BRANVILLE 2006 Groupe II : Les Saveurs, Matrice CKM et Violation de CP

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1 BRANVILLE 2006 Groupe II : Les Saveurs, Matrice CKM et Violation de CP
F. Machefert , P. Roudeau, M.-H. Schune, A. Stocchi, I. Videau Nous avons eu deux séminaires liés aux activités du groupe : - “A Proposal to study Rare Kaon Decays at the CERN-SPS" Augusto Ceccucci - CERN - "Getting to grips with the strong force" Christine Davies, GLASGOW Dept. of Physics and Astronomy

2 Plan du Séminaire : Introduction sur la violation de CP
Le triangle d’unitarité aujourd’hui La sensibilité à une Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard LHCb Les calculs sur réseau Les super usines à B

3 Le Modèle Standard : la représentation actuelle
Électromag. (g) Faible (W±, Z0) Forte (gluon) Q=-1 Q=0 Q=-1/3 Q=+2/3

4 Qu’est-ce que la violation de CP ?
Au début de l’univers : égalité des nombres de particules et d’anti-particules Mais notre univers visible est composé de matière Sakharov postule en 1967 que les conditions pour en arriver là sont : Violation du nombre baryonique Violation de CP Déséquilibre thermique Signification de C, P P: on regarde dans un miroir C: on échange en anti-particule C et P : ne sont pas conservés dans les désintégrations “faibles” (1957) T non plus (CPLear 90’s) CP? 1964: KL p p « viole » CP NA48, kTeV: K0 ® p p ¹ anti-K0® p p 2001 : Babar et Belle mesurent cette asymétrie dans le secteur des mésons B Mais : la violation de CP telle qu’elle est décrite par le modèle standard est trop faible pour rendre compte de l’asymétrie observée dans l’univers ! Amplitude (Etat Initial → Etat Final) ≠ CP

5 Revenons au Modèle Standard : La matrice CKM
Les quarks vus par l’interaction faible (W) sont des combinaisons des états physiques Ces combinaisons sont modélisées par une matrice de « rotation » dans l’espace des quarks, … qui rend compte des transitions entre les différent(e)s saveurs/quarks u d c s t b Par ex., b’ est une combinaison de b, d et s d s b u Vud Vus Vub c Vcd Vcs Vcb t Vtd Vts Vtb la matrice CKM 1 0.22 0.01 1  0.01 1 0.04 0.04 u d c s t b fréquent Moins fréquent rare Très rare

6 La matrice CKM… et la Physique du B
Ré-écrire la Matrice CKM avec les 4 paramètres A, l, r et h d s b Vub,Vcb u A l3(r-ih) b 1-l2/2 l c,u c 1-l2/2 -l Al2 Désintégrations du B t A l3(1-r-ih) -Al2 1 Vtb Oscillations du B b Montre l’importance de la physique du B… d, s Re Im a   1 d, s b Vtd ,Vts

7 K : CPV in K decays BDK : 3/ bcℓ and buℓ B// : 2/
Trouver les paramètres UT et chercher la nouvelle physique M.H. Schune plenary talk EPS2005 BDK : 3/ bcℓ and buℓ B// : 2/ Bd and Bs mixing K : CPV in K decays Bccs : 1 /b si il y a de la Nouvelle Physique (NP) les mesures ne seront pas toutes compatibles a un seul point ( le sommet du triangle)

8 La Zoologie des Diagrammes de Feynman
Les diagrammes de Feynman représentent les processus entre les particules. Associés aux règles de Feynman, ils permettent de calculer les amplitudes des processus En arbre d t,sparticules.. En boîte Sensible à la Nouvelle Physique (Higgs…) Pingouin (sparticules..)

9 Mais finalement les diagrammes sont plutôt…..
On n’observe pas les quarks... mais les hadrons : nous avons besoin de maîtriser la théorie (la QCD) qui permet de passer des QUARKS  HADRONS La QCD sur réseau n’est pas un modèle, mais c’est la QCD en partant des masses des quarks et du couplage.

