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Flavor-Physik bei CDF Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium Karlsruhe 07.11.2008 Übersicht ● Entwicklung des Flavor-Konzepts ● CDF-Detektor ● B0s-Oszillationen ● CP-Verletzung im B0s-System Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 2 Historie – Seltsame Teilchen ● ● ● ➔ Beobachtung von Teilchen mit “seltsam” langer Lebensdauer 1953, Gell-Mann: Erklärung durch neue Flavor-Quantenzahl Strangeness p π+ π- 0 π- Erhalten in starker und e.m. WW, Änderung nur durch schwache WW K0 p π- Ordnung des Teilchenzoos Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 3 Historie – Quarks S n p 0 - -1 -½ + -1 -2 + 0 udd 0 +½ +1 ⇒ dds uud uds dss uus uss I3 ● Erklärung der Multiplets durch Quarkzusammensetzung ➔ Flavor-Physik = Physik der Quarksorten ➢ Drei bekannte Quark-Flavor: u (q=+2/3) und d, s (q=-1/3) Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 4 Historie – Vorhersage des vierten Flavor ● Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 5 Historie – Vorhersage des vierten Flavor ● ● ➔ ➢ Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet 1970, Glashow-Iliopoulus-Maiani: Einführung einer vierten Quark-Sorte: Charm Destruktive Interferenz beider Diagramme (GIM-Mechanismus) Erklärt jedoch nicht CP-Verletzung im K0-System Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 6 Parität p e- L L P p r p r e- p Raumspiegelung (P): ● Vektor ↔ - Vektor, Axialvektor ↔ Axialvektor ➔ ➔ Physikalische Gesetze invariant unter Raumspiegelung? Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW (1956, Wu) S Thomas Kuhr p P p Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 S Seite 7 Ladungskonjugation e- e+ C p p Ladungskonjugation (C): ● Teilchen ↔ Antiteilchen ➔ ➔ Physikalische Gesetze invariant unter Ladungskonjugation? C-Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW C-Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW S Thomas Kuhr p C Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 S p Seite 8 CP-Verletzung im K0-System Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen: ● K0S c = 2.7 cm ● K0L c = 15 m Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände: ➢ CP |> = (+1) |> ➢ CP |> = (-1) |> Wenn CP erhalten, folgt: ➔ CP |K0S> = (+1) |K0S> ➔ CP |K0L> = (-1) |K0L> Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 9 CP-Verletzung im K0-System Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen: ● K0S c = 2.7 cm ● K0L c = 15 m Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände: ➢ CP |> = (+1) |> ➢ CP |> = (-1) |> Wenn CP erhalten, folgt: ➔ CP |K0S> = (+1) |K0S> ➔ CP |K0L> = (-1) |K0L> Thomas Kuhr 1964, Cronin, Fitch, et al.: Beobachtung von K0L ⇒ CP-Verletzung O(10-3) Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 10 Baryon-Asymmetrie im Universum ● Urknall: Gleiche Anzahl Teilchen und Antiteilchen ● Heute: Nur Teilchen ➔ ● Erfordert Prozess, der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie bricht Bedingungen (1967, Sakharov): ➢ Verletzung der Baryonenzahl ➢ Thermisches Ungleichgewicht ➢ C- und CP-Verletzung Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 11 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: ● ➔ ➔ CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 12 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: ● ➔ ➔ CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben ✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 13 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: ● ➔ ➔ CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben ✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks ✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 14 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: ● ➔ ➔ CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben ✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks ✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks ✔ 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 15 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: ● ➔ ➔ CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben ✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks ✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks ✔ 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks ✔ 2001, BaBar/Belle: Nachweis von CP-Verletzung im B0-System Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 16 2008: Nobelpreis Kobayashi ➢ Maskawa "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature" Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 17 Die Quark-Familien top charm q [e] up +2/3 -1/3 down strange bottom Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 18 Flavor-ändernde Wechselwirkung ● ● Flavor-Änderung nur durch geladene Eichbosenen der schwachen WW: W±-Bosonen W± koppelt nicht direkt an Quark-Paare einer Familie, sondern an eine Mischung 95 % ● 5% 0.002 % Beschreibung durch Quark-Mischungsmatrix Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 19 (C)KM-Matrix ● Vud Vus Vub ➔ VCKM = Vcd Vcs Vcb Vtd Vts Vtb cos 12 cos 13 V CKM = −sin12 cos 23−cos 12 sin23 sin 13 ei i sin12 sin 23−cos 12 cos 23 sin 13 e Thomas Kuhr ● ➔ Komplexe Elemente Vij 18 Parameter Unitarität (VV† = 1) + Quark-Phasen 4 freie Par.: 3 Winkel + 1 Phase (CP) sin 12 cos13 sin13 e−i cos 12 cos 23−sin 12 sin23 sin 13 e i sin 23 cos 13 −cos 12 sin23 −sin12 cos 23 sin13 e Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 i cos 23 cos 13 Seite 20 Unitaritätsdreieck ● N>4 Messungen für 4 Parameter ➔ Überbestimmtes System ⇒ Test der KM-Theorie ● Graphische Darstellung durch Unitaritätsdreieck ● Unitaritätsbedingung ∑i V ij V ∗ik = jk z.B. für j=1, k=3: ∗ ∗ ∗ V ud V ubV cd V cb V td V tb=0 ∗ ∗ V ud V ub V td V tb Fläche ↕ V cd V Thomas Kuhr ∗ cb Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 CP-Verletzung Seite 21 CKM-Messungen Normierung auf VcdVcb* Im 0 ● Re 1 Messung von Seitenlängen und Winkeln ➢ Unitarität Geschlossenes Dreieck Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 22 CKM-Messungen ● B0-System genau vermessen von B-Fabriken (BaBar/Belle) ➢ B0s-System kann (zur Zeit) nur am Tevatron studiert werden Oszillation + CP-Verletzung Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 23 Übersicht ● Entwicklung des Flavor-Konzepts ● CDF-Detektor ● B0s-Oszillationen ● CP-Verletzung im B0s-System Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 24 Tevatron p CDF Thomas Kuhr √s = 1.96 TeV p 1 Kollision / 400 ns ↳ 1.7 Mio Ereignisse pro Sekunde Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 25 B0s-Produktion am Tevatron ➔ Hohe Produktionsrate von bb-Paaren in Prozessen der starken WW q b ➔ Produktion von B0s-Mesonen in Fragmentation q b Aber ✗ Produktionsrate von leichten Quarks ~103 mal größer als bb) Belle Trigger ✗ Untergrundspuren aus Fragmentation Hoher kombinatorischer Untergrund Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 CDF Seite 26 CDF (Collider Detector at Fermilab) Myon-Kammern Magnet hadr. Kalorimeter e.m. Kalorimeter Flugzeit-Detektor SiliziumVertexdetektor Thomas Kuhr Driftkammer Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 27 Detektorkomponenten Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 28 Übersicht ● Entwicklung des Flavor-Konzepts ● CDF-Detektor ● B0s-Oszillationen ● CP-Verletzung im B0s-System Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 29 B0s-Oszillationen Teilchen-Antiteilchen-Oszillation ● ➢ Eigenzustände mit definierter Masse und Lebensdauer: Oszillationsfrequenz: ∆m = mH-mL f ~ 3 Thz ! Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 30 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 31 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen ● B0s Ds Selektion von B0s-Mesonen π Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 32 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen ● ● B 0 s Ds+ Selektion von B0s-Mesonen Bestimmung des Flavors beim Zerfall Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 π- Seite 33 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen ● B 0 s Ds+ Selektion von B0s-Mesonen ● Bestimmung des Flavors beim Zerfall ● Messung der Lebensdauer Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 π- Seite 34 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: