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 Theories with B-decays Niels Tuning (NIKHEF/FOM) – 24 mei 2007 NWO Vernieuwingsimpuls Vidi Subsidieronde :MSc theoretische fysica aan de UvA 2001:PhD experimentele hoge-energie fysica aan de UvA 2001 – 2004: CERN, Genève 2004 – nu:NIKHEF, Amsterdam Curriculum Vitae

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 2/14 Niels Tuning (NIKHEF) – 24 mei 2007 NWO Vernieuwingsimpuls Vidi Subsidieronde 2007 Time Energy s s 300,000 y yrs GUT era Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present GeV 10 2 GeV10 -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

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 3/14 Tegenwoordig is (bijna) alle materie gebonden in atomen Geschiedenis van het Universum: Tegenwoordig: jaar na t=0 Time Energy s s 300,000 y yrs GUT era Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present GeV 10 2 GeV10 -4 eV u-quark d-quark

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 4/14 Door deeltjesversnellers kennen we de subatomaire bouwstenen Geschiedenis van het Universum: s in het laboratorium Time Energy s s 300,000 y yrs GUT era Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present GeV 10 2 GeV10 -4 eV 1 ste 2 de 3 de generatie

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 5/14 Bij de GUT schaal wordt de wereld van elementaire deeltjes symmetrisch Geschiedenis van het Universum: s “Grand Unified Theory” Time Energy s s 300,000 y yrs GUT era Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present GeV 10 2 GeV10 -4 eV zwaartekracht sterke kernkracht zwakke kernkracht electromagnetisme energie GeV tijd s Big Bang GRAND UNIFIED THEORY één deeltje

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 6/14 Waarom een “Grand Unified Theory” ? 1)Het verklaart de elektrische lading: q d =1/3 q e en q u = -2 q d 2)Het voorspelt het bestaan van een zwaar neutrino: dark matter kandidaat? 3)Het voorspelt dat normale neutrinos niet massaloos zijn Van oerknal naar versneller niveau (“gekristalliseerd” in verschillende groepen)

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 7/14 Oscillatie: ν μ ↔ν τ Reactie in detector: ν μ n→μp μ-detectie Neutrino oscillaties: Een grote ontdekking uit de jaren ‘90 Neutrinos veranderen van gedaante:  Tussen de 2 de en de 3 de generatie Neutrinos hebben massa! 1 ste 2 de 3 de generatie

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 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 2 de en 3 de generatie 2 de 3 de generatie A search for Grand Unified Theories with B-decays + = Meetbare quantum mechanische correcties

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 9/14 Het LHCb experiment pp Het LHCb experiment is één van de 4 experimenten bij de nieuwe LHC versneller op CERN in Geneve

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 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… Events Proper time (ps) B s →J/ψφ b s s b Bijvoorbeeld:

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 11/14 Drie manieren hoe observaties veranderen B s →J/ψφ:  Jaarlijkse opbrengst: events  Meet phase verschil B 0 → K * μ + μ -  Jaarlijkse opbrengst: events, S/B~3  Meet hoek-asymmetrie B s →μ + μ -  Jaarlijkse opbrengst: 30 events  Meet vertakkingsverhouding K*K* bb ss μ μ x s̃ b̃ g̃ B0B0 d b s s b b s μ μ BsBs BsBs bb s ss b x x b̃ s̃ g̃ eiφeiφ Voor de experts … BsBs bb s μ μ x s̃ b̃ g̃

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 12/14 B s →J/ψφ:  Jaarlijkse opbrengst: events  Meet phase verschil B 0 → K * μ + μ -  Jaarlijkse opbrengst: events, S/B~3  Meet hoek-asymmetrie B s →μ + μ -  Jaarlijkse opbrengst: 30 events  Meet vertakkingsverhouding Drie manieren hoe observaties veranderen Voor de experts … Events Proper time (ps) tan β BR (B s → μ + μ - ) SM prediction Tevatron bound New physics s (GeV 2 ) A FB

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

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 14/ s s 300,000 s GUT Inflation EW era Particles Atoms Galaxy&Stars Present GeV 10 2 GeV10 -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 detector Neutrinos massa!

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 15/14 Backup Slides

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 16/14 LHCb Dec 2006 Muon Calorimeters RICH2 Trackers Magnet RICH1 VELO

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 17/14 Plan Research topicAnalyse focusTakenIngredientsDifficulty PhD 1 Rare Decay 1 Bs → μ+μ-Bs → μ+μ- Impuls resolutie  Massa resolutie OT alignering, calibratie, track fit Di-μ triggerAchtergrond PhD 2 Rare Decay 2 B → K * μ + μ - FB asymmetrie Postdoc Box diagram B s → J/ψ φ └  μ + μ - K + K - Vertex resolutie  Proper time resol. VELO alignering, calibratie, vertex fit Di-μ trigger, Δm s, tagging Kennis van σ τ 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 B s →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.