10 De l’enfance À l’ère de précision
LEP/CLEO dans les années ’90 et les B-factories (depuis 5-6 ans) ont joué un role primoridial À l’ère de précision

11 Les usines à B : Attendu Moins attendus b avec B J/y K
a avec les désintégrations sans charme g avec B DK Des nouvelles mesures arrivent : 2b+g b Btn

12 Fit global Dmd,Dms,Vub,Vcb,ek + cos2b + b + a + g + 2b+g
Nouvelle mesure de Dms Dominé par les incertitudes théoriques (LATTICE) r = ± 0.036 [0.137, 95% Prob. h = ± 0.021 [0.306, 95% Prob.

13 Pourquoi continuer à travailler sur la physique des saveurs ?
La physique des saveurs, avec les transitions FCNC, les phases violant CP … est l’endroit idéal où chercher des effets de Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard (étant donné que beaucoup de processus sont supprimés dans le MS) même lorsque les particules médiatrices sont lourdes (pas trop lourdes !) Exemple des oscillations du B (FCNC-DB=2) : MFV dbd not MFV: new CP phases r limite supérieure de la contribution relative de NP dbd couplage de la NP Leff échelle de la NP (masses des nouvelles particules) Si les couplages ~ 1 Toutes les possibilités intermédiaires Minimal Flavour Violation dbq ~ 1 Leff ~ 10/r TeV (couplages petits ~ éléments CKM ) dbs ~1 Leff ~ 2/r TeV dbq ~ 0.1 Leff ~ 1/r TeV Leff ~ 0.2/r TeV Leff ~ 0.08/r TeV dbs ~0.1

14 « Schématiquement il existe deux types de solutions possibles »
Leff très élevé > TeV difficulté d’apprendre quoique ce soit à partir des désintégrations rares et très grande difficulté à trouver des signes de NP au LHC…. Leff ~ 1TeV + flavour-mixing protégé par des symétries supplémentaires (par ex MFV) beaucoup à apprendre de la physique des saveurs maintenant et dans le futur lorsque la NP sera découverte. La seconde solution est aussi celle qui coïncide avec la « naturalité » pour la masse du Higgs qui situerait la NP vers ~ 1 TeV La NP peut toujours être juste au coin …. Complémentarité LHC/mesures de précision Si les couplages ne sont pas encore plus faibles r = 20%  Leff ~ 180 GeV Leff ~ 0.08/r TeV r = 10%  Leff ~ 250 GeV Suppose Leff~250GeV  d mesurable r = 1%  Leff ~ 800 GeV

15 + Y-a-t-il des signes de désaccord dans le fit actuel ? a g Dms
accord entre la valeur prédite par le fit et la mesure à mieux que : 6s 5s 3s 4s 1s 2s + a g Dms Pas de désaccord pour a, g et Dms

16 Test du MS très léger signe de désaccord sin2b=0.687±0.032
à partir des mesures directes sin2b =0.790±0.031 détermination indirecte très léger signe de désaccord Il faut toujours garder l’œil sur ce genre de désaccord … les premiers signes de NP apparaîtront peut-être sous cette forme

17 DF=2 Fit dans une approche indépendante du modèle de NP Constraints
Paramétrisation de la NP dans les processus DF=2 : r , h Cd jd Cs js CeK g (DK) X Vub/Vcb Dmd ACP (J/Y K) ASL a (rr,rp,pp) eK Dms ACP (J/Y f) ~X ASL(Bs) DG/G g (DsK) 5 nouveaux paramètres libres Cs,js mélange du Bs Cd,jd mélange du Bd CeK mélange du K Constraints Aujourd’hui : fit possible avec 9 contraintes et 7 paramètres libres (r, h, Cd,jd ,Cs,js, CeK)

18 NP importante avec une phase arbitraire
Fit dans une approche indépendante du modèle de NP En utilisant Vub/Vcb Dmd ACP (J/Y K) g (DK) eK a cos2b ASL NP importante avec une phase arbitraire NP solution 4% SM-like solution 96% SM ou NP faible avec une phase arbitraire ou NP importante avec la même phase que dans le MS NLO effects included

19 Fit dans une approche indépendante du modèle de NP
CBd = 1.27± 0.44 fBd = -(4.7 ± 2.3)o Ce = 0.95 ± 0.18 Nouveau ! Le secteur du Bs commence à être contraint par Dms (Cs) L‘incertitude sur Cd et Cs dominée par la connaissance des paramètres hadroniques.

