31
Studies of Semileptonic B Decays at LHCb Marco Fiore Università di Ferrara XXVIII Ciclo Tutor: DoD. Concezio Bozzi 26/11/13 Marco Fiore 1

Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Studies  of  Semileptonic  B  Decays  at  LHCb    Marco  Fiore  

Università  di  Ferrara  -­‐  XXVIII  Ciclo  Tutor:  DoD.  Concezio  Bozzi  

26/11/13   Marco  Fiore   1  

Page 2: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Outline    •  Semileptonic  B0 Decays:  

1.  Theory  &  MoPvaPon;    2.  B0-­‐>D*-­‐µ+ν sample;  3.  Monte  Carlo  Studies;  4.  Conclusions  

•  Summary  

26/11/13   Marco  Fiore   2  

Page 3: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Neutral  B  mixing  and  CP  ViolaPon  •  Neutral  B  mesons:  mass  eigenstates  are  not  flavour  

eigenstates                                                                                      ;    〉±〉=〉 qqHL BqBpB ||| ,

3  

Prob(B0;  B0(t))=  

Prob(B0;  B0(t))=  

!U (t) = e"!t (1+ cos#mt) / 2

!M (t) = e"!t pq

2

(1" cos#mt) / 2

Current  WA      Δmd=  (0.510  ±  0.004)  ps-­‐1  

26/11/13  

Page 4: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Flavour  specific  asymmetries  B0  à  D*-­‐  µ+  ν    is  a  flavour  specific  decay,  we  can  compute  

afs =!(B0 " B0 " D*#µ+!µ )#!(B

0 " B0 " D*+µ#!µ )!(B0 " B0 " D*#µ+!µ )+!(B

0 " B0 " D*+µ#!µ )

4  26/11/13  

Current  WA    afsd=  (-­‐0.03  ±  0.20)  %  

afsd (!10"2 )

afss (!10"2 )

Page 5: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

B0àD*-­‐µ+ν;  D*-­‐àD0πsl-­‐;  D0-­‐>K+π-­‐  

26/11/13   5  

We  have  500k  signal  events  with  2011  data,  including  also  2012  data  (2M  events  in  total)  we  get  a  staPsPcal  error  on  Δmd  of  0.002  (half  the  error  from  the  world  average)  and  of  0.18%  on  afs  (from  the  WA  it  is  0.20%).  

Page 6: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Decay  Pme  •  For  oscillaPon  and  CPV  studies  it  is  required  to  compute  the  decay  Pme:    

                       where  k  is  a  correcPon  due  to  the  missing  neutrino  and  is  parameterized  as  a  funcPon  of  momentum  and  invariant  mass  of  detectable  parPcles    •  k-­‐factor  can  be  computed  from  Monte  Carlo  but  there  are  limitaPons  due  to:  

•  StaPsPcs;  •  ProducPon  mechanisms;  •  Decay  dynamics;  •  Limited  knowledge  of  processes  that  are  indisPguishable  from  signal  (e.  g.    B-­‐>D*µνX);  

What  is  the  impact  of  all  this?  How  can  we  put  remedy  to  these  limitaPons?  

26/11/13   Marco  Fiore   6  

t = mB

pBd = d *mB

pD*µk k =

pD*µpB

Page 7: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

MC  Studies  •  The  idea  is  to  generate  several  sets  of  MC  samples  (~50M  

events  each)  with  different  parameterizaPons  of  poorly  known  quanPPes,  in  order  to  assess  their  impact  on  systemaPc  uncertainPes;  

•  Performing  these  studies  on  the  Full  SimulaPon  would  require  excessive  compuPng  Pme.  Therefore,  we  generate  the  decay  of  interest  and  simulate  the  detector  response  parametrically;  

•  We  compare  the  parameterized  Monte  Carlo  with  the  Full  Monte  Carlo  SimulaPon.  We  must  check  the  observables  to  be  in  good  agreement  with  the  Full  SimulaPon.  