B0s Anforderungen ● B 0 s Ds+ Selektion von B0s-Mesonen ● Bestimmung des Flavors beim Zerfall ● Messung der Lebensdauer ● Bestimmung des Flavors bei der Produktion Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 π- Seite 35 B0s-Selektion Goldener Kanal: Bs Ds Ds KK K B0s Ds K π π Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 36 Lebensdauer-Messung ● Lebensdauer t wird gemessen über Zerfallslänge L und Impuls p B0s L ● ct-Auflösung reduziert effektiv messbare Asymmetrie: ⇒ Thomas Kuhr p ct = 87 fs Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 37 Flavor-Tagging Opposite Side ● Same Side Tag (SST): ● ● Same Side Teilchen aus b-Quark-Fragmentation Opposite Side Tag (OST): ● ● Ladung des Jets vom OS-b-Quark Leptonen und Kaonen aus Zerfall des OS-B-Hadrons Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 38 Tagging-Leistung Effizienz: Dilution: Dilution reduziert effektiv messbare Asymmetrie: ct = 87 fs D = 0.2 ct = 87 fs ⇒ Thomas Kuhr ⇒ Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 39 Mixing-Fit ● Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Flavor-Tag ➢ Signifikanz: 3 Thomas Kuhr (Evidenz, aber noch keine Beobachtung) Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 40 Verbesserungen Neuronales Netz Bisherige Analyse ➢ Selektion von B0s-Kandidaten durch Neuronales Netz ➢ Hinzunahme von Zusätzlich durch NN selektiert Vom NN verworfen weiteren (part. rek.) Zerfallskanälen ➢ Kombination der OS-Tagger mit einem Neuronalen Netz: D2 = 1.5% → 1.8% Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 41 Mixing-Fit Reloaded Analyse desselben Datensatzes mit verbesserten Methoden ➢ Signifikanz >5 ⇒ Beobachtung von B0s-Oszillationen! Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 42 Ergebnis Δms = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1 ● XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10% Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 43 Ergebnis Δms = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1 ⇒ ● XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10% ● XBs / XB0 genauer berechenbar, Unsicherheit 3-4% |Vtd| / |Vts| = 0.2060 ± 0.0007(exp) Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 +0.0081 -0.0060 (theor) Seite 44 Auswirkungen auf Unitaritätsdreieck ⇒ Ohne Δms-Messung ● ➔ Mit Δms-Messung Bestimmung der Seitenlänge gegenüber Winkel Konsistent mit anderen Messung ⇒ SM bestätigt, Parameterraum für neue Physik eingeschränkt Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 45 Übersicht ● Entwicklung des Flavor-Konzepts ● CDF-Detektor ● B0s-Oszillationen ● CP-Verletzung im B0s-System Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 46 CP-Verletzung in B0s J/ ● Gemeinsamer Zerfallskanal: B0s/B0s J/ , J/ +-, K+K- ● CP-verletzende Phase in Interferenz: V us V ∗ub V ts V ∗tb s V cs V ∗cb Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 47 CP-Eigenzustände ● Falls CP erhalten: Massen-Eigenzustände = CP-Eigenzustände: ➢ Identifizierung der Massen-Eigenzustände anhand der Lebensdauer, falls ∆ = – = 1/ – 1/ ≠ 0 L ➢ H L H Identifizierung der CP-Eigenzustände anhand der Zerfallsprodukte: JPC (J/) = JPC() = 1-- ⇒ J(B0s) = 0 ⇒ CP(J/ ) = (-1)L L=0,1,2 S-, D-Welle CP gerade P-Welle CP ungerade Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 48 Winkelanalyse S-, D-Welle CP gerade P-Welle CP ungerade Ruhesystem J/ Ruhesystem Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 49 Likelihood-Fit ● MaximumLikelihoodFit in Masse, Lebensdauer, Winkel Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 50 Ergebnis ● ➢ ➢ ➔ 4-fach Ambiguität Thomas Kuhr Unter Annahme von CP-Erhaltung: ∆s = 0.076 +0.059 (stat) -0.063 ± 0.006 (syst) ps-1 cs = 456 ± 13 (stat) ± 7 (syst) µm Konsistent mit SM (p-Wert = 22%) Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 51 B0s J/ mit Tagging ➔ B0s-Zerfall in CP-Eigenzustand fCP: ✗ Oszillation muss aufgelöst werden ✗ Produktionsflavor muss bestimmt werden ➢ Auch sensitiv auf CP-Verletzung für ∆=0 Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 52 Ergebnis ➢ ➢ Einschränkung des Parameterraums für neue Physik Noch konsistent mit SM p-Wert = 7% (1.8) ➔ Hinweis auf neue Physik? 