Heavy flavour spectroscopyat LHCb

Moriond QCD, La Thuile

23rd March 2016

Paolo GandiniUniversity of Oxford

on behalf of the LHCb collaboration

paolo.gandini@cern.ch

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 2

Outline● Several new results produced for winter conferences● I will concentrate only on newest results available● Heavy flavour spectroscopy is a rich and active field

 Observation of a resonance in the Ξb-π+ mass spectrum 

 Measurement of the mass and lifetime of the Ωb baryon

 Model­independent analysis of Λb → J/Ψ p K-

 New searches for interesting final states

 Tetraquark searches at LHCb in Bsπ

New!

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 3

LHCb Detector

● Forward spectrometer● Good Vertex measurements● Precise Tracking● Excellent PID up to 100 GeV● Versatile Trigger

Fully instrumented: 2 < η < 5

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 4

Observation of a resonance in the  Ξb-π+ mass spectrum 

Ξb ∗→ Ξb

-π+

LHCb-PAPER-2016-010

New!

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 5

Introduction● LHCb has successfully observed two Ξb

∗ charged states● Now look for the neutral ● CMS published in 2012 the observation of  Ξb

0∗

● Aim is to confirm CMS observation and measure width 

● Full Run1 dataset● Use a fully hadronic decay of the Ξb● Look near threshold● Fit with RBW convolved with resolution function from MC (BKG is a threshold function)

No other significant structure at higher mass

PRL 114, 062004 (2015)

PRL 108, 252002 (2012)

Preliminary

LHCb-PAPER-2016-010

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 6

Results• We observe one resonant state with the following properties:

Systematics

• We also perform a relative production measurement• Relative efficiency is taken from MC• Several cross­checks   correct for MC/Data differences→

Need to take into account only the efficiency of the “slow” pionMost systematics cancel out

Most Ξb mesons produced come from higher resonances

LHCb-PAPER-2016-010

CMS PRL 108, 252002 (2012)

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 7

Conclusions● We see a consistent picture with CMS (10x precision)● The state is consistent with the JP = 3/2+ resonance expected in the quark model● Most precise determination of the mass and the first measurement of the width

 ● We see only ONE state above  Ξb

-π+ threshold● But TWO are expected in this region (Ξb

' Ξb* ) 

● Therefore   lower state is below the → Ξb-π+ threshold

● Has to decay via neutral particle

  → Ξb0π0 

 → Ξb0γ

Depending on how below threshold 

LHCb-PAPER-2016-010

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 8

Ωb → Ωc π

New!

LHCb-PAPER-2016-008

Measurement of the mass and lifetime of the Ωb baryon

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 9

Introduction● Recent measurement of Λb Ξb

- Ξb0 lifetimes by LHCb have reached < 1­2% precision

● Naive Heavy Quark Effective Theory predicts lifetime hierarchy:

● Current experimental results dominated by LHCb:

● Ωb events are still rare   all measurement statistically limited→• Low production in hadronic collisions• Presence of flying hyperons• So far only studied by LHCb  in  Ωb  J/→ Ψ Ω

• Look for fully hadronic decays• All daughters in the VELO

● Perform a relative lifetime measurement with respect to similar decay

20142014

2014

Phys.Lett. B736 (2014) 154-162

LHCb-PAPER-2016-008

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 10

Lifetime

● Idea: measure signal yield in lifetime bins● Used before in many analyses performed by LHCb

● Signal decay distribution: Exponentials ⊗ Acceptance function● Shape parameters fixed to full fit ● The efficiency corrected yield ratio is then:

● Fit data with a simple exponential ● Use known lifetime of the control mode to get an absolute value

PRL 109, 152002 (2012)PLB, 734, (2014) 122PRL 112, 111802 (2014)PRL 113, 172001 (2014)

LHCb-PAPER-2016-008

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 11

Lifetime● Same selection for signal and control mode ● MVA selection● Reconstruct 60 signal event● Binning scheme optimized with pseudo­exper● Check any possible bias● Ratio of efficiencies taken from MC

Ratio of yields

Preliminary

Preliminary

Phys.Lett. B736 (2014) 154-162

LHCb-PAPER-2016-008

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 12

New!

Model­independent analysis of Λb → J/Ψ p K-

LHCb-PAPER-2016-009

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 13

Introduction● LHCb recently observed pentaquarks candidates in  Λb → J/Ψ p K-

● Rich spectrum of  * resonancesΛ● Pentaquark amplitudes required to describe the spectra

PRL 115 072001(arXiv:1507.03414)

● Can structures in J/ p be due to  * resonances not accounted for in the model?ψ Λ● Same dataset as previous model dependent analysis   model independent analysis→● 26000 signal events with 5.4% background● Essentially a 2­D Dalitz plot analysis working under the assumption that only  contributions from resonances decaying to Kp are present● Referred to as the H0 (i.e. “null”) hypothesis.● One can then demonstrate compatibility/incompatibility with the data.