7  26/11/13   Marco  Fiore  

Page 8: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Smearing  •  We  apply  smearing,  detecPon  efficiencies  and  other  

correcPons  only  to  the  signal  parPcles.  Given  the  kinemaPcal  range  of  the  signal  parPcles,  we  do  not  apply  any  momentum  resoluPon;  

•  B0  decay  length;  •  z(B0)  –  z(PV);  •  z(D0)  –  z(B0);  •  Cuts  on  IPPV,  p,  pT;  •  µ  &  K  simulated  PID;  •  MagnePc  Field  Effect;  •  Trigger  

8  26/11/13  

Bd  

νµ

µ+  

D*-­‐  

πs-­‐  

_  D0  

K+  

π-­‐  

PV  

Marco  Fiore  

Page 9: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

ResoluPons  from  Full  SimulaPon  

26/11/13   Marco  Fiore   9  

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.20

2000

4000

6000

8000

10000

dReco-dTrue hdEntries 229318Mean 0.002176RMS 0.04804

dReco-dTrue

0 1 2 3 4 5 60

2000

4000

6000

8000

10000

dReco hdREntries 229318Mean 1.237RMS 1.052

dReco

0 1 2 3 4 5 60

2000

4000

6000

8000

10000

dTrue hdTEntries 229318Mean 1.235RMS 1.053

dTrue

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

z(B0)-z(PV) histozPVEntries 229318Mean 0.01068RMS 0.4989Underflow 4921

/ ndf 2χ 388.1 / 141Prob 5.98e-25p0 13.3± 5921 p1 0.0099± 0.3331 p2 0.00117± 0.00439 p3 0.0024± 0.1683 p4 0.00690± 0.04729 p5 0.021± 1.029 p6 0.0070± 0.2161 p7 0.002117± 0.003795 p8 0.0071± 0.3987

z(B0)-z(PV)

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20

1000

2000

3000

4000

5000

z(D0)-z(B0) histozD0Entries 229318Mean -0.008016RMS 0.6525Underflow 6541

/ ndf 2χ 468.8 / 141Prob 8.086e-37p0 60.5± 6046 p1 0.0166± 0.2249 p2 0.002732± 0.004991 p3 0.0077± 0.2494 p4 0.00338± -0.01079 p5 0.0227± 0.5629 p6 0.0127± 0.5073 p7 0.01495± -0.03441 p8 0.2± 1.5

z(D0)-z(B0)

mm

mm

mm

Page 10: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

PID  efficiency  from  real  data  

is expected, since tracks with higher transverse momentum traverse the detector at higher215

polar angles, in the lower occupancy regions. The proton misidentification probability is216

smaller than 0.5% for all pT ranges and momentum above 30GeV/c. It drops quickly with217

momentum for the lowest pT ranges, reaching a plateau at about 30-40 GeV/c. The pion218

and kaon misidentification probabilities have a similar behavior, increasing with decreas-219

ing pT . Above 40 GeV/c, the pion misidentification probability is almost at the level of the220

proton misidentification probability. At low momentum, decays in flight are the dominant221

source of incorrect identification, as can be seen from the difference between the pion/kaon222

and proton curves. While the proton misidentification probability, within the pT intervals223

chosen, lies within 0.1-1.3%, the pion and kaon misidentification probabilities are within224

Momentum [GeV/c]0 20 40 60 80 100

IM!

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

<1.7 [GeV/c]T

0.8<p

<3.0 [GeV/c]T

1.7<p

<5.0 [GeV/c]T

3.0<p

>5.0 [GeV/c]T

p

<1.7 [GeV/c]T

0.8<p<3.0 [GeV/c]

T1.7<p

<5.0 [GeV/c]T

3.0<p>5.0 [GeV/c]

Tp

LHCb(a)

Momentum [GeV/c]0 20 40 60 80 100

)µ!

(pIM

"

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

<0.8 [GeV/c]T

p<1.7 [GeV/c]

T0.8<p

<3.0 [GeV/c]T

1.7<p<5.0 [GeV/c]

T3.0<p

LHCb(b)

Momentum [GeV/c]0 20 40 60 80 100

)µ!"(

IM#

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

LHCb(c)

Momentum [GeV/c]0 20 40 60 80 100

)µ!

