LHCb Physics Performance

“Beautiful Physics” mit LHCb
Heidelberger LHC Treffen
Ulrich Uwer
Physikalisches Institut
Universität Heidelberg
LHCb
B Production at LHC
LHC
• pp collisions at s = 14 TeV
inel ~ 80 mb
bb ~ 500 b
• Forward production of bb, correlated
• Bunch crossing (BX) rate of 40 MHz
bb production:
(forward!)
• Multiple interactions per BX possible
• single interactions preferred
 L ~ 2 x 1032 cm-2s-1 tuned
~1012 bb events/yr produced
• all b hadrons produced:
Bu (40%), Bd(40%), Bs(10%),
Bc and b-baryons (10%)
b
b
LHCb
• Single arm forward spectrometer
12 mrad <  < 300 mrad(1.8<<4.9)
A typical B event
Full GEANT simulation
• decay length L typically ~ 1 cm in LHCb
• decay products with p ~ 1–100 GeV
• need to tag production state (flavour) of B
b hadrons are not coherent: mixing dilutes tagging
LHCb – Experiment
Vorwärtsspektrometer
• Exzellente Vertex-Auflösung
• Gute Teilchenidentifikation
• gute Massenauflösung
• Flexibler+effizienter B-Trigger
für nicht leptonische Zerfälle
• Moderate Lumi Anforderung
L ~ 2 x 1032 cm-2s-1
Nutzung des B-Potenzials von
Beginn an:
~1012 bb Ereignisse/Jahr
• Lumi-Tuning auf optimal. Wert
• Offene Geometrie erlaubt mit
Upgrades auf neue physikal.
Fragestellungen zu reagieren
40 MHz
detector
Trigger
Leptons
high pT (m,e,g,h) [hardware,
4 ms latency]
1 MHz
high IP, high pT tracks
[software,1 ms]
30%
40 kHz
HLT: software using complete event
[10 ms]
2 kHz
storage
HLT rate Event type
Calibration
Physics
200 Hz
Exclusive B candidates
Tagging
B (core program)
600 Hz
High mass di-muons
Tracking
J/, bJ/X (unbiased)
300 Hz
D* candidates
PID
Charm (mixing & CPV)
900 Hz
Inclusive b (e.g. b)
Trigger
B (data mining)
B Physik - heute
B Fabriken
R.Nogowski & K.Schubert, Dresden
ca. 600 Mio BB Paare on-tape
Eine Vielzahl an Messungen
Highlights
• CP Verletzung im Bd System
[sin 2 ]WA  0.725  0.037
  101o
16
9
• Direkte CP Verletzung im Zerfall
B0  K  
• Messung von |Vcb| mit 2% Fehler
Setzt den Rahmen für B Physik am LHC:
Nachmessen von sin2β ist nicht das Ziel
B Physik bei LHCb
Bs Meson
ms
Präzise Bestimmung der Mischungsparameter
Messung CP Verletzung in Bs Zerfällen
Bestimmung der Phasen  und 
Die gleichzeitige Messung von Bs und Bd
Zerfällen reduziert theoretische Unsicherheiten.
Bd Meson
Weiterführung des Programms der B-Fabriken
insbesondere dort wo es statistisch limitiert ist.
Seltene Zerfälle mit BR ≤
, 
Bs→ DS
Bs→ J/()

Bs→ DS K
 and 
B0  + 
Bs  K+ K

B0 →D0 K*0
= B0→ +  , 
Bs0,d     
10-9
W
Vielzahl an unterschiedlichen Messungen
erlaubt die “indirekte Suche“ nach neuer Physik
W
New
Physics
New
Physics
Beispiel: Neue Physik im B Mixing
B(s)B(s) mixing phase:
W
New
Physics
Φd = 2 + ΦdNP
Φs = 2 + ΦsNP
Messung der CP Asymmetrie:
CPV in B0  J/ Ks
~sin(2+ΦdNP)
B0  D*
~sin(2+ΦdNP+)
Bs J/
~sin(2+ ΦsNP)
Bs DsK
~sin(2+ ΦsNP+)
Rate of B0 D0 K*0, D0K*0, D0CP K*0

