24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 1/14 No GUTs, no Glory: a Search for Grand Unified

24 mei 2007, Vidi No GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning

1/14

No GUTs, no Glory:a Search for Grand Unified Theories with B-

decays Niels Tuning (NIKHEF/FOM) – 24 mei 2007

NWO Vernieuwingsimpuls VidiSubsidieronde 2007

• 1996: MSc theoretische fysica aan de UvA

• 2001: PhD experimentele hoge-energie fysica aan de UvA

• 2001 – 2004: CERN, Genève

• 2004 – nu: NIKHEF, Amsterdam

Curriculum VitaeCurriculum Vitae


2/14

Niels Tuning (NIKHEF) – 24 mei 2007 NWO Vernieuwingsimpuls Vidi

Subsidieronde 2007 Time Energy

10-35 s 10-12 s 300,000 y 13.7 109 yrs

GUT era Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present

1016 GeV 102 GeV 10-4 eV

Big Bang

1. Een “Grand Unified Theory” : waarom ??

2. Voorspellingen van de Grand Unified Theory

3. Hoe ga ik dat meten?

No GUTs, no Glory: a Search for Grand Unified Theories with B-

decays


3/14

Tegenwoordig is (bijna) alle materie gebonden

in atomen

Geschiedenis van het Universum:

Tegenwoordig: 13.7 109 jaar na t=0

Time Energy

10-35 s 10-12 s 300,000 y 13.7 109 yrsGUT era Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present

1016 GeV 102 GeV 10-4 eV

u-quark u-quark

d-quark


4/14

Door deeltjesversnellers kennen we de

subatomaire bouwstenen


10-12 s in het laboratorium

Time Energy


1016 GeV 102 GeV 10-4 eV

11steste 2 2dede 3 3dede generatie generatie


5/14

Bij de GUT schaal wordt de

wereld van elementaire deeltjes symmetrisch


10-35 s “Grand Unified Theory”

Time Energy


1016 GeV 102 GeV 10-4 eV

zwaartekracht

sterke kernkracht

zwakke kernkracht

electromagnetisme

energie 1019 1016 102 GeV

tijd 10-43 10-35 10-12 s

BigBang

GRAND UNIFIED THEORY

e,R

R

L

e

L

L

R

L

L

R

R

R

,

L

L

R

R

L

u

u

d

u

d

ν

e

u

d

u

e

d

d

ν

d

uéén deeltje


6/14

Waarom een “Grand Unified Theory” ?

1) Het verklaart de elektrische lading: qd=1/3 qe en qu= -2 qd

2) Het voorspelt het bestaan van een zwaar neutrino: dark matter kandidaat?

3) Het voorspelt dat normale neutrinos niet massaloos zijn

e,R

R

L

e

L

L

R

L

L

R

R

R

,

L

L

R

R

L

u

u

d

u

d

ν

e

u

d

u

e

d

d

ν

d

u

Van oerknal naar versneller niveau(“gekristalliseerd” in verschillende groepen)

LLL

L L L

uu

d

u

dd

R

R

R

R R

Ru

d d

u

d

u

Le,R R

e,L

ee


7/14

Oscillatie:

νμ↔ντ

Reactie in detector:νμn→μp

μ-detectie

Neutrino oscillaties:Een grote ontdekking uit de jaren ‘90

Neutrinos veranderen van gedaante: Tussen de 2de en de 3de generatie

Neutrinos hebben massa!

11steste 2 2dede 3 3de de generatiegeneratie


8/14

GUT + Neutrino observaties = Meetbare effecten bij LHCb

Grand Unified Theory: • Quarks en neutrinos in één groep• Kleine massa neutrino’s

Voorspelling: Extra effecten tussen s↔b Meetbaar bij het “LHCb”

experiment in Geneve!

b

s

s

b

b s

μ

μ

Experiment (Japan ’98): • Neutrino oscillaties tussen 2de en 3de

generatie

2de 3degeneratie

A search for Grand Unified Theories

with B-decays

+ =

Meetbare quantum mechanische correcties


9/14

Het LHCb experiment

p p

Het LHCb experiment is één van de 4 experimenten bij de nieuwe LHC versneller op CERN in Geneve


10/14

Met het voorgestelde team van 2 promovendi en 1 postdoc kan binnen 1 jaar na de opstart in 2008 al resultaat geboekt worden!