(KIM

"

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

LHCb(d)

Figure 5: IsMuon efficiency and misidentification probabilities, as a function of momen-tum, in ranges of transverse momentum: εIM (a), ℘IM(p → µ) (b), ℘IM(π → µ) (c) and℘IM(K → µ) (d).

9

26/11/13   Marco  Fiore   10  

Page 11: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

MagnePc  field  effect  

•  The  LHCb  magnet  has  a  bending  power  of  4Tm.  Since  p(GeV)  =  0.3B(T)R(m)  we  correct  for  the  Lorentz  force  due  to  the  magnet  field  (along  the  y  axis)  by  giving  a  “kick”  to  px  of  ±1.2  GeV;  

•  (x,y)µ,π,K,πsl  required  to  be  in  the  acPve  regions  of  tracking  detectors;  

•  Same  for  (x,y)µ  with  respect  to  muon  staPons  11  26/11/13   Marco  Fiore  

Page 12: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Trigger  

•  A  parametric  descripPon  of  trigger  lines  is  not  straighworward.  The  reason  is  that  informaPon  available  in  the  Full  SimulaPon  are  not  accessible  in  parameterized  Monte  Carlo;  

•  Therefore,  we  limit  our  studies  to  trigger  lines  which  can  be  reproduced  by  simple  cuts  on  signal  parPcles;  

12  26/11/13   Marco  Fiore  

Page 13: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

k-­‐factor  matching  

26/11/13   Marco  Fiore   13  

k_binM_3_binP_2_GLb

Entries 44150.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.10

100

200

300

400

500

k_binM_3_binP_2_GLb

Entries 4415

kFactor

k_binM_3_binP_5_GLb

Entries 12200.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

k_binM_3_binP_5_GLb

Entries 1220

kFactor

MC11  =  yellow  GL  =  red  

MC11  =  yellow  GL  =  red  

Page 14: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Momentum  distribuPons  

14  0 100 200 300 400 500 600

310×0

2000

4000

6000

8000

10000

B0 momentumpBzero

Entries 244030

Mean 1.188e+05

RMS 7.751e+04

B0 momentum

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 400000

2000

4000

6000

8000

10000

B0 transverse momentumptBzero

Entries 244030

Mean 8098

RMS 4497

B0 transverse momentum

MC11  =  yellow  MC12  =  green  GL  =  red  

26/11/13   Marco  Fiore  

Page 15: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

15  

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

theta muonthmu

Entries 213129Mean 0.1129RMS 0.06733

theta muon

0 1 2 3 4 5 6 70

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

phi muonphimu

Entries 213129Mean 3.136RMS 1.807

phi muon

0 1 2 3 4 5 6 7 80

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

eta muonetamu

Entries 213129Mean 3.069RMS 0.6624

eta muon

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100310×0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

muon momentumpMuon

Entries 213129

Mean 2.941e+04

RMS 2.1e+04

muon momentum

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 140000

2000

4000

6000

8000

10000

muon transverse momentumptMuon

Entries 213129Mean 2749RMS 1882

muon transverse momentum

MC11  =  yellow  MC12  =  green  GL  =  red  

26/11/13   Marco  Fiore  

Page 16: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

16  

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

theta slow pionthslpi

Entries 213129Mean 0.09152RMS 0.0524

theta slow pion

0 1 2 3 4 5 6 70

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

phi slow pionphislpi

Entries 213129Mean 3.138RMS 1.8

phi slow pion

0 1 2 3 4 5 6 7 80

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

eta slow pionetaslpi

Entries 213129Mean 3.25RMS 0.598

eta slow pion

0 5000 10000 15000 20000 25000 300000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

SlowPion momentumpSlowPion

Entries 213129Mean 4529RMS 3297

SlowPion momentum

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

SlowPion transverse momentumptSlowPionEntries 213129Mean 327.4RMS 189.5

SlowPion transverse momentum

MC11  =  yellow  MC12  =  green  GL  =  red  

Page 17: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Conclusions  

•  Semileptonic  B  decays  offer  the  highest  staPsPcal  power;  •  The  fast  simulaPon  is  very  useful  to  study  systemaPc  

uncertainPes,  however  it  needs  more  tuning  (work  in  progress);  

