16/4/2015

Encanto y belleza en los quarks más pesados

( introducción a la física de quarks pesados )

I- Motivación (teórica)II - Retos (experimental)

Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT)

Perito accidentes

Su reconstrucción del suceso

Simil :¿Físico experimentalde partículas = perito ?

Perito accidentes

Su reconstrucción del suceso

¿Físico experimentalde partículas = perito ?

¿ Qué colisión ha dado lugar a ese estado final ?

Perito accidentes

Su reconstrucción del suceso

Un perito (al igual que un Físico de Partículas) puedellevar a cabo un tratamiento estadístico de sus datos

“SI BEBES NO CONDUZCAS” : ¿ES ESO CIERTO?ASIMETRIA PRODUCCION ACCIDENTES : H vs M ¿Cierto?

Nos vamos a centrar en estados finales concretos (con b)

¿Por qué estudiar los quarks más pesados bottom y top (b y t)?

Conceptos teóricos:• Violación CP (CPV), sabor de quark, oscilación de hadron-b

• Nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar (SM)

• Comprueban la existencia de nueva física

[test de lo conocido y búsqueda de lo desconocido]

Violación CP: materia y antimateria se comportan de un modo diferente

La violación de CP es la no-conservación de los nºs cuánticos de conjugación y paridad.

A t~10-6 s a.B.B., había 1010-1 antiquarks por cada 1010 quarks. La parte simétrica se aniquiló en γ y ν. La parte asimétrica dió lugar a nuestro universo

CPV tiene algo que ver (pequeña asimetría a~10-6 s)

Violación CP es un ingrediente necesario (pero parece que insuficiente)

¿Por qué se estudia CPV?Estamos en un universo dominado por materia

Sabor de un quark: un ńumero cuántico importante en el SM

Hay tres generaciones de pares de sabores de quarks En el SM el número cuántico de sabor se conserva en las interacciones fuertes y E-M. Sólo puede cambiar en procesos de corriente cargada débil descritos por el intercambio de un boson W+-. El W se acopla en buena aprox. a pares de la misma generación pero son posibles transiciones

Combinación de un quark b y 1 ó 2 quarks más Los hadrones resultado de combinaciones (b,s), (b,d), (s,d) y (c,u) sufren transiciones del tipo FCNC: oscilan, se mezclan

+1/3

-1/3 -

++1/3

-1/3

-2/3 +2/3-+1/3

--

∄ hadrones-t

Hadrones-b :

VCKM es compleja (tiene una fase). Esa fase viola CP, la invariancia de conjugación-paridad de la teoría, y en el SM es responsable de la

violación de CP observada en los sistemas K y B.

Bs0

Rate of Γ(B ⇾ f ) Γ(anti-B ⇾ anti-f )

VCKM describe cómo se llevan a cabo las transiciones de sabor

Matriz VCKM :

Vtb

Vud

large CPV

large small CPV CPV

small CPV

+

La fase de violación CP en el SM, βsSM -arg[(VtsVtb

*)2/(VcsVcb*)2],

es pequeña

CPV procede de la interferencia entre las amplitudes de mezcla y desintegración

¿Por qué estudiar CPV en Hadrones-b ?

Bs0

La fase CP entre los dos caminos de desintegración es βs

Bs0 J/Ψφ=> sin (2βs)

-

La observación de una gran fase CP en Bs0J/Ψφ

sería un signo inequívoco de nueva física

c_

s

s_ _

s

_

¿ Cómo se realizan las medidas ?¿ Cúales son los retos para hacerlo posible ?

Acordaos del simil del perito ...

Lado experimental

•Producción (aceleradores)

•Selección (trigger)

•Medición (subdetectores)

Los accidentes están controlados por decenas de Físicos, ingenieros y técnicos que controlan constantemente haces de partículas que aceleran y posteriormente hacen colisionar.

Son como “circuitos de carreras” donde controlas los coches y sus accidentes/colisiones

Aceleradores de partículas.

¿Quien provoca los accidentes en Fª de Partículas?

... pero no lo que resulta de la colisión ...

