LHCb au LPNHE Paris VI/VII Maurice Benayoun. Le LPNHE à LHCb  Groupe constitué début 2004 (3 physiciens -- MB, L dB, PD – dont 1 seul à plein temps)

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1 LHCb au LPNHE Paris VI/VII Maurice Benayoun

2 Le LPNHE à LHCb  Groupe constitué début 2004 (3 physiciens -- MB, L dB, PD – dont 1 seul à plein temps)  Automne 2004 : Un thésard (G. Gilles) rejoint le groupe  Automne 2005 : L dB et PD à plein temps

3 Le LPNHE à LHCb  4 personnes impliquées dans le Software (PID, Reconstruction, Physique)  MB, Pascal David, Luigi DelBuono, Gabriel Gilles (thésard)  Pas de construction d’appareillage

4 Extension de LHCb  Avec l’arrêt de BTeV, LHCb reste la seule expérience sur machine hadronique après les usines à B (et le Tevatron).  Syracuse rejoint LHCb  LHCb : 47 Instituts dans 16 pays

5 Production des b à LHC 10 7 s = “année” nominale = 2 fb -1  10 12 b b / an (360 10 6 b b /heure) Forward/Backward peaked b production at the LHC (gluon splitting)  LHCb is a forward spectrometer (similar to a fixed target detector) Grande section efficace de production des paires de b  bb ~ 500  b (~ 0.5% du total ) Luminosité “tunable” par défocalisation des faisceaux Luminosite de référence : ~ 2  10 32 cm -2 s -1  La plupart des événements correspondent à des interactions sans empilement

6 Les Hadrons b à LHC  Rapports de productions :  B u, B d, B s, Λ b, B c : 4, 4, 1, 1, 0.1  Très forte production de B s : Compléter la Physique CP des Usines à B  Etude des modes rares (NP)  Gros échantillons de B u et B d

7 Nominal year = 10 12 bb pairs produced (10 7 s at L=2  10 32 cm  2 s  1 with  bb =500  b) Yields include factor 2 from CP-conjugated decays Branching ratios from PDG or SM predictions LHCb yields and background

8 Trigger HLT rate Event typeCalibrationPhysics 200 HzExclusive B candidates TaggingB (core program) 600 HzHigh mass di- muons Tracking J/, bJ/X (unbiased) 300 HzD * candidates PIDCharm (mixing & CPV) 900 HzInclusive b (e.g. b) TriggerB (data mining) high IP, high p T tracks [software, 1 ms] HLT: software using complete event [10 ms] 40 MHz 1 MHz 40 kHz 2 kHz high p T ( ,e, ,h) [hardware, 4  s latency] storage detector

9 - Mesure de  : B ->  (12k evts/3year)  < 10 0 (1 year) - Mesure de  : B -> J/  K s (240k evts/year)  ~ 0.7 0 (1 year) - Mesure de  : B s ->D s K, B->  and B s ->KK, B->DK* decay - Mesure de l’ angle  B s ->J/  decay - New physics in b -> s penguin process : B -> K  , B ->  K s, B s ->  -D physics : Mixing, CPV - Rare decays : B s ->  B -> K   -B c physics, b baryon decays - Violation directe de CP : B +/- -> π + π - K +/- decays ( ρ, f 0,f 2,K*’s,…) Many Physics Topics at LHCb

10 1. B s ->D s K (  14-15 0 ) 2. B-> , B s ->KK (  4-6 0 ) 3. B->DK* (  7-8 0 )  not affected by new physics in loop diagrams  affected by possible new physics in penguin Determine the CKM parameters A, ,  independent of new physics Extract the contribution of new physics to the oscillations and penguins  affected by possible new physics in D-D mixing scenario Measurements of angle 

11 11 p p 250 mrad 10 mrad Vertex Locator Dipole magnetTracking system Calorimeters Muon system RICH detectors Le Spectromètre LHCb

12  Vertex detector has silicon microstrips with r Φ geometry approaches to 8 mm from beam (inside secondary vacuum) Proper time resolution ~ 40 fs (B s  D s   ,  LHCb) cf ~ 50–70 fs (ATLAS/CMS) Beam Detecteur de Vertex ( VELO )

13 Mesure de Δm s LHCb can measure  m S up 68 ps -1 in 2 fb -1 B s →D s - π + (tagged as B s )

14 3 stations (straw tubes) OUTER TRACKER

15 INNER TRACKER  Silicon strip detectors close to beam pipe 2% of area, but 20% of tracks Outer Tracker Inner Tracker 410  m thick for two-sensor ladders 320  m thick for single sensors

