50
MARCELLA BONA CP violation lectures University of London Intercollegiate Postgraduate Course in Elementary Particle Physics Lecture 2

MARCELLA BONA - Particle Physics Research Centrepprc.qmul.ac.uk/~bona/ulpg/cpv/lecture2.pdf · M.Bona – CP violation – lecture 2 3 CKM matrix in the Standard Model (recap) Quarks

  • Upload
    vunhu

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

MARCELLA BONA

CP violation lectures

University of London Intercollegiate Postgraduate Course in Elementary Particle Physics

Lecture 2

M.Bona – CP violation – lecture 2 2

◈ brief recap of lecture 1◈ Unitarity Triangle◈ types of CP violation◈ angles of the unitarity triangle

Outline

M.Bona – CP violation – lecture 2 3

CKM matrix in the Standard Model (recap)

◉ Quarks change type in weak interactions:

◉ We parameterise the couplings Vij in the CKM matrix:

V =

 

V , ,iq u c t

, ,jq d s b

W

ijV

where here I usethe Buras correction

to the Wolfestein parameterisation

= (1- 2/2) = (1-2/2)

M.Bona – CP violation – lecture 2 4

Unitarity relations

i Vij V*ik = jk

j Vij V*kj = ik

column orthogonality

row orthogonality

multiply with its conjugate transposeVV† = V†V = 1

M.Bona – CP violation – lecture 2 5

column orthogonality

Unitarity relations

Areas have to be the same → Jarlskog parameter

M.Bona – CP violation – lecture 2 6

VidV*ib = 0 represents the orthogonality condition between the first and the third column of the CKM matrix (the orientation depends on the phase convention)

re­scaled version where sides have been divided by |VcdV*cb|

In terms of the Wolfenstein parameterization, the coordinates of this triangle are (0, 0), (1, 0) and (r, h):the two sides are (r − ih) and (1 − r + ih).

Third unitarity relation

M.Bona – CP violation – lecture 2 7

• We need to measure the angles and sides to over­constrain this triangle, and test that it closes.

• Need experiments to measure these quantities

* * * 0ud ub td tb cd cbV V V V V V The angles can be written in terms of CKM matrix elements as:

Probing the structure of the CKM mechanism

M.Bona – CP violation – lecture 2 8

• We need to measure the angles and sides to over­constrain this triangle, and test that it closes.

• Need experiments to measure these quantities!

* * * 0ud ub td tb cd cbV V V V V V

Probing the structure of the CKM mechanism

If there is CP violation, the triangle is not flat!

M.Bona – CP violation – lecture 2 9

• We need to measure the angles and sides to over­constrain this triangle, and test that it closes.

• Need experiments to measure these quantities!

Probing the structure of the CKM mechanism

 Many different ways to measure the angles and sides. 

B → DK

B0 →

B0 → J/K0

M.Bona – CP violation – lecture 2 10

normalized: normalized:

many observablesfunctions of and:

overconstraining

Unitarity triangle

M.Bona – CP violation – lecture 2 11

3 kinds of CP violation 

1.Direct CP violation.

2. Indirect CP violation (CPV in mixing).

3.CPV in the interference between mixing and decay.

• Need more than one amplitude to have a non­zero CP violation: interference

Cartoon shows the decay of a B0 orB0 into a CP eigenstate fCP.

P( B0 f ) ≠P(B0 f )

P( B0 B0 ) ≠P(B0 B0 )

CPmixing

decay

f

t Af

Af

B0

B0

t

t=0

M.Bona – CP violation – lecture 2 12

Time evolution and CP violation (case of the U(4S) decays) 

◎ At U(4S), theBB pairs are produced in coherent P wave◎ Three interference effects can be observed:

◉ CP violation in the mixing ( | q/p |  1 )◉ (direct) CP violation in the decays ( |A/A |  1 ) ◉ CP violation in interference between mixing and     decay ( Iml  0 ) 

◎ Time evolution of theBB system (assuming DG=0)

◉ direct CP violation                     C  0◉ CP violation in interference       S  0

 neutral B 

 both neutral and charged B 

M.Bona – CP violation – lecture 2 13

◉ Ingredients of a time­dependent CP asymmetry measurement:◎ Isolate interesting signal B decay: BRECO.