Vidi onderzoeks voorstel

Ik stel voor om signalen van Grand Unified Theories te vinden bij het LHCb experiment D.m.v. het meten van 3 vervalskanalen van het z.g. B-deeltje:

En een beetje geluk…

Eve

nts

Proper time (ps)

Bs→J/ψφ

bs

s

b

Bijvoorbeeld:


11/14

Drie manieren hoe observaties veranderen

Bs→J/ψφ: Jaarlijkse opbrengst: 120.000 events Meet phase verschil

B0→K*μ+μ-

Jaarlijkse opbrengst: 4.400 events, S/B~3

Meet hoek-asymmetrie

Bs→μ+μ-

Jaarlijkse opbrengst: 30 events Meet vertakkingsverhouding

K*

b s

μ

μx

s�b�

g̃�B0d

bs

sb

b s

μμ

g̃�Bs Bs

b

s

s

b

x

x

b�

b�

s�

s�g̃�

eiφ

Voor de experts …

Bs

b

s

μ

μ

x

s�

b�

g̃�


12/14

Bs→J/ψφ: Jaarlijkse opbrengst: 120.000 events Meet phase verschil

B0→K*μ+μ-

Jaarlijkse opbrengst: 4.400 events, S/B~3

Meet hoek-asymmetrie

Bs→μ+μ-

Jaarlijkse opbrengst: 30 events Meet vertakkingsverhouding

Drie manieren hoe observaties veranderen

Voor de experts … Eve

nts

Proper time (ps)

tan β20 3010 40 50

BR

(Bs→

μ+μ

- )

SM prediction

Tevatron bound

New physics

s (GeV2)

AF

B


13/14

Waarom ik?

De Vertex Locator is essentieel om de oscillatie precies te meten

• Cruciale detector ervaring De Trigger is cruciaal om efficiënt

de botsingen te selecteren De Outer Tracker is essentieel

voor goede resolutie

• Theoretische achtergrond• Uitgebreide analyse ervaring


14/14

10-35 s 10-12 s 300,000 s 13.7 109GUT Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present

1016 GeV 102 GeV 10-4 eV

Samenvatting No GUTs, no Glory:

a search for Grand Unified Theories with B-decays

• De Grand Unified Theories voorspellen meetbare effecten in LHCb• Mijn idee om deze 3 kanalen te combineren bij LHCb• Mijn ervaring is nodig voor goed functioneren van de detectoren• Nu is de tijd: Eind 2008 komen de eerste data

• Eind 2009 eerste resultaat verwacht ! Is er een Grand Unified Theory??

+ =

LHCb detectorNeutrinos massa!


15/14

Backup Slides


16/14

LHCb Dec 2006

Muon Calorimeters RICH2Trackers

Magnet

RICH1VELO


17/14

Plan

Research topic

Analyse focus Taken Ingredients Difficulty

PhD 1 RareDecay 1

Bs → μ+μ- Impuls resolutieMassa resolutie

OTalignering, calibratie, track fit

Di-μ trigger

Achtergrond

PhD 2 RareDecay 2

B → K*μ+μ- FB asymmetrie

Postdoc

Box diagram

Bs → J/ψ φ

└μ+μ-K+K-

Vertex resolutieProper time resol.

VELOalignering, calibratie, vertex fit

Di-μ trigger,Δms, tagging

Kennis van στ

Hoek analyse

• De kandidaat zal optreden als begeleider van de promovendi en samenwerken met de postdoc. Zowel als coördinator van het werk aan de VELO en Outer Tracker, als ook als leider in de eerste fase van de analyses.