20 Sensibilité actuelle pour une phase générique de NP ANP/ASM<20%
r des transparents précédents ANP/ASM vs fNP Pris au pied de la lettre c’est une évidence pour la NP à ~2s dû au désaccord actuel Avec les données actuelles ANP/ASM ~1 si slt si fNP~0 ANP/ASM prob. sensible à des petits effets En retirant artificiellement le désaccord actuel 95% prob pour une phase générique fNP Sensibilité actuelle pour une phase générique de NP ANP/ASM<20%

21 MFV = CKM est la seule source de violation de CP
Les fits précédents indiquent MFV ? j(Bd) ~0 MFV = CKM est la seule source de violation de CP Désintégrations rares dans le cadre de MFV Résultats sur bsg et B  Xsll Limites hautes sur les désintégrations rares Différenciation des différents scénarios avec l’asymétrie F/B dans les désintégrations BK*ll

22 Besoin : désintégrations rares des B/K Theorie (Lattice QCD) Indication de MFV ? b d b s Aujourd’hui ANP/ASM<20% Démarrage : Dms mesuré Besoin : améliorer la précision Besoin : mesure de j(Bs) Transitions DF=1 LHCb - SuperB LHCb - SuperB Théorie (Lattice QCD)

23 Le Potentiel de LHCb DF = 2 (Dms, Φs et DGs)
Mesures de Précision (g, a) Modes Rares

24 ms = 17.33 +0.42 (stat) ± 0.07 (syst) ps–1
Dms CDF a effectué une première mesure de Dms s~3.1 (CDF, erreur statistique seule) s~4 (moyenne mondiale avec D0/LEP/SLD) La mesure est en accord avec le Modèle Standard LHCb peut contribuer à améliorer la précision sur la mesure de Dms Un des meilleurs modes: Bs  Ds-p+ 1 an (2 fb–1): 80k évt reconstruits utilisation d’autres modes, Bs  Dsr LHCb peut rapidement obtenir une grande précision: en quelques mois, sstat(Dms) ~ 0.01 ps-1 ms = (stat) ± 0.07 (syst) ps–1 - 0.21 SM Δms = (21.5 ± 2.6) ps-1 LEP/SLD 2002 LEP/SLD 1999

25 Φs et DGs : mode Bs → J/ψ Φ Canal équivalent au mode Bd→J/ψKs pour le Bs Asymétrie CP due à l'interférence Bs → J/ψ Φ et Bs→ Bs → J/ψ Φ Mesure Φs, phase de l'oscillation du Bs (Vts) Dans le modèle standard Φs est petit Φs = -2c=-arg(V2ts) ~ -2λ2η ~ -0.04 Sensible à une nouvelle physique Reconstruction en J/ψ→μ+μ-/e+e- , Φ→K+K- événements (signal) / an Etat final est un mélange d'amplitude CP +/- 1 Analyse angulaire requise L(t, qtr) = (1-RT) Leven(t) (1+cos2qtr) / 2 + RT Lodd(t) (1-cos2qtr) Fit global : extraction de sin(Φs) et ΔΓs/Γs (DΓs= Γ(BL)-Γ(BH)), ΔΓs/Γs ~10% (Modèle Standard) Dms doit être connu et intégré au fit Résolution en temps propre essentielle Sensibilités similaires en Bs → J/ψ η (Bs → ηc Φ) Seulement 7000 événements / an ... mais pur CP En 1 an et en supposant Dms ~20 ps-1 s(sinfs) s(DGs/Gs) 0,03 0,01

26 Améliorer les mesures Mesures de g
Plusieurs méthodes seront mises en oeuvre Bs → DsK B(s) → h+h- B0 → D0K*0 B-→D0K- (ADS) a Charmless decays Bs