◎ Identify the flavour of the non­signal B meson (BTAG) at the time it decays.◎ Measure the spatial separation between the decay vertices of both B mesons: 

convert to a proper time difference Dt = Dz / bgc; fit for S and C.

◉ The time evolution of BTAG =B0(B0) is

Time­dependent CP asymmetries

M.Bona – CP violation – lecture 2 14

◉ Construct an asymmetry as a function of Dt:

Dt (ps)Dt (ps)

f+(Dt)f-(Dt)

Experimental effects we need to include:◎ Detector resolution on Dt.◎ Dilution from flavour tagging

With detector resolution With detector resolution and dilution

Time­dependent CP asymmetries

M.Bona – CP violation – lecture 2 15

Angles of the Unitarity triangle

M.Bona – CP violation – lecture 2 16

Theoretically clean (SM uncertainties ~10­2 to 10­3) tree dominated decays to Charmonium + K0 final states.

M.Bona – CP violation – lecture 2 17

◎ branching fraction: O (10­3)    the colour­suppressed  tree dominates

 and the t penguin has the same weak phase of the tree

 ◉

   

◎  theoretical uncertainty:◉ model­independent data­driven estimation from J/0 data:             SJ/K0 = SJ/K0 – sin2 = 0.000 ± 0.012◉ model­dependent estimates of the u­ and c­ penguin biases            SJ/K0 = SJ/K0 – sin2 ~  (10­3)            SJ/K0 = SJ/K0 – sin2 ~  (10­4)

 sin2 in golden b ccs modes 

 S ~ sin2 C ~ 0

H.Li, S.MishimaJHEP 0703:009 (2007)

H.Boos et al.Phys. Rev. D73, 036006 (2006)

V*cbVcs

M.Bona – CP violation – lecture 2 18

• The ‘Golden Measurement’ of the B factories. The aims of this measurement were:

– Measure an angle of the Unitarity Triangle.– Discover CP violation in B meson decays.

Sine term has a non­zero coefficient

This tells us that there is CP violation in the interference between mixing and decay amplitudes inccs decays.

( ) sin( ) cos( )CP d dA t S m t C m t

S = sin 2 = 0.671  0.024

 sin2b in golden b ccs modes 

M.Bona – CP violation – lecture 2 19

◎ Theoretically clean CP violation measurements consistent with the Standard Model for:

◉ Established technique for extracting S and C that can be used for other final states.◉ Measured S=sin2 provides a reference point to search for New Physics (NP).

CP violation: 

◎ Four solutions exist in the  plane as we compute arcsin(2).◎ Additional measurements provide cos(2) and help to resolve ambiguities.

M.Bona – CP violation – lecture 2 20

b uud transitions with possible loop contributions.  Extract  using• SU(2) Isospin relations.• SU(3) flavour related processes.

M.Bona – CP violation – lecture 2 21

:tdV

* :tdV

:ubV

0

sin(2 )hh

hh

C

S

◉ This scenario is equivalent    to the measurement of      sin2b in Charmonium    decays … but nature is    more complicated than    this!

CP violation: a

◎ Interference between box and tree results in an asymmetry that is sensitive to a in B  hh decays: h = p, r, …

M.Bona – CP violation – lecture 2 22

:tdV

* :tdV

:ubV

◎ Interference between box and tree results in an asymmetry that is sensitive to a in B  hh decays: h = p, r, …

◎ Loop corrections are not negligible for a

◎ Measure S  aeff

◎ Need to determine da = aeff – a [P/T is different for each final state]

0

sin(2 )hh

hh

C

S

    + Loops (penguins)

2eff

sin( )

1 sin(2 )

hh

hh hh

P T

C

S C

CP violation: a

M.Bona – CP violation – lecture 2 23

What's in a name

M.Bona – CP violation – lecture 2 24

Bounding penguins

◉ Several recipes describe how to bound penguins and measure a.◎ These are based on SU(2) [or SU(3)] symmetry.