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 18/14 Ervaring Ervaring met de Trigger  N.Tuning for the collaboration, Como2003 ICATPP conference, p , Efficient Triggering with the LHCb Detector for Precise CP measurements.  N.Tuning, LHCb , Tuning the super level 1 algorithm to the VELO-TDR geometry  N.Tuning, LHCb , Matching VELO tracks to L0 objects for L1 Ervaring met de VELO  N.Tuning for the collaboration, NIM A511: ,2003, A Vertex Trigger for the LHCb Experiment  N.Tuning, LHCb , 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 , Beam Tests of Final Modules and Electronics of the LHCb Outer Tracker in 2005  N.Tuning et al, LHCb , Outer Tracker Module Production at NIKHEF - Quality Assurance  … Begrip van systematiek en analyse  N.Tuning, LHCb , 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

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

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 20/14 Het model: SUSY SO(10) Y U bevat de top Yukawa coupling Y U kiezen we symmetrisch. In de Y U diagonale basis krijgen we voor Y d : Superpotentiaal: (16 zijn de fermionen, 10 Higgsen) Breek symmetrie naar SU(5) Breek vervolgens naar MSSM (+rh ν ): Neutrino mixing hoek doet squarks smix! Neutrino mixing hoek bRbR ~ Zonder neutrino massa, zouden we U MNS weg kunnen roteren

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 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 Flavour eigentoestand ≠ massa eigentoestand Tijdevolutie Oscillatie waarschijnlijkheid gegeven door overgangs amplitude: Oscillatie wordt bepaald door massaverschil: L/E (km/GeV) ν μ ↔ν τ

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 22/14 Neutrino masses: seesaw Dirac masses:Majorana mass for right-handed ν : From neutrino mixing: ν =  ν Relation between m ν, M EW, M GUT So SO(10) … …contains the right handed neutrino and its mass arrises naturally through the see-saw mechanism  M ν R ~v 2 /m ν  M ν R = (246 GeV) 2 /0.05eV = GeV = GUT scale

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 23/14 LHCb: B s oscillations BsBs bb b ss st tt W W BsBs Proper time (ps) B s → D s π Events Δm s =17.77 ±0.10(stat)±0.07(sys) ps -1 cos(Δm s t) Proper Time t (ps) hep-ex/ Expected LHCb performance: σ(Δm s )=0.01 g̃BsBs BsBs bb s ss b x x b̃ s̃ g̃ Recently measured at the Tevatron:

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 24/14 New physics in the Box, after Δm s ? BsBs bb b ss st tt W W BsBs Proper time (ps) B s → D s π Events Expected LHCb performance: σ(Δm s )=0.01 g̃BsBs BsBs bb s ss b x x b̃ s̃ g̃  (  m s )= 0.035,  (sin(2  ))=0.1 First constraint for NP in the B s sector Still plenty of room for NP Large theoretical uncertainties: LQCD Courtesy S.T’Jampens, CKM fitter, Beauty2006 Now: LHCb 2 months: L=0.2 fb -1

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 25/14 Hint for new physics from B-factories in b  s? sin2β sin2 β b  ccs = 0.68 ± 0.03 sin2β peng B J/ψ KsKs b d c c s d φ KsKs B s b d d s t s ? sin2 β peng = 0.52 ± 0.05 g,b,…? ~~ Courtesy S.T’Jampens, CKM fitter, Beauty2006

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 26/14 Phase: B s  J/ ψφ in LHCb A  = CP odd & A 0,|| = CP even B s  J/ψφ (B s tagged)  Proper time τ (ps) ~1+cos 2 θ ~1-cos 2 θ  cos(θ) B 0 s  J/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  m s ) Large asymmetry means new physics

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 27/14 Voorspellingen (1) B s →J/ψφ:  Meet extra phase dmv interferentie van 2 diagrammen  120k events per jaar  Verwacht: sin φ s = 0.03  Precisie in 1 jaar: 0.03 Events Proper time (ps) B s → J/ψφ

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 28/14 Voorspellingen (2) B 0 →K * μ μ tan β BR (B s → μ + μ - ) SM prediction Tevatron bound New physics Bs→μ μBs→μ μ m 2 μμ A FB 1 jaar s 0 = 4.0±1.2 GeV 2 B 0 →K * μ μ B s →μ + μ -  Jaarlijkse verwachte “opbrengst”: 30 evts  Deze vervalsverhouding is erg gevoelig voor Grand Unified Theory B 0 → K * μ + μ -  Jaarlijkse “opbrengst”: 4400 events, S/B~3  Meet FB-asymmetrie

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 29/14 SM Comparison to others D0+CDF CMS: Mass resolution: 36 MeV N signal = 6.1±0.6 N background = At 10 fb -1 : BR( B s →μ + μ - ) < Luminosity (fb -1 )

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 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 p T >3-6GeV LHCb Forward detector Muon detector in forward direction can be reach by μ of any p T η - p T one B ‘in’ |η| 9-10 GeV σ ~ 100 mb GeV σ ~ 230 mb Luminosity for B physics L = 2 × cm -2 s -1 rare B cm -2 s -1 L = 2 × cm -2 s -1 1 y Statistics B  μ μ cm -2 s -1 ~350 in fiducial volume ~7 after trig + signal selections (<20 backgr.) 1 2 × 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

24 mei 2007, VidiNo GUTs, no Glory: a search for Grand Unified Theories with B-decays - Niels Tuning 31/14 Comparison to other experiments BsDsπBsDsπ TevatronLHCbATLAS Mass resolution (MeV) τ resolution (fs) Tagging ε D 2 (%)1.464 L (fb -1 ) years113 BsDsπBsDsπ 90080k8k S/B23>1 B s  J/ψφ TevatronLHCbATLASCMS L (fb -1 ) years-131 B s  J/ψφ k300k50k S/B~23310 σ stat (sin 2 χ ) ~ B s  μμ TevatronLHCbATLASCMS PT μ min (trigger) L (fb -1 )210 Mass resolution (MeV) B s  μμ / year background / year 4<100<20<1 Numbers obtained from various presentations in the last year  No explicit blessing, just implicit... GENERAL TevatronLHCbATLAS/CMS √s (TeV) 2 14 σ (pp  bb)( μ b) L ( cm -2 s -1 ) < B  K* μμ BaBarLHCbATLASCMS L(fb-1) B  K* μμ / year