27 g par le mode DsK (I) BR~20x10-5 BR~3x10-5
La Violation de CP apparaît par l'interférence entre deux diagrammes (arbre) et le mélange Bs → Ds(KKp) K L'asymétrie permet de mesurer g + Φs Peu d'incertitude théorique Peu sensible à une nouvelle physique (boucles) Φs extrait par Bs → J/ψ Φ Principal bruit de fond Bs → Dsπ (BR(DsK)x12) Suppression (PID) → contamination residuelle ~10 % 5400 événements Signal / an avec S/B >1 b→c b→u BR~20x10-5 BR~3x10-5

28 g par le mode DsK (II) Ds–K+ :  + (-2c) σ(g) ~15° en 1 an
Phase de Ds+K- : Δ - (g + Φs) Ds-K+ : Δ + (g + Φs) Extraction de Δ et g + Φs σ(g) ~15° en 1 an Les ambiguïtés sur g peuvent être levées en utilisant B0 → D(*)p et la symétrie U-spin (échange de d et s) Dms 20ps-1 25ps-1 30ps-1 s(g) 14,2° 16,2° 18,3° Ds+K–:  – (-2c)

29 Modes B(s)→h+h- Possibilité de séparer très proprement les modes B(s)→h+h- grâce au RICH

30 g par B(s)→h+h- Bs→K+K- B0→p+p- Séparation K/p avec le Rich
A l'origine α par B0→p+p- ... mais forte contribution pingouin Mesure les asymétries CP de Bs→K+K- et B0→p+p- ACP(t) = Adir cos (Δmt) + Amix sin (Δmt) 4 termes : Adir (x2) et Amix (x2) dépendent de g, Φs , Φd Ratio des contributions Arbre/pingouin ~ d eiΘ Symétrie U-spin (échange d et s) dKK = dpp et ΘKK = Θpp 4 mesures et 3 inconnues (2 extraites par ailleurs) Extraction de g Incertitudes liées à la symétrie U-Spin Sensible à une nouvelle physique par pingouins: Bs→K+K- B0→p+p- Evts B/S B0→p+p- 26k <0.7 B0→K+p- 135k 0.16 Bs→K+K- 37k 0.31 Séparation K/p avec le Rich

31 Contraintes imposées sur g
Bs → DsK σ(g) ~ 14 à 15 ° B(s)→h+h- σ(g) ~ 4 à 6 ° B0→D0K*0 σ(g) ~ 7 à 8 ° ( U-Spin ? ) Indépendant de nouvelle physique (arbre) Mesure de g affectée par nouvelle physique (pingouin) Mesure de g Détermination des paramètres CKM : A, ρ, η Extraction de la contribution liée à nouvelle physique

32 a par le mode B→rp (p+p-p0)
Analyse par plot de Dalitz dépendant du temps de B0 → rp → p+p-p0 Mesure des amplitudes et des phases des contributions A3p include A+-, A-+ et A00 Aij = e-iaTij + Pij Ajustement à 11 paramètres Extraction de a 14000 événements par an avec S/B ~ 1.3 Pour B/S = 3 90CL) a(gen)=77.4° → <s(a)> +8°/-8° a(gen)=106.0° → <s(a)> +22°/-7°

33 Et si le Modèle Standard est toujours debout en 2010…
φBd = (-0.1 ± 1.3)o CBd = 0.98 ± 0.14 φBs = (0.0 ± 1.3)o CBs = 0.99 ± 0.12 En 2010, la précision sur les transitions sur la phase fB et le terme CB devrait être la même pour les Bd et les BS

34 Modes Rares b → s B0→K*0(K+p-)μ+μ- Bs→μ+μ-

35 B0→K(*)l+l- Faible BR (SM) : forte sensibilité à une nouvelle physique
BR(B0→K*0μ+μ-)SM ~10-6 AFB (s) asymétrie Forward-backward dans le référentiel ll AFB(s) en zéro connu à 5% (SM) Sensible à la nouvelle physique (SUSY)

36 B0→K*0(K+p-)μ+μ- Difficulté liée au bruit de fond (échantillon MC limité) AFB, en 5 ans (10fb-1): s0= ( 4.0 +/- 0.5 ) GeV2 : mesure à 13% LHCb: 4400 evts/an B/S<2.6 s(BR) ~ 2% s(ACP) ~ 2%