SU(2)(Isospin analysis)

p+p and r+r

Gronau­LondonIsospin Triangles

pr

Lipkin (et al.)Isospin Pentagons

◎ Use charged and neutral   B decays to the hh final   state to constrain the   penguin contribution and   measure a.

◎ Use charged and neutral   B decays to the rp final   state to constrain the   penguin contribution and   measure a. Remove   any overlapping regions in   the Dalitz plot.

ppp0

Snyder­Quinn (et al.)Fit Dalitz plot and extract parameters related to a

◎ Regions of the Dalitz plot   with intersecting r bands    are included in this   analysis; this helps   resolve ambiguities. 

M.Bona – CP violation – lecture 2 25

 from aeff  to a: isospin analysis

◉ B  p+p , p+p0, p0p0 decays are connected from isospin relations◉ p p states can have I = 2 or I = 0⇨  the gluonic penguins contribute only to the I = 0 state (DI=1/2)⇨  p+p0 is a pure I = 2 state (DI = 3/2) and it gets contribution only 

from the tree diagram⇨  triangular relations allow for the determination

     of the phase difference induced on a:

    Both BR(B0) and BR(B0)    have to be measured    in all the p p channels

 a: collecting the ingredients

Isospin analysis

M.Bona – CP violation – lecture 2 26

Isospin analysis

= eff-

00 0

00 0

1

21

2

A A A

A A A

Measuring S in h0h0 provides an additional constraint on this angle.

◎ There are SU(2) violating corrections to consider, for example electroweak penguins, but these are much smaller than current experimental accuracy and eventually they can be incorporated into the Isospin analysis.

◉ Consider the simplest case:     B  pp / rr decays.

M.Bona – CP violation – lecture 2 27

Belle 00 0 taggedB

0 taggedB

◎ Easy to isolate signal for + and +0  as these modes are relatively clean and have large B ~ O(510­6).

◎ Much harder to isolate 00: B ~ 1.510­6

◉ No tracks in the final state to provide vertex info.•B0 00  has a large E resolution.

Belle p+p

Belle +

0 taggedB0 taggedB

▻ Possible to separate flavour tags to measure C00.  This information completes the set of information required for an Isospin analysis.

M.Bona – CP violation – lecture 2 28

M.Bona – CP violation – lecture 2 29

Isospin­related  decays

◉ simultaneous ML fit to all hh modes with h being  or K:◎B+ +­, K+­, K+K­ (and cc)◎B+ +0, K+0 (and cc)

K

KK

M.Bona – CP violation – lecture 2 30

◉ Inputs from:

How do I read plots like this?

◎ 1­CL = 1: central value reported                   from measurements,                   before considering                   uncertainties.

◎ 1­CL = 0: Region excluded by                   experiment.

◎ If we think in terms of Gaussian   errors, then 1­CL = 0.317, 0.046,   0.003 correspond to regions   allowed at 1, 2 and 3.

Gronau­London Isospin analysis

M.Bona – CP violation – lecture 2 31

⇨ If we have measured CP violation in B +, does this tell us something about ?

▶ CP violation measured as a non­  zero value of S is related to  via:

▶  S 0 means there is CP violation         in this decay and sin(2eff) 0.

▶  If =0, then the unitarity triangle would be flat, so if S0 we must have 0.

▶  =0 is a singularity where the amplitudes have to go to inf▶ to remove this non­physical behaviour we can use constraints on P from BsK+K to remove the solutions near =0 and 180. UTfit Collaboration

Phys.Rev.D76:014015(2007) 

M.Bona – CP violation – lecture 2 32

◉ Vector­Vector modes: angular analysis required to determine the CP content. L=0,1,2 partial waves:◎  longitudinal: CP­even state◎  transverse: mixed CP states

◉ +­: two 0 in the final state◉ wide  resonance

but◉ BR 5 times larger with respect to ◉ penguin pollution smaller than in ◉  are almost 100% polarized:

◎  almost a pure CP­even state

see backup forfull discussion

M.Bona – CP violation – lecture 2 33

◎ Obtain a more stringent constraint on  than from B  decays. BaBar 00 paper

◉ Not including S00 and C00.◉ Include C00, but not S00.◉ Using all constraints.

