
– Minore luminosità maggiore banda B trigger
2. Rate del fondo– Il “fattore di sicurezza”…
3. ₤€ r¥$or$€ f¥nanz¥ar¥€– Per acquistare trigger processors
Inoltre è allo studio la possibilità di abbassare le soglie per il trigger di B quando la luminosità sarà più bassa durante il fill di LHC
ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003
Fisica del B Riccardo Ranieri 34
σ(ppσ(ppbX) e σ(eebX) e σ(eebbX)bbX)
Le sezioni d’urto osservate sono più alte di quella attese (QCD): fattore 2 TeVatron TeVatron fattore 3 LEPLEP
Statistica ed energia più alte a LHC: sfida per la QCD perturbativa (anche NLO)
ATLAS/CMS Workshop - Pisa10-11 Giugno 2003
Fisica del B Riccardo Ranieri 35
ConclusioniConclusioni ATLAS e CMS sono competitivi nello studio della
fisica del B, anche se non sono progettati per questo
Sono fondamentali per la selezione di B (High Level Trigger) sia la regionalità (RoI) che la tracciatura veloce
Risultati promettenti, ma c’è ancora molto lavoro da fare
Molto dipenderà dalle condizioni iniziali di LHC: Minore luminosità Maggior fisica del B
Trigger (ATLAS) e Physics (CMS) TDR tratteranno più in dettaglio questo argomento