LHCb-PAPER-2016-009

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 14

Methodology● We work with the “rectangular” Dalitz variables mKp and cosθΛ ● Describe resonance structure in (mKp and cosθΛ) with Legendre polynomials● Detailed description of the analysis in the paper● Summarise here only the key points

Use PDG to get lmax

● Data is efficiency corrected● Same efficiency parametrization as in the amplitude analysis  

● We generate a high statistics toy data sets to illustrate possible  contributions to the moments from:

–  statesΛ∗– Pc states

●  No interpretations are imposed on the mKp distribution: interpolation

Preliminary

LHCb-PAPER-2016-009

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 15

Null hypothesis● Null hypothesis pseudo experiments

● We can project the “null hypothesis” on mJ/Ψp distribution● Projection on mJ/ΨK also shows clear discrepancies

Preliminary

Preliminary

Preliminary

H0 null hyp H0 null hyp

LHCb-PAPER-2016-009

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 16

Summary● We have demonstrated that conventional Kp contributions fail to reproduce the data with minimal assumptions on their spins, and without any assumptions on their number, shapes or how they interfere.

● Non­Kp contributions must be present in the data, and can be either of – the exotic hadron type– or due to rescattering effects among ordinary hadrons. 

● Quantitatively, we can reject this H0 hypothesis at over 9 sigma

● This analysis adds to the previous model dependent evidence for exotic pentaquark states from the amplitude analysis of the same data set

LHCb-PAPER-2016-009

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 17

New!

Observation ofΛb → Ψ(2S) p K- and Λb → J/Ψ π π p K-

and precise measurement of the Λb baryon massLHCb-PAPER-2015-060

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 18

LHCb-PAPER-2015-060

Λb → Ψ(2S) p K- and Λb → J/Ψ π π p K-

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 19

New!

Search for Bc decays to ppπ final stateLHCb-PAPER-2016-001

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 20

● Charmless   should decay via annihilation diagram→● Look below the charmonium threshold mpp < 2.85GeV● Use B+ as control mode, same final state● BDT selection   fit in bins of BDT response→● B signal:

LHCb-PAPER-2016-001

Search for Bc decays to ppπ final state

Preliminary Preliminary

● No significant Bc signal is found● Set an upper limit

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 21

New!

Tetraquark searches at LHCb in BsπLHCb-CONF-2016-004

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 22

Tetraquark searches at LHCb in Bsπ

● D0 announced a new state on 24 Feb: X(5568)   B→ sπ arXiv:1602.07588● CERN seminar 21 March (Monday)● High production rate and significance of 5.1sigma● Generated several citations   investigation by other collaborations→

Nev = 5582 ± 100

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 23

Tetraquark searches at LHCb in BsπLHCb-CONF-2016-004● Very large, clean Bs samples, different final states

46k66k

● Slightly different selection compared to what shown at Moriond QCD● Add a pion   no peak observed at 5568 MeV→● Several cross check with B plus pion modes● We can put an UL on production

Resolution on mass < 1MeVBW + poly bkg

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 24

Conclusions

●  Presented only newest analyses performed by LHCb

●  Confirmed the observation of Ξb∗0 , measured its width and production

● Performed lifetime analysis of Ωb  baryon in hadronic final state

● Performed model­independent analysis of Λb → J/Ψ p K-

conventional Kp contributions fail to reproduce the data   

●  No evidence of a tetraquark state in Bsπ at LHCb with 10x D0 statistics

New!

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 25

Backup Slides

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 26

Ξb ∗→ Ξb

-π+

Preliminary

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 27

Model­dependent analysis of Λb → J/Ψ p K-

● Λb → J/Ψ p K-  used for precise lifetime measurement● Full dataset   26k events with 5% background→● Unexpected peak in  J/Ψ p

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 28

Model­dependent analysis of Λb → J/Ψ p K-

● 6D amplitude fit● Amplitude model includes all known Λ* states● Tried to fiit without J/ψp states● Adding further higher resonances and other cross checks● Fit without Pq:

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 29

Model­dependent analysis of Λb → J/Ψ p K-

● Adding two pentaquarks● LHCb analysis added 2 Pc states● Good fit even with reduced Λ* set●

● Resonant behaviour● Preference for JP =(3/2-,5/2+)● Phase rotation visible● Need to confirm quantum numbers

23rd March 2016 Paolo Gandini ­ Moriond QCD 30

Cross­checks on Tetraquark