CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

CP-Verletzung im Kaonen-System

Im Hauptseminar:

Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

Bastian Kronenbitter

CP-Verletzung im Kaonen-System Gliederung

1. Diskrete Symmetrien

2. Kaonen

3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen

4. Erster Nachweis der CP-Verletzung

5. Nachweis der direkten CP-Verletzung

CP-Verletzung im Kaonen-System 1. Diskrete Symmetrien

In der Quantenmechanik dargestellt durch Operatoren:

• C

lP 1

• Elektron im Potential eines Protons:

• 1C

• 00 1 C

1. Diskrete Symmetrien

CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen

2. Kaonen

Mesonen, bestehend aus einem s-Quark und einem leichten Quark (u,d)

Meson Quarks Ladung strangeness Masse

+1 +1 493,7 MeV

-1 -1 493,7 MeV

0 +1 497,6 MeV

0 -1 497,6 MeV

KK

0K

0K

s us us ds d

p

π-

Λ

0K


Kaonenerzeugung: Beispiele

p

π+

p

0K

K

K0 π-

π+


Kaonenzerfall: Beispiele

π-

π+

π0K0

K0 π-

π+

p

π-

Λ

0K


Kaonenerzeugung: Beispiele

p

π+

p

0K

K

Strange Quarks werden erzeugt in starker Wechselwirkung und zerfallen schwach

Lange Lebensdauer

Kaonenzerfall: Beispiele

π-

π+

π0K0

CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen

3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen

Kaonen werden erzeugt in starker Wechselwirkung:

als K0 oder K0

K 0

K 0

Das Kaonen-System


[1]


K0 K0

Strangeness nicht erhalten: ΔS = 2


Beschreibung der Zeitenwicklung in der Basis der CP- Eigenzustände

Denn: Keine CP-Eigenzustände 00

00

KKCP

KKCP

22

11

002

001

1

1

2

12

1

KKCP

KKCP

KKK

KKK

CP-Eigenzustände:

1K

2K

0K

0K

15

0000

1111

10*7/

21

mm

KHKKHK

KHKKHK

mmm KK


Zerfall von K1 und K2

Häufigste hadronische Zerfälle von neutralen Kaonen: 2 π und 3 π

2 π : π0 π0, π+ π- 3 π : π0 π0 π0 , π+ π- π0

1

)1(*)1(CP0

00

1

)1(*)1(*)1(

CP

K1 zerfällt in 2 π K2 zerfällt in 3 π

11 1KKCP 22 1KKCP

τ(K1) = 0,895 * 10-10 s τ(K2) = 0,512 * 10-8 s

K1 hat wesentlich kürzere Lebensdauer als K2


[1]

1K

2K

0K

0K


1K

2K

0K

0K

K1 – Regeneration

Bei Propagation von K2 in Materie:

Starke WW bestimmt Zeitentwicklung

Projektion auf K0 und K0

Wirkungsquerschnitt von K0 und K0 mit Proton ist unterschiedlich

Zahl ändert sich unterschiedlich stark

Regeneration von K1

CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung

4. Erster Nachweis der CP-Verletzung

27. Juli 1964: J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R.Turlay

„Evidence for the 2π decay of the K02 Meson“

Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch

Ursprünglich Experiment zur Untersuchung der Regeneration von K2-Strahlen

Untersuchung des Zerfalls: K1/2 geladene Pionen


[2]

Versuchsaufbau


Beobachtung nur von geladenen Teilchen

Messung von:

- Impuls und Energie der Zerfallsprodukte

- Invariante Masse der Kaonen (unter der Voraussetzung, dass es sich bei den Zerfallsprodukten um Pionen handelt)

- Summe der Winkel zwischen der Bahn der Zerfallsprodukte und des K-Strahls

π1

K2Θ1

Θ2

π2

Für zwei-Körperzerfälle Θ = 0

Für drei-Körperzerfälle Θ ≠ 0


Kalibrierung mit K1, die durch Regeneration hergestellt wurden

Möglich, da Impuls und Richtung durch Regeneration nicht geändert werden

Massenverteilung Winkelverteilung

[2] [2]

Messergebnisse


Im Gegensatz zu:

Mittelwert der Masse für cosΘ > 0,99999

499,1 ± 0,9 MeV

Für K1: 498,1 ± 0,4 MeV

Winkelverteilung entspricht Gaußverteilung um 0 mit Standardabweichung:

4,0 ± 0.7 mrad

Für K1: 3,4 ± 0.3 mrad


Zwei-Körperzerfall von K2

CP-Verletzung

Erklärung:

00

2212

00

2212

*1*1)1(2

1*

1

1

*1*1)1(2

1*

1

1

KKKKK

KKKKK

L

S

Damals: ε = 2,3 * 10-3

Heute: ε = (2,229 ± 0,010) * 10-3


Also sind die Prozesse K0 K0 und K0 K0 CP-verletzend: ΔS = 2

Nur Mischung, kein Zerfall

Mögliche Erklärung: Neue Wechselwirkung mit ΔS = 2 ist CP-verletzend

CP wäre in schwacher Wechselwirkung erhalten

??? superschwach

???