37 Bs→μ+μ- Il s'agit d'une désintégration rare (ΔB=1 FCNC)
BR(Bs→μ+μ-)SM = (3.5 +/- 0.1)x10-9 Forte sensibilité à nouvelle physique (SUSY) Dans le cadre du modèle MFV, Bs→μ+μ- est l’une des voies parmi les plus intéressantes Diagramme MS BR MFV (95%) SM(95%) Exp BR(Bs→μ+μ-)x109 <7.42 [1.91,5.91] <2.7x102

38 Exemple pour montrer l’importance des calculs sur réseau
Nous avons fait les hypothèses suivantes : - Les usines à B vont collecter 2ab-1 - 2 ans de prises de données pour LHCb (4fb-1) Inputs b < 1° avec le charmoniun ~ 7 ° ~ 5° (moitié usines à B/moitié LHCb) fBBB ~ 5% x ~ 3% BK ~ 5% Vub ~ 5% Vcb ~ 1% Dms mesurée sin2c ± 0.045 Outputs sin(2b) 0.694 ± 0.012 sin(2a) ± 0.093 g[] 51.7 ± 3.0 r 0.240 ± 0.017 h 0.307 ± 0.010

39 Projet japonais bien avancé devant enregistrer 40ab-1 vers 2020
Et une SUPERB ? Super B en Europe Et si on collectait 50ab- dans cette période..? Projet en cours en Europe (sous la « direction » of INFN) en collaboration avec SLAC pour proposer une SuperB-factory en synergie technique avec l’ILC (dumping rings/ final focussing) Lumi. ~ 2 x 1036cm-2s-1 up to 4 x cm-2s-1? Le design devrait être finalisé cet été (réunions régulières et workshops)

40 Observable CKM2010 SuperB Commentaires
sin(2b) (bccs) <1° Pas d’amélioration sin(2b) (Peng.) fK (f0,h’p0)K0 3K ~4° ~(6,3,5)° ~3° ~2° ~(2,1,2)° ~1° Pourrait fournir un facteur d’amélioration global de 3 a (pp,rr,rp) 5° g (DK) (5-10)° (1-2)° (Tree decays)GLW+ADS+Dalitz Compétition avec DsK LHCb Vcb-incl Vcb-excl 1% 4% ? - Plus de paramètres theo. obtenus des données Dépend des calculs sur réseau B D*tn 10-15% 2-3% SM -sensible à la NP (H±) Vub-incl Vub-excl 10% Br(B  ln) 1-2% Amélioration >5 Br(B  (r,w),g) 0.1  10-6 0.03  10-6 |Vtd/Vts| à partir de rg/K*g Dépend des calculs sur réseau AFB (Xsl+l-) Br(B  Xsl+l-) ±0.12 (s<s0) 7% (5-14%syst) ±0.015 (s<s0) 7% (1-6%syst) Compétition avec LHCb Syst. difficile à évaluer AFB (Xsg) AFB (K*g) 3% 0.65% [0.5-1]% ~0.15% Intéressant si if s<0.5 (SM)

41 DF=1 Les transitions b s sont très sensibles aux contributions de NP (DF=1) Contraintes sur les transitions b -> s : d s b W- B0d t f K0 ~ g CFMS ~ ~ b b s s Contribution de Nouvelle Physique contribution (familles 2-3) Les effets de SUSY peuvent prédire la valeur observée de S(Kf)

42 Dms mesurée (zone bleue).
Il y a aussi des corrélations intéressantes avec Dms Dms mesurée (zone bleue). Réduction le plus possible les zones de valeurs possibles de sin2b à partir des Penguins S(Kf) Mot d’ordre : precision ! Abs(d23)LL De toute façon il est important d’améliorer les mesures ! BaBar + Belle 2008 (1-2)% ab-1 to 50ab-1 On pourra « voir » la NP avec la physique des saveur si les masses sont inférieures au TeV. Si de la NP avec une échelle inférieure au TeV est découverte au LHC on pourra donc l’étudier

43 DF=2 Complémentarité LHC/mesures de précision r = 20%  Leff ~ 180 GeV
Des études préliminaires faits Complémentarité LHC/mesures de précision Aujourd’hui (0.5ab-1) r = 20%  Leff ~ 180 GeV Demain (2ab-1) Leff ~ 0.08/r TeV r = 10%  Leff ~ 250 GeV Apres demain (50ab-1) Échelle électrofaible r = 1%  Leff ~ 800 GeV