• Een overlap bestaat met de Project Ruimte voor Bs→J/ψφ. De kandidaat zal samenwerken aan een gedeelde inspanning op dit project.

• Zowel de software als de hardware activiteiten passen goed binnen de bestaande groepsactiviteiten, omdat NIKHEF sterk vertegenwoordigd is binnen de VELO en Outer Tracker groep, en de tracking software groep.


18/14

Ervaring• Ervaring met de Trigger

N.Tuning for the collaboration, Como2003 ICATPP conference, p 298-302, Efficient Triggering with the LHCb Detector for Precise CP measurements.

N.Tuning, LHCb-2002-028, Tuning the super level 1 algorithm to the VELO-TDR geometry N.Tuning, LHCb-2003-039, Matching VELO tracks to L0 objects for L1

• Ervaring met de VELO N.Tuning for the collaboration, NIM A511:157-160,2003, A Vertex Trigger for the LHCb Experiment N.Tuning, LHCb-2003-073, L1-type clustering in the VELO on test-beam data and simulation

• Ervaring met de Outer Tracker N.Tuning, NIM (accepted), Tracking with the LHCb Spectrometer: Detector Performance and Track Reconstruction N.Tuning, IEEE2005, A High-Efficiency and High-Resolution Straw Tube Tracker for the LHCb Experiment N.Tuning et al, LHCb-2005-076, Beam Tests of Final Modules and Electronics of the LHCb Outer Tracker in 2005 N.Tuning et al, LHCb-2004-078, Outer Tracker Module Production at NIKHEF - Quality Assurance …

• Begrip van systematiek en analyse N.Tuning, LHCb-2003-157, Some Remarks on Systematic Effects of the Trigger and Event Generator Studies N.Tuning, MIAMI2005, Search for New Physics with the LHCb detector

• Begeleiding van studenten Werkcollege docent bij UvA Hoorcollege Particle Physics II (masterphase) Begeleider CERN zomer student programma Begeleider 2 bachelor studenten van de VU Begeleider 1 master student van de VU Begeleiding AIOs in R&D en analyse Co-promotor in Okt 2006 Begeleider AIO


19/14

Pileup VETO:• All 100%

LHCb: NIKHEF

OT:• Modules 50%• Materials 100%• Tooling 80%• FE electronics100%• Frames 100%

VELO:• Sensors 0%• RF-foil 100%• Readout chip 25%• Vacuum Vessel 100%• Bellow 100%• Cooling 100%

Reconstruction:• OT simulation 100% • Pattern recogn. 50%• Kalman fit 100%• Online tracking 25%

OT

VELO


20/14

Het model: SUSY SO(10)

(10)

1 116 16 10 16 16 10

2 2T T

SO f u f Hu f d f HdW Y Y

* 1

2D D D

u L R u u L R u L R d d R L d R RW Y Q U H Y L N H Q D H V Y U E L H MN N * DdV Y U

* *d

Dd CKM d MNS CKM s MNS

b

y

Y V Y U V y U

y

• YU bevat de top Yukawa coupling

• YU kiezen we symmetrisch. In de YU diagonale basis krijgen we voor Yd:

• Superpotentiaal: (16 zijn de fermionen, 10 Higgsen)

• Breek symmetrie naar SU(5)• Breek vervolgens naar MSSM (+rh ν):

* 1

2D D D

u L R u u L R u d d R L d R RW Y Q u H Y L H H V Y U e L H M * DL RdV Y U Q d

Neutrino mixing hoek doet squarks smix!