Túnel Bajo tierraProducción

Eres un cámara y sólo quieres grabar en la carrera de indianápolis cuando del resultado de un choque surgen cierto tipo de partículas. Tienes que decidir muy rápidamente si interesa o no (si grabar o no)usando trigers selectivos basados en las caraterísticas peculiares de las partículas que te interesa grabar

Como controlas las colisiones pero no lo que resulta de la colisión, se necesita un sistema/triger

Selección

Una vez elegido/grabado/almacenado la colisión de interés, como perito, se procede a la evaluación ( medición ) de la misma: - Con los restos (depósitos de energía de otras partícuas en las que se ha desintegrado la original) se tratan de recomponer las partículas producidas en la colisión¿los pedazos de la colisión que tipo de auto forman? - Se realizan medidas de esas partículas ¿a qué velocidad iba el auto, qué tipo de auto (cuántas ruedas, de qué tipo, motor, marca, piloto, etc)?

g

gFlavor Creation (gluon fusion)

b

Flavor Creation (annihilation)

q b

q b

Flavor Excitationq q

bg

bb

Gluon Splitting

g

g g

b

Los quarks se fragmentan en hadrones: Bc- (bc), b(bdu), b

+ (buu), b-

(bdd), Ξb-(bsd), Ωb

-(bss), Bs0 (bs), B0(bd), B-(bu), tb. B*, B**, etc

Los hadrones B se desintegran débilmente y buscamos sus productos de desintegración (la desintegración débil de los quarks depende de parámetros fundamentales del SM)

--

-

-

Gran sección eficaz (pp bb ) ~ b (vs ~ nb at the (4s) resonance [B factories])

-

b

-

- en factorías de B : e+e- B0/B0 y B+/B- a la energía del ϒ(4S). - en col. Hadrónicos : pp bb, pp bb- --

- Producción de b:

Proceso de selección de b's QCD(lighter quarks):fondo enorme al proceso (ppbb) Para eliminar fondo-QCD los hadrones-b se filtran usando trigers selectivos basados en sus caraterísticas peculiares:

• events selected by a Jψoriented dimuon trigger • events selected by an impact parameter based trigger (SVT)

--

calorimeter

chamber

stub

Central tracker

Central track

Measurements : Central tracking chamber: - Track momentum - Trajectory Muon chambers: - Trajectory (stub)

Require : - Central track - Muon stub - Position and angle match between central track and muon stub

Medición :

• Masa y vida media de 0b

•Violación de CP en Bs0J/ψφ

¿Cómo observar las colisiones?¿Cómo observar las colisiones?

una de las “Catedrales” de la Físicauna de las “Catedrales” de la FísicaComo una cámara digital 3D de 80 Mpixel, de 12500 toneladas, 21x15x15 m3 y a 100m bajo tierra.

Compact Muon Solenoid

Cada tipo de partícula deja una señal distinta

en el detector.

Esta cámara hace 40 millones de fotos/s !

Con las partículas cargadas, medimos el rastro dejado en

algún material

Producción (aceleradores)

Desint./Selección (trigger)

Medición (subdetectores)

Se disponen de capas concéntricas de distintos detectores, donde las distintas partículas van depositando energía

Masa invariante:

Reconstrucción individual de una traza

Combinación de trazas para formar una hadron-b

Reto : una medida precisa de la masa requiere una buena medida del momento de las partículas (trazas) del estado final. Para ello se requiere un sistema de detección de trayectorias de trazas con una excelente resolución

Momento = trayectoria

Los hadrones-b decaen en SV lejos del PV

Vidas medias de hadrones-b

SVPV

Ayuda de detectores de silicio con una extremedamente buena resolución en posición

Con estas medidas de masa y SV se pueden hacer medidas de precisión de las vidas medias… Siguiente paso : tratamiento estadístico de los datos

Reto : medir el vértice 2º con suficiente precisión

ct

ct

Análisis estadístico de los datos: método de ajuste o estimación por máxima verosimilitud (MLM)

Tenemos N medidas de la cantidad x {x1, x2, … xn} (x es masa y ct). f(x|a,b) es una función de densidad o función de probabilidad o dns. de prob. Queremos determinar los parámetros a y b. MLM: dada cierta f-hipótesis/modelo, elegimos los valores de a,b que maximizan la probabilidad de obtener los valores (xi's) que medimos. ¿Cómo se obtiene el MLM?