Some features of this result:

◎ Two of the solutions overlap near 90 and 180.

◎ Using S00 and C00 we see that the solution at 80 is very slightly preferred over the other solutions.

◎ There are two regions for  that are excluded: 

45 130

M.Bona – CP violation – lecture 2 34

B  (+0 Dalitz Plot)

◉ dominant decay  is not a CP eigenstate

◉ 5 amplitudes need to be considered: ◎  B0  +­, +, 00 and B+  +0, 0+

◎  Isospin pentagon

◉ or time­dependent dalitz analysis:  extraction together with the strong phases exploiting the amplitude interference: ◎ interference at equal masses­

squared give information on the strong phases between resonances see backup for

full discussion

M.Bona – CP violation – lecture 2 35

CP violation: 

  aSM = (92 ± 7)°

bayesian analysis:the quantity plotted isnow the ProbabilityDensity Function (PDF)

pp

 evidence of CP violation

 no  CP violationobserved

rr rp

◎ Combining all the modes to maximize our knowledge of a..

M.Bona – CP violation – lecture 2 36

Extract  using BD(*)K(*) final states using:• GLW:   Use CP eigenstates of D0.• ADS:    Interference between doubly suppressed decays.• GGSZ: Use the Dalitz structure of DKsh+h decays.

Measurements using neutral D mesons ignore D mixing.

M.Bona – CP violation – lecture 2 37

 and DK trees

Vcb (~2)

◎ D(*)K(*) decays: from BRs and BR ratios,    no time­dependent analysis, just rates◎ the phase  is measured exploiting interferences:    two amplitudes leading to the same final states◎ some rates can be really small: ~ 10­7

Vub=|Vub|e ­i (~3) 

 Theoretically clean (no penguins       neglecting the D0 mixing)

M.Bona – CP violation – lecture 2 38

 Sensitivity to : the ratio rB

Vcb (~2)

Vub=|Vub|e ­i (~3) 

 rB = amplitude ratio

B = strong   phase diff.

~0.36 hadronic contributionchannel­dependent◈ in B+  D(*)0K+: rB is ~0.1

◈ while in B0  D(*)0K0 rB could be ~0.4◈ to be measured: rB(DK), r*B(D*K) and rs

B(DK*)

M.Bona – CP violation – lecture 2 39

 Three ways to make DK interfere

GLW(Gronau, London, Wyler) method:   uses the CP eigenstates D(*)0

CP with final states:   K+K­, + - (CP­even), Ks0 (,) (CP­odd)

 ADS(Atwood, Dunietz, Soni) method: B0 andB0 in the same final state with D0  K+ ­ (suppr.) andD0  K+­ (fav.)

  

• D0 Dalitz plot with the decays B ­   D(*)0[KS+­] K­ 

 three free parameters to extract:  , rB and B

 more sensitive to rB

the most sensitive way to 

M.Bona – CP violation – lecture 2 40

 Interference of B­  D0K­, D0  K*+­

 (suppressed) with B­ D0K­,D0  K*+­ 

    ~ ADS like

 Interference of B­  D0K­, D0  K0

S0

 with B­ D0K­,D0  K0

S0 

    ~ GLW like

◎ neutral D mesons reconstructed in three­    body CP­eigenstate final states    (typically D0  KS+ )◎ the complete structure (amplitude and strong    phases) of the D0 decay in the phase space is    obtained on independent data sets and used    as input to the analysis ◎ use of the cartesian coordinate:

◉ x± = rB cos ( ± )◉ y± = rB sin ( ± )

◎  , rB and B are obtained from a    simultaneous fit of the KS+­ Dalitz plot    density for B+ and B­

◎ need a model for the Dalitz amplitudes◎ 2­fold ambiguity on 

: GGSZ Method

M.Bona – CP violation – lecture 2 41

CP violation: 