Neutrino mixinghoek

bR

~

Zonder neutrino massa, zouden we UMNS weg kunnen roteren

+

e

e

d

d

d

e,R

R

L

e

L

L

R

L

L

R

R

R

,

L

L

R

R

L

u

u

d

u

d

ν

e

u

d

u

e

d

d

ν

d

u

L

L

R

L

L

R

L

L

R

R

u

d

u

d

u

e

u

d

u

u


21/14

Oscillatie Massa

• Oscillatie tussen 2 toestanden, en het massaverschil tussen de 2 toestanden, zijn onlosmakelijk verbonden Massaloos lichtsnelheid “tijd staat stil” geen oscillaties

mogelijk

E

LmiUUUU jk

kjkkjjt 2

exp 2

,

**2

• Flavour eigentoestand ≠ massa eigentoestand

• Tijdevolutie

• Oscillatie waarschijnlijkheid gegeven door overgangs amplitude:

2 ( )* *

,

e i ji E E t

j j k ktj k

U U U U

• Oscillatie wordt bepaald door massaverschil:

L/E (km/GeV)

νμ↔ντ


22/14

Neutrino masses: seesaw

( )L

L cR

n

om

moM

D

TD

1( ) . .

2D C

L L R D L L D Rn Mn h c m m L

• Dirac masses:

• Majorana mass for right-handed ν:

D

D

mM

m M

2 214

2 Dm M M m

2Dm

mM

m M

Dm Dm M

From neutrino mixing: 0.05eV

v 246GeVD

m

m

1510 GeVRM

M cR R Rm L ν =ν

Relation between mν, MEW, MGUT

So SO(10) …• …contains the right handed neutrino and its mass

arrises naturally through the see-saw mechanism MνR ~v2/mν

MνR = (246 GeV)2/0.05eV = 1015 GeV = GUT scale


23/14

LHCb: Bs oscillations Bs

b

b

s

s t

tW W Bs

Proper time (ps)

Bs→ Dsπ

Eve

nts

0 00 0

0 00 0

( ) ( )cos( )

( ) ( )B B B B

B B B B

N t N tt

N t N tm

Δms=17.77 ±0.10(stat)±0.07(sys) ps-1

cos

(Δm

st)

Proper Time t (ps)

hep-ex/0609040

Expected LHCb performance:

σ(Δms)=0.01

g̃�Bs Bs

b

s

s

b

x

x

b�

b�

s�

s�

g̃�

Recently measured at the Tevatron:


24/14

New physics in the Box,after Δms?

Bs

b

b

s

s t

tW W Bs

Proper time (ps)

Bs→ Dsπ

Eve

nts

Expected LHCb performance:

σ(Δms)=0.01

g̃�Bs Bs

b

s

s

b

x

x

b�

b�

s�

s�

g̃�

(ms)= 0.035, (sin(2))=0.1

First constraint for NP in the Bs sectorStill plenty of room for NPLarge theoretical uncertainties: LQCDCourtesy S.T’Jampens, CKM fitter, Beauty2006

Now: LHCb 2 months:

L=0.2 fb-1

00

00

SM2 22 1

SM

NPs s

s s

B H B i ieff sr e es

B H Bef

ss

f

h


25/14

Hint for new physics from B-factories in bs?

sin2β

• sin2βbccs = 0.68 ± 0.03

sin2βpeng

B

J/ψ

Ks

b

d

c

c

s

d

φ

Ks

Bs

b

dd

sts?

• sin2βpeng = 0.52 ± 0.05

g,b,…?~~

Courtesy S.T’Jampens, CKM fitter, Beauty2006


26/14

Phase: BsJ/ψφ in LHCbA = CP odd & A0,|| = CP even

BsJ/ψφ (Bs tagged)

Proper time τ (ps)

~1+cos2θ

~1-cos2θ

cos(θ)

• B0sJ/ψφ:

Theoretically clean and experimentally easy:

• J/ψ(µµ)φ(KK):µµ trigger and 4 charged tracks

Annual yield: 120k events, S/B~3

• But need angular analysis Final state contains a mixture of CP-odd and

CP-even

• Fit for sin s, s and CP-odd fraction (needs external ms)

22 22 20 ||

( )( ) ( ) 1 cos ( ) 2 ( ) 1 cos ( )

cos( )

d tA t A t A t

d

2 2

0,|| 0,||

2 2

( ) (0) sin( )

( ) (0) sin( )