La probabilidad de medir x1 es f(x1| a,b)dx ...La probabilidad de medir xn es f(xn| a,b)dxSi las medidas son independientes, la probabilidad de obtener ese conjunto de medidas es:L = f(x1|a,b)dx * f(x2|a,b)dx ... f(xn |a,b)dx = f (x1|a,b) * f (x2|a,b) ... f (xn |a,b)dxn

Podemos olvidarnos de los términos dxn pues se trata sólo de una constante de proporcionalidad L =Πif(xi|a,b) Función de verosimilitud

Queremos escoger el valor de los parámetros a,b que maximicen la función de verosimilitud, : δL/δα|

α=α * = 0, donde α puede representar una matriz de parámetros (a,b,vida media,etc).

¿Cómo ajustar(modelar) estos datos?

La funcion L =Πif(x

i|a,b) para el caso de medida de la vida media de una partícula

depende de más de una variable pero se puede factorizar en producto de funciones f que dependen de cada variable x (asumiendo que son variables independientes).

El truco, está en acertar con el modelo : las funciones de densidad f o densidades de probabilidad para cada variable x. Las funciones f pueden ser a su vez combinación de varias funciones debido a la contribución de varios agentes físicos (por ejemplo, varias partículas, varios tipos de fondo, etc) ...

Hablemos de modelos (f)

Modeling the signal :x is mass and ct

Results are typically shown in logaritmic scale

Mass

ct ct

ct

Modeling the background

Mass

ct

Results are typically shown in logaritmic scale

x is Mass

f

f'

f''

++

+

x is ct

Results are typically shown in logaritmic scale

We get the parameters for the resolution model from sideband events

The parameters (a,b) are the particle's mass, lifetime, etc

•CP Violation in Bs0J/ψφ

¿Qué medimos experimentalmente?

Medimos Γ(B⇾f)-Γ(anti-B⇾anti-f), diferencia de tasas de desintegración

Bs0

Rate of

Flavor Creation (annihilation)

q b

q b

Reto : Determinar partícula/antipartícula en producción

•CP Violation in Bs0J/ψφ

Γ(Bs0 ⇾ J/ψφ )[cτ] - Γ(anti-Bs

0 ⇾J/ψφ )[cτ]~sin(2βs)Γ(Bs

0 ⇾ J/ψφ )[cτ] + Γ(anti-Bs0 ⇾J/ψφ )[cτ]

Same Side

Opposite Side

The final tag is the combination (properly weighted) of all the different tagging methods

Output: decision (b-quark or b-quark) and the quality of that decision-

b quarks generally produced in pairs at TevatronTag either the b quark which

produces the J/ψϕ(SST), or the other b quark (OST)

SST is based on flavor-charge correlations, i.e. tag on the leading fragmentation track OST searches lepton (either an electron or a muon) in the other side coming from the semileptonic decay of the other B.

Etiquetado de sabor (flavor tagging)

30

Overview of fit

: probability distribution functions (PDFs) for signal : PDFs for background

fs : signal fraction (fit parameter)

Single event likelihood decomposed and factorized in:

La mejor herramienta que tenemos para describir la naturaleza son las matemáticas.

La Física de Partículas (a pesar de ser una ciencia fundamentalmente experimental) no es una excepción

Dualidad teoría-experimentoDualidad teoría-experimentoTeoría y experimento

: cara y cruz de la misma moneda

Las teorías surgen a partir de lo que se

observa en la naturaleza o de lo que vemos en los experimentos. Del mismo modo, para

comprobar las nuevas teorías, se necesitan nuevos experimentos…

Teórico Experimental

¿ Por qué hacer esto?

Los resultados de los análisis sobre las colisiones,

nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar (SM, modelo teórico): el SM dice que p y n tienen estructura interna

Comprueban la existencia de nueva física

Test de lo conocido y búsqueda de lo desconocido

¿ Por qué hacer esto?

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Results

φs = 0.07 ± 0.09 (stat) ± 0.01(syst) rad

ΔΓs = 0.100 ± 0.016 (stat) ± 0.003 (syst) ps-1

SM: φs ≈ -2βs = - 0.036 ± 0.002 rad, ΔΓs = 0.087 ± 0.021 ps-1

34

El programa de hadrones pesados enriquece la física dentro y fuera del SM: - Heavy baryons - Precision lifetimes of all B hadrons - CPV - top mass, width, σ, etc

Conclusions

EWQCD

New Physics

top

Precise measurements of φs and ΔΓs,will put severe constraints on NP in Bs mixing

Large, well understood data samples from experiments.

F I N