Mesure de la violation de CP avec BaBar

C'est donc la violation de CP dans l'interference entre le melange et les desintegrations qui va ^etre mesuree dans un premier temps avec BaBar.

A

CP est proportionnelle a sin 2



lorsque l'etat nal reconstruit est, entre autres modes,

J=

+ K0S ou encore D+D; $1]. De la m^eme facon, l'asymetrie observee lors de la reconstruction du B0 en

ou en



pourrait permettre de donner une mesure de



. Selon les etats nals, l'acces aux parametres du triangles est plus ou moins aise. En eet, certaines de ces mesures sont compliquees par l'existence de pingouins (electrofaibles ou forts) qui introduisent une phase supplementaire. Le detecteur BaBar a ete concu pour permettre de reconstruire, avec une bonne e!cacite, les modes nals avec lesquels il sera possible de mesurer la violation de CP.

Les rapports d'embranchement du B dans les etats propres de CP sont faibles, c'est pourquoi il importe de produire des mesons B en tres grande quantite. Le collisionneur PEP-II (decrit chapitre 2) a ete construit specialement avec cet objectif. Il fonctionne a tres haute luminosite, et l'energie est ajustee de facon a produire la resonance "(4S). Cette resonance se desintegre en une paire coherente de B et B a quasiment 100%. La fonction d'onde de cette paire est an-tisymetrique. Ceci implique que les deux mesons sont a tout moment dans des etats de saveur opposes jusqu'a la desintegration de l'un des deux. Apres cette desintegration, le second meson continue d'evoluer seul.

Pour mesurer l'asymetrie

A

CP(

t

), il faut conna^ tre la saveur du meson B neutre reconstruit en etat propre de CP a l'instant

t

= 0. Dans BaBar,

t

represente l'intervalle de temps entre les desintegrations des deux mesons. En eet, si l'un des mesons se desintegre en etat propre de CP, sa saveur a l'instant

t

tag ou l'autre meson se desintegre, peut ^etre connue gr^ace a l'etude des produits de desintegration de ce meson (c'est le principe de letiquetage decrit dans le pa-ragraphe suivant). Si le meson se desintegre en etat propre de CP a l'instant

t

CP, l'intervalle de temps entre le moment ou sa saveur est determinee, et celui ou il se desintegre, vaut

t

CP;

t

tag. Pour xer les idees, si

t

tag est inferieur a

t

CP, l'etude de la desintegration du meson a

t

tag peut permettre de determiner sa saveur et, par ricochet, celle du meson qui va continuer a osciller jusqu'a sa desintegration a

t

CP. Le temps t qui intervient dans l'expression de

A

CP(

t

) est donc egal a

t

CP ;

t

tag.

Si, au contraire,

t

tag est superieur a

t

CP, ce raisonnement est toujours vrai: dans ce cas, l'etat du meson se desintegrant a

t

CP est obtenu en calculant la saveur de l'autre meson a ce temps

t

CP. En connaissant la saveur de ce meson a

t

tag, il est en eet possible de la determiner a

t

CP

en etudiant la facon dont evolue ce meson sur l'intervalle de temps

t

CP ;

t

tag.

Dans tous les cas, si l'un des mesons de desintegre en un etat propre de CP utile pour determiner l'un des angles du triangle d'unitarite, il contribuera a la mesure de

A

CP(

t

) en considerant que

ψ

J/ ψ K

⁰s

B

_CP⁰

B

_Tag⁰ 00 00 11 11 00 00 11 11 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111

J/

000000 111111

t

00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 11111 11111 11111 11111 11111 11111 11111 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 000 000 000 000 111 111 111 111 000 000 000 000 000 000 000 000 111 111 111 111 111 111 111 111 ⁰⁰⁰⁰⁰⁰ 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 000000000 000000000 111111111 111111111

K

⁰s

∆ z= βγc ∆

Figure 1.5: Illustration d'un evenement ou l'un des B se desintegre en etat propre de CP. L'autre meson (Btag) va servir a l'etiqueter. L'intervalle de temps entre les deux desintegrations est donne par la mesure de la distance entre les points de desintegration des deux B. Les deux quantites sont reliees par le produit



qui depend de l'impulsion de l'"(4

S

). Dans le cas de PEP-II, ce produit



vaut 0.56.

L'equation 1.36 montre que l'asymetrie

A

CP(

t

) est toujours proportionnelle a sin)

mt

. Cette quantite integree sur le temps est nulle, c'est pourquoi la mesure de

t

est indispensable pour deduire les valeurs de



et



a partir de

A

CP.

t

est determine gr^ace a la distance entre les deux points de desintegration des mesons B0 et B⁰ (voir gure 1.5). Les deux mesons ne doivent donc pas se desintegrer au m^eme point car dans ce cas,

t

n'est pas mesurable. Or dans le centre de masse de l'"(4S), les B sont produits quasiment au repos. Pour eviter ce probleme, les faisceaux du collisionneur PEP-II sont asymetriques. Dans ce cas, la resonance n'est pas produite au repos et la dierence de temps de vol entre les deux mesons devient mesurable. Ces caracteristiques du collisionneur sont detaillees chapitre 2.

D'autre part, pour mesurer avec precision la position des mesons au moment de leur desintegration (donc pour mesurer

t

), un detecteur de vertex performant a ete concu pour BaBar. C'est un detecteur au silicium dont la resolution sur chaque vertex doit ^etre meilleure que 80



m, a n de separer les positions des points de desintegration du B0 et du B⁰. Ce detecteur, le SVT, est decrit section 1.2.1.