L

H

t ts s

t ts s

A t A e e m t

A t A e e m t

+

+

--

Large asymmetry means new physics


27/14

Voorspellingen (1)

Bs→J/ψφ: Meet extra phase dmv interferentie

van 2 diagrammen 120k events per jaar Verwacht: sinφs = 0.03 Precisie in 1 jaar: 0.03

Eve

nts

Proper time (ps)

Bs→ J/ψφ


28/14

Voorspellingen (2)

B0→K*μ μ

20 3010 40 50tan β

BR

(Bs→

μ+μ

- )

SM prediction

Tevatron bound

New physics

Bs→μ μ

m2μμ

AFB

1 jaar

s0=4.0±1.2 GeV2

B0→K*μ μ

Bs→μ+μ-

Jaarlijkse verwachte “opbrengst”: 30 evts Deze vervalsverhouding is erg gevoelig

voor Grand Unified Theory

B0→K*μ+μ-

Jaarlijkse “opbrengst”: 4400 events, S/B~3 Meet FB-asymmetrie


29/14

SM

Comparison to others

D0+CDF

CMS: • Mass resolution: 36 MeV• Nsignal = 6.1±0.6• Nbackground = 13.8 +22.0 - 13.8

• At 10 fb-1: BR( Bs→μ+μ- ) < 1.4 10-8Luminosity (fb-1)


30/14

LHC strategies for measurements of B →

LHC pp σ total = 100 mb σ inelastic = 80 mb σ bb = 500 mb

ATLAS/CMS Central detectors:Muons seen in transverse direction after 11 λ this limits m pT >3-6GeV

LHCb Forward detectorMuon detector in forward direction can be reach by μ of any pT

η - pT

one B ‘in’ |η| < 2.5 pT (B) > 9-10 GeV

σ ~ 100 mb

1.9 < η <4.9 pT (B) > 2.5 GeV

σ ~ 230 mb

Luminosityfor B physics

L = 2 × 1033 cm-2 s-1

rare B 1034 cm-2 s-1

L = 2 × 1032 cm-2 s-1

1 y Statistics B μ μ

1 y @ 1033 cm-2 s-1

~350 in fiducial volume ~7 after trig + signal selections(<20 backgr.)

1 y @ 2 × 1032 cm-2 s-1 ~161 in fiducial volume ~ 17 after trig + signal selections(<5.7 bckgr.)

Different layouts of LHC detectors - lead to different luminosity, trigger and offline strategies - different strategies in measurements of B →

Courtesy M.Smizanska, Beauty2006


31/14

Comparison to other experiments

BsDsπ Tevatron LHCb ATLAS

Mass resolution (MeV)

20 14 46

τ resolution (fs) 100 40 100

Tagging εD2 (%) 1.4 6 4

L (fb-1) 0.4 2 30

years 1 1 3

BsDsπ 900 80k 8k

S/B 2 3 >1

BsJ/ψφ Tevatron

LHCb ATLAS

CMS

L (fb-1) 0.260 2 30 10

years - 1 3 1

BsJ/ψφ 203 120k 300k 50k

S/B ~2 3 3 10

σstat(sin

2χ)

- 0.031

~0.03

0.028

Bsμμ Tevatron

LHCb ATLAS

CMS

PTμ min (trigger) 2 1.2 6 3

L (fb-1) 2 10 10

Mass resolution (MeV)

90 18 80 46

Bsμμ / year 1 30 9 7

background / year

4 <100 <20 <1

• Numbers obtained from various presentations in the last year No explicit blessing, just implicit...

GENERAL Tevatron

LHCb ATLAS/CMS

√s (TeV) 2 14 14

σ(pp bb)(μb) 100 500 500

L (cm-2s-1) 2008

4.1031 2.103

2

1033

BR @90%CL: <7.10-9

BK*μμ BaBar

LHCb

ATLAS

CMS

L(fb-1) 1000 2 10 10

BK*μμ / year 70 4400

4000 700

Documents

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 1/14 No GUTs, no Glory: a Search for Grand Unified