•  In  principle  this  could  also  be  a  very  important  tool  for  the  whole  collaboraPon,  provided  it  is  generalized;  

26/11/13   17  

Page 18: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Summary  •  In  my  first  year  I  worked  on  the  development  of  a  fast  and  simplified  Monte  Carlo;  

•  Status  of  my  work  was  presented  regularly  at  the  Ferrara  LHCb  group,  to  the  LHCb  SimulaPon  Working  Group  and  to  the  Semileptonic  Asymmetry  Working  Group;  

•  I  also  worked  on  the  data  acquisiPon  system  of  a  prototype  for  the  LHCb  Muon  Detector  to  be  installed  axer  the  second  LHC  long  shutdown;  

•  In  October  I  performed  tests  on  the  Front  End  electronics  of  the  LHCb  Muon  Detector,  to  be  concluded  in  December;  

26/11/13   Marco  Fiore   18  

Page 19: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Other  AcPviPes  •  I  parPcipated  to  the  Hadron  Collider  Summer  School  in  Goeyngen,  Germany  where  I  gave  a  seminar  talk  about  “Bayesian  Inference”;  to  the  Cabeo  School  in  Ferrara  about  Physics  beyond  Standard  Model  and  to  a  detector  school  in  Legnaro  (PD);  

•  I  parPcipated  to  the  InternaPonal  Conference  on  B-­‐Physics  at  Hadron  Machines  (Beauty)  in  Bologna;  

•  I  aDended  three  ParPcle  Physics  seminars  at  the  Physics  Department  in  Ferrara;  

•  I  aDended  the  LHCb  Analysis&Soxware  Week  at  CERN  and  will  aDend  the  next  LHCb  week  in  December  

26/11/13   Marco  Fiore   19  

Page 20: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

26/11/13   Marco  Fiore   20  

Backup  Slides    

Page 21: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Muon  Detector  Front-­‐End  Board  CalibraPon  

26/11/13   Marco  Fiore   21  

Page 22: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

LHCb  (muon)  detector  

26/11/13   Marco  Fiore   22  

Page 23: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

A  MulP  Wire  ProporPonal  Chamber  

•  Gas  detector  (Ar,  CO2,  CF4);    •  The  signal  can  be  read  on:  – Wire:  anode  à  negaPve  charge  collecPon  – Pad:  cathode  à  posiPve  charge  collecPon  

•  LHCb  MWPCs  have  both  readings  mode  – FEBs  for  anodic  (negaPve)  reading  [AN]  – FEBs  for  cathodic  (posiPve)  reading  [CP]  

•  For  the  short  LHC  upgrade  it’s  needed  to  test  the  spare  FEBs  (≈    800)  

26/11/13   23  Marco  Fiore  

Page 24: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

A  Front-­‐End  Board  of  the  Muon  Detector  

•  Each  Region(R1,R2,R3,R4)  of  MD  has  a  different  number  of  FEBs  per  MWPC;  

•  Each  FEB  has  16  channels;  •  One  FEB  can  be  used  in  anodic  or  cathodic  readings;  •  One  FEB  is  a  PCB  with  three  chips:  

2  CARIOCAs:  analog  part  (amplificaPon  and  discriminaPon  8+8)    1  DIALOG:  digital  part  (logical  combinaPon  of  discriminated  signal,  internal  

counter  for  measuring  the  rate)  

T  O  P  

B  O  T  T  O  M  

26/11/13  Marco  Fiore  

24  

Page 25: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

FEBs  TEST:  goal  

1.  Check  if  they  are  workable;  2.  Measurement  of  the  electronic  noise  –  Dark  Rate  Threshold  scan  -  EvaluaPon  of  the  RMS  

3.  FEB  Ranking;  4.  SubsPtuPon  of  broken  or  noisy  FEBs  

currently  on  the  detector  with  the  tested  ones  

26/11/13   25  Marco  Fiore  

Page 26: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

FEBs  test:  setup  

•  a  tester  MWPC  [M2R2]  because  it  has  the  most  complicated  reading  approach;  