44 Conclusions / Perspectives
La physique des saveurs est rentrée dans l’ère de la précision Le Modèle Standard dans le secteur fermionique est toujours debout Tests quantitatifs à <20% dans le secteur du Bd, et on commence à tester le secteur du Bs MFV semble être favorisée par les mesures actuelles En se mettant dans l’hypothèse où le LHC observe la Nouvelle Physique : LHCb ( secteur du Bs/ Bd et désintégrations rares…) et les Super usines a B (secteur du Bd, DF=1….) semblent être à même d’étudier la structure de cette Nouvelle Physique jusqu’à l’échelle du TeV Mais nous avons besoin des théoriciens…et notamment de pousser les précisions sur les calculs des paramètres hadroniques (QCD sur réseau)

45 Backup Slides

46 g par le mode B0→D0K*0 σ(g) ~ 7 à 8 °
Mesure de 6 taux de désintégrations B0→D0K*0 , D0 K*0 et DCP K*0 + conjugués de CP DCP→K+K- /p+p- : méson reconstruit dans un état propre de CP Amplitudes permettent l'extraction de g et de la phase forte Δ Étiquetage simple (self-tagging) par K*0 → K+p-, mesure intégrée en temps propre b→c, q=0 b→u, q=d+g Mode Evts S/B B0→D0K*0 3400 >3.3 500 >0.6 B0→D0CPK*0 600 >0.7 Statistique obtenue en 1 an par LHCb 55 < g < 105° -10 < Δ < 20° σ(g) ~ 7 à 8 °

47 g par le mode B-→D0K- s(g)~5° en une année (2fb-1)
Basé sur la méthode ADS (Atwood-Dunietz-Soni) Mesure relative des modes B-→D(Kp)K- et B+→D(Kp)K+ Interférence des deux diagrammes (arbre), dont 1 supprimé de couleur, rB~0.15 Interférence de deux diagrammes (arbre), dont 1 supprimé (Cabibbo), rDKp~0.06 A(B+→D(Kp)K+) ~ A(B-→D(Kp)K-) x rB x ei(d-g) 3 observables, 5 inconnues (rDKp connu) Ajoute des informations sur le D de D→Kppp et D →KK : phase forte et ampli. Relative Peut-être la mesure la plus précise de g avec LHCb s(g)~5° en une année (2fb-1) Diff. phase faible g Diff. Phase forte dB Rapport ampli. rB Diff. Phase forte dDKp Rapport ampli. rDKp

48 P-326 (a.k.a. NA48/3) K+ → p+ n n au CERN-SPS
Aujourd’hui Avec 100 événements et la valeur central du MS Avec 100 événements et la même valeur centrale Seems to be possible to get O(100) events experimental challenge ! Rejection du fonds Decay m+n p+p0 p+p+p- p+p0p0 p0m+n (K+m3) p0e+n ( K+e3) BR 63.4 % 21 .1% 5.6 % 1.4 % 3.3 % 4.9 % Suppression: m PID, kinematics g veto, kinematics CHV, kinematics veto, kinematics veto, m PID veto, E/P Guidance: S/B = ~10-12 rejection Kinematical Rejection 2) Photon vetoes et PID (p-m) L’idee de base est celle de rejecter K+ p+p0 P(K+) = 75 GeV/c Demande : P(p+) < 35 GeV/c P(p0) > 40 GeV/c On va forcement le voir calorimeter/photon veto

49 P-326 Detector Layout Protons du SPS (per pulse on T10)
Faisceaux a haute intensite K+ pour P-326 est disponible Protons du SPS (per pulse on T10) (seulement ~1/20 des protons du SPS) ~50 événements par ans P-326 Detector Layout K+p+ n n Gigatracker p+ K+ ~11 MHz n 75 GeV/c 800 MHz beam p/K/p n (KABES) Paricipation Francaise : Pour l’instant 2 physiciens de SACLAY ont signe la lettre d’intention Prise de donnees en ? Interet pour la contruction d’une TPC a haut flux (~1GHz) (Micromegas)