◎ As with , several methods available.► Best results come from the GGSZ Dalitz method.► LHCb is producing more precise analyses of these decay modes

using all methodsand all final stateswe can get significant resultsfor all theparameters

UTfit

 = (74  11) 

r = 0.10  0.02 r* = 0.11  0.03 

M.Bona – CP violation – lecture 2 42

backup

M.Bona – CP violation – lecture 2 43

◉ (simplified) angular analysis◉ Inputs from:

◉ fL ~ 1 for B  decays: this helps simplify extracting .◉ Can measure S00 as well as C00 to help resolve ambiguities.◉ Finite width of the  is ignored in the  determination

• We define the fraction of   longitudinally polarised events as:

M.Bona – CP violation – lecture 2 44

M.Bona – CP violation – lecture 2 45

◎ for the 00 decay:◉  small BR: penguins less 

important in  than in 

but:◉  all charged particles final 

state: the vertex can be reconstructed so the time­dependent analysis feasible

M.Bona – CP violation – lecture 2 46

B  (+0 Dalitz Plot)

◎ Analyse a transformed Dalitz Plot to extract parameters related to .◎ Use the Snyder­Quinn method.

◎ Fit the time­dependence of the amplitudes in the Dalitz plot:

0

+

(m0=m+-)

(0=

+- h

elic

ity)

M.Bona – CP violation – lecture 2 47

◉ The amplitudes are written in terms of Us and Is:

◉ Which are related to CP conserving and CP violating observables:

CP conservingobservables

CP violatingobservables

Some features of this result:

◎ No region is excluded at 3 significance.

◎ A high statistics measurement will help resolve   ambiguities in the measured value of .

◎ Results from the Dalitz analysis, and the   pentagon analysis (solid) are more stringent  than using the Dalitz analysis alone.

Belle + paper

B  (+0 Dalitz Plot)

M.Bona – CP violation – lecture 2 48

: GLW Method

◉ GLW Method: Study B+  DCP0X+ and B+ DX++ cc (D0  K+­ )

◉ X+ is a strangeness one meson e.g. a K+ or K*+.◉ DCP

0 is a CP eigenstate (use these to extract ):

◉ The precision on  is strongly dependent on the value of rB.▻ rB~0.1 as this is a ratio of Cabibbo suppressed to Cabibbo allowed decays 

and also includes a colour suppression factor for B+D(*)K(*) bu decays. ◉ Measurement has an 8­fold ambiguity on .

Gronau, London, Wyler, PLB253 p483 (1991).

01

0 0 0 0 01

,

, ,

CP

CP S S S

D K K

D K K K

• 4 observables• 3 unknowns:      rB, and 

M.Bona – CP violation – lecture 2 49

◉ ADS Method: Study B,0  D(*)0 K(*)

◉ Reconstruct doubly suppressed decays with common final states and extract  through interference between these amplitudes:

◉  extracted using ratios of rates:

Attwood, Dunietz, Soni, PRL 78 3257 (1997)

Vcb

Vus

Vub

Vcs CKM and Color SuppressedCKM Favoured

◎ (*) = (*)B + D

◎ (*) is the sum of strong phase differences between the two B and D decay amplitudes.◎ rD and rB are measured in B and charm factories.◎ D is measured by CLEO­c

u

d

CKM FavouredD(*)0 K+

p

W

c s

u u

Vcs

Vud

Doubly CKM Suppressed D(*)0 p

K+

W+

c d

u u

s

u

Vus

Vcd

: ADS Method

B­ D(*)0 K(*)­B­  D(*)0 K(*)­

D(*)0  K+D(*)0  K+

M.Bona – CP violation – lecture 2 50

◉ GGSZ (“Dalitz”) Method: Study D(*)0K(*) using the D(*)0Ksh+h­ Dalitz structure to constrain .  (h = , K)◎ Self tagging: use charge for B decays or K(*) flavour for B0 mesons.

     where

◎ Need detailed model of the amplitudes in the D meson Dalitz plot.

◎ Use a control sample   (CLEO­c data or D*+D0+)   to measure the Dalitz plot.

p+p K+K

Control sample plots from BaBar GGSZ paper

: GGSZ Method