16 Le Compteur RICH 2 Construction well underway!

17  RICH photodetectors: Hybrid Photo Diodes ~ 500 tubes, each with 1024 pixels 2.5×2.5 mm2 e +  test beam  –K separation Unique feature of LHCb

18 LHCb RICH System Two detectors, three radiators RICH1: Aerogel 2→10 GeV/c n=1.03 (nominal at 540 nm) C4F10 up to 70 GeV/c n=1.0014 (nominal at 400 nm) Acceptance: 25→250 mrad (vertical) 300 mrad (horizontal)

19 L’installation de LHCb Muon system -iron shielding -electronics tower Calorimeter - E-cal, H-cal modules RICH2MagnetRICH1 -HPD shielding box OT: straw module production completed Muon: more than half of chambers produced

20 Le LPNHE à LHCb Travail déjà effectué en 2005-2006 sur le PID : “ Standalone PID in RICH2 using a ring fit method”  G. Gilles  M. Benayoun, P. David, L. Del Buono  C. Jones (En cours de publication LHCb-RICH 2006-061)  previous note : not standalone PID. LHCb-RICH- 2004-057, Jan. 2005

21 Ring Fit At LHCb  Méthode fondée sur une utilisation exhaustive de toutes les informations disponibles (par trace) et de leur précision :  tracking (direction et impulsion)  Estimation du nombre de photons (signal et bruit de fond, répartition azimuthale)  Estimation précise de l’erreur par photon  Critère : produit de 4 probabilités Performances π/ K comparable au Global ID Calcul d’erreurs:logiciel de la collaboration

22 Probabilites Elémentaires Prob fit anneau Prob angle Cerenkov fitte Prob. Nombre de photons Cerenkov Prob plus grand arc sur l’anneau (VETO) 2 pics

23 Plus grand arc sur l’anneau vs acceptance  Une distribution Veto (conséquence de l’uniformite azimuthale survivant aux effets d’acceptance et de bruit de fond PDF de l’acceptance de l’anneau Cerenkov Associe a une trace PDF du plus grand arc Sur l’anneau Cerenkov

24 Séparation π K dans RICH2  La Séparation π K est conforme aux prédictions Autre Application envisagée : Mesure des indices de réfraction moyens (Cambridge)

25 PID dans RICH1 Bruit de fond dans RICH1 : Important et biaisant pour le fit Pulls du rayon de l’anneau Cerenkov (photons individuels) Rich1Rich2 Paramétrisation trace par trace n TOT = n BKG +n SIGNAL

26 PID avec le seul nombre de γ GLOBAL ID RICH1 seul Séparation π/ K basée Sur # γ signal estimé Echelle : √ n BKG π Efficacités π et K π K K

27 PID avec le seul nombre de γ GLOBAL ID RICH2 seul Séparation π/K basée Sur # γ signal estimé Echelle : √ n BKG Efficacités π et K π π K K

28 Le LPNHE à LHCb : la Physique  Activité dans l’analyse : Violation Directe de CP dans B ±  π + π - K ± -- construction de l’amplitude avec la plupart des résonances (600), f 0 (980), ρ(770), ω(782), f 2 (1270),  (800), K*(892), K*(1430) -- estimation des paramètres d’après QCD (phases fortes, pingouins…) -- élaboration du logiciel d’engendrement d’ é v é nements et d’analyse (evtgen) -- étude des coupures de présélection, sélection, des efficacités, fit des paramètres…  Travail effectué par l’ensemble du groupe (thèse de G. Gilles) en collaboration avec O. Leitner (note en cours de rédaction)

29 La Violation Directe de CP B ± → ρ 0 K ± : Une autre mesure de l’angle ϒ B ± → ρ 0 K ± : diagrammes dominants d1, d4, (d2, d3) B ± → π ± K* 0 : diagramme dominant d4, (d3)

30  Etat final :, amplitude totale = somme d’amplitudes partielles ( ρ, ω, K *’ s,,,f 0,f 2,NR)  Pour chaque résonance ( ππ) ou (π K) :  Résultats récents de Babar et Belle : asymétrie à la masse du ( ) et du ( ) ( hep-ex/0605063 par exemple ). coupling constant ratio Penguin to Tree ~ “CP violation amplitude” Propagators, angular terms unitarity angle relative strong phase La Violation Directe de CP ↑ ↑ Strong/weak tree phases