•  6AN  +  8CP  =  14FEBs  connected  to  the  tester;  •  The  tests  were  done  only  in  the  CP  posiPons,  because  we  just  need  the  FEB  to  see  a  MWPC;  

•  Readout  electronics;  •  Power  supply  (HV  àM2R2  and  LV  à  FEB)  

26/11/13   26  Marco  Fiore  

Page 27: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

1)  Tester  MWPC  

2)  4  FEBs  (right  side)  connected  to  tester  MWPC  

3a)  Readout  electronics  4)  PC  for  data  acquisiPon  

3b)  LV  Power  supply  

27  Marco  Fiore  

Page 28: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Data  AcquisiPon  

DIALOG  0  AN  9    Ch                  Thres                          Rate(KHz)                                  Mean                                    RMS  01                    071                            004111.34                                71.01                                  4.06  02                    071                            002935.45                                70.58                                  4.03  03                    065                            003117.48                                65.31                                  3.75  04                    075                            001079.69                                74.70                                  2.88  05                    063                            000944.92                                62.92                                  2.90  06                    066                            000825.69                                66.17                                  2.59  07                    067                            001108.34                                66.76                                  2.59  08                    066                            000777.94                                66.27                                  2.02  09                    069                            001859.37                                68.77                                  3.75  10                    070                            001388.11                                69.76                                  2.88  11                    061                            001543.64                                60.63                                  3.45  12                    068                            002721.11                                67.87                                  3.16  13                    074                            001082.28                                74.17                                  2.95  14                    068                            000457.75                                68.20                                  2.01  15                    068                            001995.69                                68.13                                  3.17  16                    067                            000485.21                                66.39                                  2.04  

1)  Threshold  scan:  for  each  threshold  the  dark  rate  is  measured;  2)  The  mean  and  RMS  of  the  Rate  DistribuPon  as  a  funcPon  of  the  threshold  are  evaluated;  

3)  As  a  reference  we  took  the  <RMS>  of  all    Channels  of  all  FEBs;  4)  Then  we  evaluated  the  pull  defined  as:    

!

pulli =RMSi " RMS

#tot26/11/13   28  Marco  Fiore  

Page 29: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Data  Analysis  AN  (315  FEBs)  

•  STRATEGY:  in  each  FEB  we  evaluate  the  pulli  (i=1,…,16)  mean  value  and  rank  the  FEBs  in  four  categories:  – A:  very  good  (pull  <=  -­‐0.30)  à  30  FEBs  =  10%  – B:  good  (-­‐0.30  >  pull  >=  0.15)  à  241  FEBs  =  76%  – C:  noisy  (0.15  >  pull  >=  2.00)  à  33  FEBs  =  10%  – D:  very  noisy  (pull  >=  2.00)  à  11  FEBs  =  4%  

26/11/13   29  Marco  Fiore  

Page 30: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Data  Analysis  CP  (301  FEBs)  

•  STRATEGY:  in  each  FEB  we  evaluate  the  pulli  (i=1,…,16)  mean  value  and  rank  the  FEBs  in  four  categories:  – A:  very  good  (pull  <=  -­‐0.30)    à  59  FEBs  =  20%  – B:  good  (-­‐0.30  >  pull  >=  0.15)  à  141  FEBs  =  47%  – C:  noisy  (0.15  >  pull  >=  2.00)  à  97  FEBs  =  32%  – D:  very  noisy  (pull  >=  2.00)  à  4  FEBs  =  1%  

26/11/13   30  Marco  Fiore  

Page 31: Studiesof Semileptonic(B Decays(at( LHCb(

Conclusion  

•  616  FEBs  were  tested;  •  We  studied  the  electronic  noise  and  classified  them;  

•  More  than  70%  of  them  can  be  considered  good;  

•  We  are  aware  that  CP  FEBs  are  more  noisy;  •  Residual  FEBs  will  be  tested  in  December  2013  

26/11/13   31  Marco  Fiore