Redundante
Messungen:
notwendig um
CKM Phasen
von Effekten
Neuer Physik zu
untescheiden
Aktuell: Neue Physik in BKS ?
4 Diskrepanz
sin2β aus ccK Zerfällen und
sin2β inssK Pinguin Zerfällen
W
b
B0
u,c , t
g
d
s
s  , ,( KK )CP
s
0
K
S
d
Mögliche Beiträge Neuer Physik
4
Physik-Potenzial
B Physik am LHC erlaubt die indirekte Suche
nach Neuer Physik. Komplementär zur
direkten Suche bei ATLAS und CMS.
Beispiele für Potenzial:
• Messung der BS Oszillation: mS
• Gold plated decay BsJ/Φ
• Messung des CKM Winkels 
• Seltene Zerfälle
Ereignis-Raten
1 year (107s) at L = 2x1032 cm-2 s-1
BABAR
Trig (L0+L1)
 tot
Yield
B/S
B0  
34 %
0.69 %
26 k
< 0.7
470
B0  K 
33 %
0.94 %
135 k
0.16
1600
Bs K-+
37 %
0.55 %
5.3 k
< 1.3
B s  K K
31 %
0.99 %
37 k
0.3
Bs Ds
31 %
0.34 %
80 k
0.3
Bs Ds-+K+-
30 %
0.27 %
5.4 k
< 1.0
B0 J/() KS
61 %
1.39 %
216 k
0.8
B0 J/(e-e ) KS
27 %
0.16 %
26 k
1.0
Bs J/ ( )
64 %
1.67 %
100 k
< 0.3
Bs J/ (e-e )
28 %
0.32 %
20 k
0.7
B0 
36 %
0.03 %
4.4 k
<7
1200
B0 K*0 
38 %
0.16 %
35 k
< 0.7
2x640
Bs 
34 %
0.22 %
9.3 k
< 2.4
Channel
norm. to 4  tot
 det* rec/det* sel/rec* Tri g =
0.120.920.180.34
( for B0   )
events
2800
ms with BsDs+(KK)Annual event yield:
80k
Background B/S:
0.32
Tagging probability:
55 %
Mistag probability w:
33 %
Proper time res.
Expected unmixed Bs Ds sample
in one year of data taking (fast MC)
33 fs (core)
Statistical precision / yr
ms (ps-1)
15
20
25
30
(ms)
0.009
0.011
0.013
0.016
5 observation of Bs oscillation: 68 ps-1 / yr
SM prediction: ms20 ps-1
Φs and Γs with BsJ/Φ
• The “gold plated decay” of Bs: Bs  J /
SU(3) analogue of Bd J/Ks
N(B0  J /)  N(B 0  J /)
• ACP measures mixing phase Φs
ACP 
0
0
N
(
B

J
/

)

N
(
B
 J /)
2
In SM: Φ = -2 = -2  ~ -0.04
s
• event yield () / yr: 100k
background B/S <0.3
proper time resolution 38 fs
 ACP  0 in SM
ACP0  New Physics in Bs mixing
Sensitivity after 1 year
  H  L
() ~ 2 O
If Γ/Γ is ~0.1, can do a 5 discovery in one year
1
  (H  L )
2
 from BsDs+K+
Measure   s from timedependent rates:
BsDs K and BsDsK
(+ CP-conjugates)
 Use s from BsJ/

BsDsK
Only tree diagrams:
insensitive to new physics
in B mixing
event yield () / yr:
5.4k
background B/S:
<1.0
BsDs
Time dependent BsBs asymmetries
After 1 year,
if s/s = 0.1, 55 <  < 105O
ms
20
25
30
(+Φs)
14 0
16 0
18 0
5 yrs of data, ms=20 ps-1
 from B0 and BsKK
/K
Bd/s
/K
/K
Bd/s
/K
Bd
Use RICH for
K/ separ.
• bu decays are sensitive to 
• large penguin contributions in both decays
• Theoretically difficult to extract P/T ratio
Measure time-dependent CP asymmetry for
B0 and BsKK and exploit U-spin
flavour symmetry for P/T ratio (R. Fleischer).
Take s, d from J/,J/Ks  can solve for 
M=17 MeV
without
RICH
B0
(26k / yr)
BsKK
(37k / yr)
B0K+ (135k / yr)
BsK+
(5.3k / yr)
() = 46 deg
B0K*0 +AFB(s)
SM:
BR(B0K*0 +-) = (1.2  0.4) x 10-6
 Measurement determines |Vts|
Variables sensitive to New Physics:
 +- invariant mass distribution
 +- forward-backward asymmetry
FBA =  (+, B direction in +- CMS)
Annual yield (SM):
Efficiency:
Background (B/S)
(BR) ~ 2%
(ACP) ~ 2%
(AFB)
4.4k
0.7%
<2
In 5 years:
(AFB )~ 0.1
Bs0  
BR(Bs0+)SM = (3.50.1)x10-9
Good sensitivity to NP
BR(Bs0+)SUSY ~(tan)6, ACP ~(tan)3
for large tan
LHCb: 1 year 17 events Bs0
Backgr. study requires additional MC statistics,
present limit from bX+cc. B/S<5.7
(MBs)=18 MeV/c2
SM signal in the first year !
Heidelberger Beiträge
Bisher haben sich die Heidelberger Gruppe auf ihre Hardware Aufgaben
konzentriert.
Gruppe ist aber auch im Bereich der Datenanalyse nicht unvorbereitet:
• HERA-B Beteiligung
• BABAR Beteiligung
Ab 2006 müssen wir uns auch verstärkt an Physik-Vorbereitung beteiligen
• Wichtiger Zugang zur Datenanalyse werden die Beiträge zur Spur- und Vertexrekonstruktion sein.
Analyse-Schwerpunktthemen
1. Bs Mischungsmessung
Messung der Bs Mischung ist Voraussetzung zur Messung der zeitabhängigen CP
Asymmetrien. Erstes wichtiges Resultat von LHCb.
2. CP Verletzung im Bs System
Messung zeitabhängiger Zerfallsasymmetrien zur Bestimmung
der CP Phasen:  und . Test möglicher Beiträge neuer Physik.
Zu diesen Messungen gehören eine Reihe vorbereitender Bench Mark Messungen.