2-fach Ambiguität Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 53 Neue Physik? ➔ Thomas Kuhr (Noch?) keine Evidenz für neue Physik Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 54 Ausblick Falls s ≫ sSM ➔ Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Realistische Chance für Evidenz oder sogar Beobachtung von neuer Physik am Tevatron Seite 55 Zusammenfassung ➢ Interaktion der Quark-Flavor und CP-Verletzung wird im SM durch die CKM-Matrix beschrieben ➔ ➢ Erfolgreich bestätigt im B0-System Auch gültig für B0s-System? ➔ Vermessung des B0s-Sytems am Tevatron ✔ B0s-Oszillationen werden gut vom SM beschrieben ✔ CP-Verletzung im B0s-System (noch) verträglich mit dem SM ➔ Entdeckung einer neuen Quelle von CP-Verletzung am Tevatron möglich Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 56 Backup Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 57 Two-Track-Trigger ➢ Auswahl von Spuren von sekundären Vertices ● Rekonstruktion von Spuren in der Driftkammer in 5 µs ➔ ● Selektion von Spurpaaren mit pT > 2 GeV/c Hinzufügen von Hits im SiliziumVertex-Detektor in 20 µs ➔ d0(1) 2 B0s d0(2) 1 Selektion von Spuren mit d0 > 100 µm ✔ Reduktion der Ereignisrate: 2.5 Mhz → <100 Hz Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 58 Weitere B0s-Zerfallskanäle Bs Ds und Bs Ds mit ● ● ● N≈1400 N≈700 Ds , KK Ds K*K, K* K Ds N≈700 Thomas Kuhr N≈600 Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 N≈200 Seite 59 Lebensdauer-Auflösung Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 60 Verbesserung des OS-Tagging ● ● ➔ Kombination der Tagger mit Neuronalem Netz Benötige Datensatz für Netzwerktraining mit B-Hadronen Bekanntem B-Flavor Simulierte Daten beschreiben nicht alle Details der realen Daten BHa dr on ➢ Bisher hierarchische Entscheidung Erst Myon-Tag, dann Elektron-Tag, dann Jet-Tag OSB ● Training auf realen Daten Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 OS-Tag Seite 61 Lepton+Sekudärvertexspur ● ● ➔ Statistische Subtraktion von Untergrundereignissen durch Ereignisse mit d0 < 0 Ladung des Leptons gibt Flavor an mit prichtig = 82% BHa dr on ● Datensatz angereichert mit semileptonisch zerfallenden langlebigen Teilchen SV-Spur Unterdrückung von CharmLepton Ereignissen durch Schnitt auf invariante Masse von Lepton+SV-Spur OSB ➔ Training des Taggers auf OS-B Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 d0 OS-Tag Seite 62 NN-OS-Tagger ● Optimal trainiertes Netz: ➔ Netzausgabe o (skaliert auf [0,1]) = Signalwahrscheinlichkeit p ● Ereignisweiser Schätzwert der Dilution: ➢ Verbesserung durch NN-Komb.: D2 = 1.5% → 1.8% Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 63 Amplituden-Scan Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 64 Δms-Signifikanz Null-Hypothese Δms = ∞ Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 65 B0s-Ereignis Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 66 Fit-Bias ● Parameter unbestimmt für 2s=0 ● s und unbestimmt für =0 ● ➔ Reduzierte Anzahl Freiheitsgrade Bias weg von =0, 2s=0 Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 67 Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit ● Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = |Ak|ei , 0 := 0 ● Mittere Zerfallsbreite: = (L – H) / 2 k Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 68 Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit CP-gerade CP-ungerade Interferenz ● Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = |Ak|ei , 0 := 0 ● Mittere Zerfallsbreite: = (L – H) / 2 k Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 69 4-fach Ambiguität ➔ Invarianz unter Transformationen: Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 70 Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit B0s: = +1 B0s: = -1 Ambiguität reduziert von 4- auf 2-fach Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 71 Wolfenstein-Parameterisierung V ub V us V ub V CKM = V cd V cs V cb V td V ts V tb 1−2 /2 A3 −i 4 2 2 = − O 1− /2 A 3 2 A 1−−i −A 1 ● ≈ 0.22, A ≈ 0.82 ● ≈ 0.22, ≈ 0.34 Thomas Kuhr Physikalisches Kolloquium 07.11.2008 Seite 72