31 Violation de CP dans B ± π π K ± mπKmπK m ππ m 2 ππ m2πKm2πK Dalitz plot et projections πK, π π Importance d’une bonne description des queues des résonances (f 0 (980)!) Importance du binning optimum Binning 100 MeV Binning 20 MeV

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33 Asymétrie CP dans B ± π π K ± Violation de CP dans la voie ρ(770) K et f 2 (1270) K ; γ ≃ π/3 (Paramètres déduits des articles de BaBar et Belle) Asymétrie dans les projections ππ et πK Réflexion CP en ππ K πKπK ππ CP en ππ Forte asymétrie Faible statistique π ππ π π K

34 Fit de γ sur l’asymétrie 1.PDF th. * 500 000 evts 2.23 paramètres libres (|δP i / P i | < 30%) 3. Faibles corrélations (γ P i ) 4. σ γ ~ 3° (méthodologique) 5. Méthode : Asymétries (d’autres méthodes à l’ étude)

35 Erreur statistique sur l’asymétrie Dalitz Plot : bins 20MeVx20MeV 31250 bins L’erreur sur l’asymétrie bin par bin dépend du rapport B/S (entre 1 et 7) et du nombre d’événements Population des bins pour 1 an de données de 30 à 150 (suivant le point du Dalitz plot) Un an de données : 500 000 B ππK

36 Présélection B h h h  Only one primary vertex per event (~ 75%) with χ 2 probability >1%.  3 tracks of long track type.  3-body electric charge ± 1.  Track impact parameter normalized to its error > 1.7  reconstructed B impact parameter normalized to its error < 4  (ππK) invariant mass : 5.13 GeV < m < 5.43 GeV.  2-body invariant masses (2 m π < m’ < m B –m π )  χ 2 of 3-body vertex (< 15).  Angle between reconstructed B momentum vector and the vector joining the primary vertex to the B decay vertex has cosine > 0.9999  (signed) distance of flight significance for the candidate B > 5  Transverse momentum of each B decay product > 0.2 GeV Software délivré à la Collaboration

37 Présélection cut (Elimination du bruit de fond)

38 Sélection  preselection cuts  particle momentum : 5 GeV < P < 150 GeV  cosine of the angle between the decay product momenta > 0.96  (ππK) Dalitz plot limits on all invariant mass.  (ππK) invariant mass : 5.23 GeV < m < 5.33 GeV  Distance between all different sub-vertices ππ, πK and ππK (reconstructed B) < 4 mm.  χ2 probabilities of reconstructed 2- and 3-bodies vertices >2%  The ratio between the sum of subvertices probabilities and the 3-body vertex probability is < 15  c*τ of the reconstructed B < 1.2 mm.  reconstructed B momentum > 25 GeV  impact parameter significance for each particle : 3 < IPS < 150

39 Coupures de sélection B momentum Distance ( ππ)- B vertices

40 Efficacité des coupures de sélection  LHCb efficiency : 20 % Background = loss of decay product(s) (angle solide, “Long track” eff.)  Method efficiency (after all cuts) : 17 %  Total Efficiency : 3.3 % File de signal (B) : S/B ~ 140 1 B daughters lost~ 46% 2 B daughters lost~ 46% 3 B daughters lost~ 8%

41 Résumé des performances de Présélection/Sélection/Trigger Preselection Preselection and all cuts of the selection process Preselection, all cuts and triggers L0/L1 Number of reconstructible Signal Events (~ 20 % of all Signal events) ~ 36 %~ 17 %~ 6 % Rejection factor of the Preselection (only) on minimum bias events : ~ 1/10000. Rejection factor of the Preselection (only) on generic b events: ~ 1/2500. Efficacité totale pour le signal : 1.2 %

42 Le LPNHE à LHCb Objectifs fin 2006 et 2007  PID : Intégrer le fit d’anneau dans le software général avec le nouvel “Event Model”  Etudier un PID rapide fondé sur le seul nombre de photons signaux  Reconstruction : traitement des K 0 sans information dans le VELO  Finaliser l’analyse de B ±  π + π - K ±  Thèse de G. Gilles  Etudes Préliminaires sur B ±  η’ K ±

43 Le LPNHE à LHCb Recrutements  Le groupe demande un poste de CR/MDC en 2008  Le groupe est très intéressé par un théoricien au LPNHE (phénoménologie du B) dès 2007 Budgets  2006: 15.5 kEuro notifiés  2007: 25 kEuro