Comme cela a ete explique la nature du meson qui se desintegre en etat propre de CP est connue au moment ou se desintegre l'autre meson. Ce procede est appele l'etiquetage: la connaissance de la saveur de l'un des mesons permet d'etiqueter l'autre. Pour conna^ tre la saveur du meson etiquetant, une reconstruction complete serait trop co^uteuse en e!cacite. La methode qui a ete developpee consiste a commencer par reconstruire completement le meson qui s'est desintegre en etat propre de CP. Les traces encore non utilisees de l'evenement sont alors de facto les produits de desintegration du meson etiquetant. La nature de ce meson peut ^etre determinee a partir de la charge des leptons ou des kaons qui se trouvent parmi les produits de sa desintegration. Ce procede utilise l'etroite correlation existant entre les charges de ces particules et celle du quark b. La gure 1.6 illustre cette correlation.

Dans le cas de l'etiquetage par les leptons, d'autres variables que la charge (telles que l'im-pulsion) peuvent ^etre utilisees pour determiner la nature du meson B neutre. Elles permet-tent en partie d'eviter les erreurs sur l'etiquetage dues aux leptons secondaires. Dans le cas de l'etiquetage par les kaons, il n'y a pas d'autres variables discriminantes que la charge.

. . -l ^l+ K-u -W ^l W^{+ νl} . ν c -d ^-d s -b

Figure 1.6: Le principe de l'etiquetage. Le signe du kaon ou celui des leptons permet de determiner la saveur du quark b. Le lepton issu de la desintegration du b en c avec emission du W est appele le lepton primaire tandis que le lepton obtenu lors de la desintegration du c en s est le lepton secondaire. Les charges de ces deux leptons sont dierentes et il importe de pouvoir les dierencier pour eviter les erreurs d'etiquetage. La discrimination s'eectue gr^ace a des variables comme (entre autres exemples), l'impulsion du lepton, l'impulsion manquante d'un evenement, l'angle entre la direction du lepton et celle de l'impulsion manquante du B etiquetant...

les particules etiquetantes soient reconstruites et surtout bien identi ees. L'identi cation des leptons s'eectue avec le calorimetre electromagnetique pour les electrons et avec un detecteur charge de l'identi cation des muons (l'IFR) situe sur l'exterieur de BaBar.

Les kaons sont identi es a l'aide de la chambre a derive (par la mesure de la perte d'energie par ionisation), ainsi qu'avec un detecteur Cerenkov de conception nouvelle, le DIRC.

En n la reconstruction des etats propres de CP necessite des caracteristiques precises des sous-detecteurs:

 Les leptons doivent ^etre correctement reconstruits et identi es car ils sont parmi les pro-duits de desintegration de beaucoup de particules (a commencer par le

J=

+ qui sert a mesurer sin2



).

 La separation entre les kaons et les pions charges doit ^etre e!cace et pure. En eet, il faut pouvoir distinguer les desintegrations en deux corps telles que B0

!

et B0

!K

. C'est pour assurer cette separation que le DIRC a ete concu. Les impulsions (superieures a 1 GeV/c) de ces particules ne permettent pas a la chambre d'assurer cette separation.

 Les

0 doivent eux aussi ^etre bien reconstruits. En eet, ils sont utilises pour mesurer



dans des canaux tels que



ou

. Le calorimetre doit donc permettre de reconstruire les

0 mais aussi les desintegrations du B0 en

0

0 avec une haute e!cacite et une bonne resolution.

Pour resumer les caracteristiques principales de BaBar, la liste des sous-detecteurs $16] est donnee ci-dessous en signalant les domaines ou leur r^ole est fondamental pour la mesure de la violation de CP.

 Le detecteur de vertex (SVT). Il sert a mesurer la dierence entre les longueurs de vol des deux mesons B.

 La chambre a derive (DCH). Les trajectoires des particules chargees sont reconstruites gr^ace a la chambre. Elle sert aussi a l'identi cation des particules ayant une impulsion inferieure a environ 700 MeV/c, permettant ainsi d'identi er en partie les kaons servant a l'etiquetage. Au-dela commence le domaine de la remontee relativiste ou il devient di!cile, voire impossible, de reconna^ tre un kaon d'un pion.

 Le detecteur Cerenkov (DIRC). La separation des kaons et des pions a haute impulsion est assuree par ce detecteur. Il est complementaire de la chambre a derive pour l'etiquetage par les kaons.

 Le calorimetre electromagnetique (EMC). Il permet d'identi er les electrons necessaires a l'etiquetage mais aussi a la reconstruction des etats propres de CP. Il assure la reconstru-ction des

0 qui sont presents dans les etats nals permettant de mesurer



.

 Le detecteur de muons et de hadrons neutres (IFR). Ce detecteur est situe autour de l'aimant. Comme les electrons, les muons sont utilises pour l'etiquetage et pour la recons-truction des etats propres de CP. Les KLsont detectes pour reconstruire le meson B dans le mode B0 !

J=

+KLqui sert a mesurer sin 2



.

Tous ces sous-detecteurs sont decrits section 1.2. Pour completer la description de BaBar, il convient de citer aussi l'aimant supra-conducteur ainsi que le systeme declenchement. Ces deux elements sont egalement brievement decrits dans la section 1.2.

Dans le document Etude du bruit de fond engendré par la machine PEP-II à l'aide d'une mini-TPC. Etude de la désintégration doublement charmée du meson B avec le détecteur BaBar (Page 30-33)