Suche nach CP-verletzendem Prozess mit ΔS = 1

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung

5. Nachweis der direkten CP-Verletzung

'

1

2

1

1

21

21

*

*

*

K

K

K

K

KK

KK

K

K

S

L

00

00

2

0

0

KK

KK

K

'Re1

:

2

00

00

2

S

L

S

L

K

K

K

K

Alternativ


NA48

[3]

1990 am CERN geplant1999 erste Resultate

Bestätigung der Indizien auf direkte CP-Verletzung, die bei NA31 gefunden wurden

Zog mehrere Folgeversuche nach sich (NA48-1; NA 48-2; NA48-3)


Versuchsaufbau

Kaonenerzeugung mit 450 GeV-Protonenstrahl

Kaonen haben Energie von 70 – 170 GeV

[4]


Messung von:

Geladenen Pionen:

4 Driftkammern um Magneten

Ungeladenen Pionen:

Kalorimeter, bestehend aus 10 m3 flüssigem Krypton, aufgeteilt in ≈ 13000 Zellen

Zusätzlich:

Hadronkalorimeter

Myonenkammer

Protonentagger, Zeitauflösung: 140 ps


[6] [6]

Strahlrohr Krypton-Kalorimeter


[6]

Strahlengang-Halle


Zwei wichtige Punkte:

a) Unterscheidung von KS und KL Zerfällen

b) Untersuchung des Untergrunds


a) Unterscheidung von KS und KL Zerfällen

Bei geladenen Zerfällen ist Ortsauflösung sehr gut:

Unterscheidung über Vertexposition

[5]


Dann Verwendung des Protonentaggers

[4]

Mistags werden mit α quantisiert

α+- leicht zu bestimmen

α00 über unterschiedliche Zeitinformation und Wahrscheinlichkeit von zufälligen KL - Tags

ΔαLS = α00 – α+- ≈ 10-4


b) Untersuchung des Untergrunds

Viel Untergrund unterdrückt durch

Cuts

Trigger

Gesonderte Untersuchung des Untergrunds für Zerfall in

geladene Teilchen

ungeladene Teilchen


Primärer Hintergrund in ungeladenen Zerfällen:

KL π0 π0 π0

Rekonstruktion der Photonenbahnen aus den π0 Zerfällen

Bestmögliche Kombination aus Bahnen wird als π0 identifiziert

Wenn Abweichung der invarianten Masse zu groß Wird verworfen


Primärer Hintergrund in geladenen Zerfällen:

KL π μ ν

KL π e ν

Wegen nicht detektiertem Neutrino fehlt

Transversalimpuls P‘2T

Cut auf P‘2T < 0,0002 GeV2

[4]


Ergebnisse:

Erste Ergebnisse im Bereich von:

Re(ε‘/ε) = 1,85 ± 0,73 * 10-3

Heute: Re(ε‘/ε) = 1,47 ± 0,22 * 10-3

Im PDB: Re(ε‘/ε) = 1,65 ± 0,26 * 10-3

Vorher keine 5σ Unverträglichkeit mit 0

Parallel Experiment am Fermilab: KTeV

Erste Ergebnisse 1999: Re(ε‘/ε) = 2,80 ± 0,41 * 10-3

CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss

Superschwache Wechselwirkung tot

Schwache Wechselwirkung ist CP-verletzend

Im Unterschied zur P-Verletzung nicht maximal, sondern nur mit sehr kleinen Parametern

Ursprung dieser Parameter ist unbekannt

CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss

Heute ist CP-Verletzung im Standardmodell integriert

Widergespiegelt in der CKM-Matrix

b

s

d

VVV

VVV

VVV

b

s

d

tbtstd

cbcscd

ubusud

'

'

'

Unitäre Matrix mit 4 unabhängigen Parametern

Bildnachweis:

• [1]: Introduction to High Energy Physics, Donald H. PerkinsCambridge University Press

• [2]: Phys. Rev. Letters: 13, 1964Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson

• [3]: http://na48.web.cern.ch

• [4]: Lydia Iconomidou-FayardRestults on CP violation from the NA48 experiment at CERN

• [5]: Dissertation, Harald Fox A Measurement of Direct CP Violation with the NA48 Detector

• [6]: CERN Document Server: http://cdsweb.cern.ch


Quellen:

• Vorlesung: Teilchenphysik für Fortgeschrittene WS 2008/09

• David Griffiths

Introduction to Elementary Particles

• Phys. Rev. Letters: 13, 1964Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson

• Lydia Iconomidou-Fayard

Restults on CP violation from the NA48 experiment at CERN

• Particle Data Book: http://pdg.lbl.gov/


CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

Documents

Transcript of CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik