Erste Ergebnisse des BABAR-Experimentes zur Verletzung der...

25.1.2001 K. R. Schubert, Kolloquium U Rostock 1

K. R. Schubert, TU DresdenKolloquium U Rostock, 25/1/01

Erste Ergebnissedes BABAR-Experimentes

zur Verletzung der CP-Symmetrie

CP-Verletzung im Standard-ModellErwartungen an Experimente mit B-MesonenPEP-II und BABARErste BABAR-ErgebnisseHoffnungen

25.1.2001 K. R. Schubert, Kolloquium U Rostock 2

Paul Adrien Maurice Dirac(1902 – 1984)

Standardmodell derElementarteilchenphysik

= Erweiterung der Diracgleichungdurch das Eichprinzip.

Dirac 1928:

Weyl 1929:

),,,()(

;

++−−==

−∂=

RLRL eeeexee

eemeieL µµγ

µµµ

α

Aqii

exexe xi

−∂→∂⇒⋅→ )()()(

25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 3

Glashow 1961:

Eichinvarianzen der Diracgl. unter lokaler SU(2) und U(1)

ergibt schwache und elektr ische Wechselwirkung durchAustausch von W+ , W -, γ und Zo.

Diese Invarianzen erfordern aber

µµµµ

α

σ

νν

ν

BygWgii

exe

xxU

xe

x

estatteunde

aa

xi

L

L

L

L

RL

L

'2

)(

)()(

)(

)(

,

)(

−−∂→∂⇒

→

.0)()()()()( ===== νγ memZmWmm


Higgs 1964: Einführung eines Spin-0-Dubletts Φund spontane Symmertr iebrechung

Higgs gibt Dirac die von Glashow weggenommene

Elektronenmasse wieder.

Glashow, Weinberg, Salam 1968:

Gleicher Higgs-Mechanismus erzeugt Massen für µ undQuarks udcs und erzeugt Quark-Mischung bei W-Austausch.

( ) ( )

( )

( ) eemeeeecv

ehLeeeecvLLxhvx

x

eee

ecLL

RLLR

RLLR

RLLL

LR

=+

++−→⇒

+

→

ΦΦ

ΦΦ

+

ΦΦ−→

),()(

0

)(

)(int

2

1

2

1*2

*1 ν

ν


Kobayashi, Maskawa 1973: Erweiterung 2 → 3 Familien(das τ-Lepton wird 1975 entdeckt, c-Quark 1974, b 1977)

Um Eichinvarianz zu erfüllen, können Matrizen C beliebig komplex sein. C(u) durch Drehen im Quark-Raum diagonal:

.].

[

)3,3,3,3(

)(

)()(

321

chd

uuC

d

udC

llC

LdulLL

L

LTR

u

L

LR

d

L

LR

l

SUSUUDirac

+

Φ+

Φ+

Φ−

+=

++

⊗⊗

β

βααβ

β

βααβ

β

βααβ

ε

ν

ν

→

→

→

'''

)(

3

2

1

;

00

00

00

;

L

L

L

L

L

L

t

c

uu

b

t

s

c

d

u

Dubletts

m

m

m

Cv

t

c

u

u

u

u


.,, '''LLLLLL bWtsWcdWu +++ ↔↔↔W-Austausch:

Dublett-Partner von u c t sind keine Masseneigenzustände.Weil (ui d i) ein Objekt ist, das im Quarkraum gedreht wird,können C(u) und C(d) nicht simultan diagonalisiert werden.

Ins Standardmodell eingeführt von K. und M. 1973,

Phänomenologie für 2 Famil ien bereits Cabibbo 1963.

Eigenschaften der CKM-Matrix:

.1;'

'

'

==

=

+VVmitVV

b

s

d

V

b

s

d

CKM


bVsVdVb

bVsVdVs

bVsVdVd

tbtstd

cbcscd

ubusud

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

'

'

'

Die Matrix V ik ist komplex. Aus CPT-Theorem folgt:

Higgs mischt Antiquarks anders als Quarks. Dies ist Ursache der CP-Verletzung im Standardmodell.

V i k*≠ Vik notwendig, aber nicht hinreichend.

Wg. unbeobachtbarer Quarkphasen muss gelten:CP ist Interferenzphänomen.

bVsVdVb

bVsVdVs

bVsVdVd

tbtstd

cbcscd

ubusud

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

***'

***'

***'

.0)(Im ** ≠= jkjlilik VVVVJ


Wolfenstein 1984:

A, λ, ρ, η sind 4 der 18 „freien Parameter“ des Std. modells.6 Unitaritätsbedingungen

von V sind als Dreiecke darstellbar, z.B.:

.;

1)1(

2/1

)(2/162

23

22

32

ηλληρλ

λλλ

ηρλλλ

AJ

AiA

A

iA

V ≈

−−−−−

−−

≈

.1//

,0

33*

*3*

≈+

=+−

λλ

λ

AVAV

VVAVV

tdub

tbtdubud

ρ

η

10

Vub*/Aλ3

V td/Aλ3

β

Fläche dieser Dreiecke ist J/2.

Messungen von λ, A, ρ2+η2

und (1−ρ)2+η2 ergebenλ = 0.22 ± 1% , A = 0.83 ± 4%,

J ≈ 3 • 10 –5 . Im Standardmodellist die CP-Symmetrie verletzt.


ρ

η

1

B→ρlν

λ = Vus aus β-Zerfällen K→πlν, A = Vcb/λ2 aus β-Zerfällen B→D*lν,ρ2+η2 = Vub/λVcb 2 aus β-Zerfällen B→ρlν,(1−ρ)2+η2 = Vtd/λVcb 2 aus BoBo-Oszillationen, ∆m(Bo).J ≠ 0, d.h. CP folgt allein aus

CP-symmetrischen Beobachtungen.

∆m(Bo)Lässt sich

die seit 1964bekannte

CP-Verletzung

im Zerfallvon K-Mesonen

mit einem dieser

Wertepaare ρ,ηerklären?


CPLEAR 1999

Asymmetr ie zwischenden ππ +ππ -- Zerfällen

von K 0 und K 0 als

Funktion der Zeit

zwischen Produktionund Zerfall .

tt

Kt

LS

LS

ee

tme

KNKN

KNKNAta

Γ−−+

Γ−

−+Γ+Γ−

−+

−+−+

−+−+

−+

+

−⋅∆=

→+→

→−→=−=

2

2/)(

00

00

)( cos2

)()(

)()()(

η

ϕη

ππππ

ππππ

)(

)(

)(

0

0

−+−+

−+

−+

−+

=

→

→=

ηϕϕ

ππ

ππη

S

L

KA

KA

oie 443103.2 ⋅⋅= −−+η


Erklärung von im Std. modell benötigt (1) KoKo-Oszil lationenund (2) Ko-Zerfall

s

sd

dW W

c,t

c,t

V ts* V td

V td V ts*

(1)

sd d

u

u

d

(2)WVus*

Vud

( )( ) 2

*2*2*0

2*22**0

)(

)(

udustdtsudus

udustdtsudus

VVtfVVVVkK

VVtfVVVVkK

+⋅=→Γ

+⋅=→Γ

ππ

ππ

Raten sind verschieden wenn ( ) .0Im ** ≠= JVVVV tstdudus

η+- wird quantitativ erklärt wenn .103 5−⋅+=J


η

1B→ρlν

η+-(Ko)

ββρ

Erwartungen an neue B- Mesonen-Experimente

CDF, D0, HERAB; BABAR, BELLE; ATLAS, CMS, LHCB:Verbesserung von Vcb und Vub, d.h. A und ρ2+η2,

Vcb aus B→D*lν, B→Dlν und HQET,

Vubaus B →ρlν, B→πlν, B→ωlν und versch. Theorien,Vts/ V tdaus BsBs-Oszillationen,sin2β β aus CP in Bo,Bo →J/Ψ KS und in anderen Moden.

Best immung von α und γ aus CP (Bo).

∆m(Bo)

αα

γγ


Kurze Historie :

1977 Entdeckung des b im Y(9.46) = 13S1bb am FNAL1978 Formation von Y(9.46) und Y(10.01) am DESY

1980 Erste B-Mesonen 13S1bq in Cornell1985-89 „B- Mesonen-Fabrik“-Planung am PSI1987 ARGUS-Entdeckung der BoBo-Oszil lationen

1988 Beginn der PEP-II-Studien am SLAC1993 Entscheidungen für PEP-II und KEK-B,

TU Dresden beteil igt sich bei SLAC

1995 BABAR „TDR“ & Genehmigung, U Bochum dazu7/98 Erste e+ e - Koll isionen in PEP-II5/99 Erste e+ e - Ereignisse in BABAR

7/00 Erste 15 Resultate auf der Osaka-Konferenz10/00 PEP-II erreicht Design-Lumi von 3 • 1033 / cm2/s


Die BABAR-Kollaboration:

China [1/6]I n s t . o f H i g h E n e r g y P h y s i c s , B e i j i n g

Deutschland [3/21]U R o s t o c k

R u h r U B o c h u m

T e c h n i s c h e U D r e s d e n

Frankreich [5/50]L A P P , A n n e c y

L A L O r s a y

L P N H E d e s U n i v e r s i t é s P a r i s 6 / 7

E c o l e P o l y t e c h n i q u e

C E A , D A P N I A , C E -S a c l a y

Großbritannien [10/80]U o f B i r m i n g h a m

U of Br i s to l

B r u n e l U n i v e r s i t y

U o f E d i n b u r g h

U of L ive rpoo l

I m p e r i a l C o l l e g e

Q u e e n M a r y & W e s t f i e l d C o l l e g e

R o y a l H o l l o w a y , U n i v e r s i t y o f

L o n d o n

U o f M a n c h e s t e r

R u t h e r f o r d A p p l e t o n L a b o r a t o r y

Italien [12/89]INFN, Ba r i

I N F N , F e r r a r a

I N F N F r a s c a t i

I N F N , G e n o v a

I N F N , M i l a n o

I N F N , N a p o l i

Norwegen [1/3]U o f B e r g e n

Russland [1/13]B u d k e r I n s t . , N o v o s i b i r s k

I N F N , P a d o v a

I N F N , P a v i a

I N F , P i s a

I N F N N , R o m a

I N F N , T o r i n o

I N F N , T r i e s t e

USA [35/276]C a l t e c h , P a s a d e n a

U C , I r v i n e

U C , L o s A n g e l e s

U C , S a n D i e g o

U C , S a n t a B a r b a r a

U C , S a n t a C r u z

U o f C i n c i n n a t i

U o f C o l o r a d o

C o l o r a d o S t a t e

F l o r i d a A & M

U o f I o w a

I o w a S t a t e U

L B N L

L L N L

U of Louisv i l l e

U o f Mary l and

U o f M a s s a c h u s e t s

M I T

U of Miss i s s ipp i

M o u n t H o l y o k e C o l l e g e

N o r t h e r n K e n t u c k y U

U o f N o t r e D a m e

O R N L / Y - 12

U o f O r e g o n

U o f P e n n s y l v a n i a

P r a i r i e V i e w A & M

P r i n c e t o n

S L A C

U o f S o u t h C a r o l i n a

S t a n f o r d U

U o f T e n n e s s e e

U of Texas a t Dal las

V a n d e r b i l t

U o f W i s c o n s i n

Y a l e U

Kanada [4/16]U o f B r i t i s h C o l u m b i a

M c G i l l U

U de Mont réa l

U of Vic to r ia


← L i n a c

←F i x e d T a r g e t

E x p e r i m e n t e

← B A B A R

← S L D


Die B- Mesonen-Fabrik PEP-II:

ja9.0 / 3.1E [GeV] e- / e+

170135Lint [pb- 1/Tag]

3,1 x 10333 x 1033L [cm-2 s- 1]

742 / 1010610 / 2140I [mA] e- / e+

ErreichtDesign


Bisher integrierte Luminosität,Juni 1999 bis Oktober 2000


Luminosität und Effizienz:

Design

Vakuum-leck


Der BABAR – Detektor:

(4) E lektromagnet isches

Kalor imeter (6) Instrument ier-tes Eisenjoch

(3) Cerenkov-

Detektor

(5) 1.5 T Solenoid

(2) Dr i f tkammer

(1) Si l iz ium-Vertex-Detektore-

e+


10 % der 6580

CsI (Tl) -Kristal le

Al le Photodioden

Optimierung der L ichtausbeute

Mechanik der

Aus lese-Elektronik

L ichtpulsersystem

zur Monitor ierung

Bhabha-E ichung

πo-E ichung

Dresdner Bei t räge zum Kalor imeter:


Elektronenidentif izierung

γγ invariante Masse

Effizienz

Miss-Identif izierung geladener P ionen

π0-Rekonstruktion

Kalorimetereigenschaften mit jetziger Eichung:

σ(x) = 1 cm, σ(E)/E = 0.020 bei 2 – 5 GeV

σ(m)/m = 0.049

e-Impuls


CP-Asymmetrie im Zerfall neutraler B-MesonenEinfachster Fall: Bo und Bo in CP-Eigenzustand fCP

Für fCP = J/Ψ KS sagt Std. modellohne theoret. Fehler voraus:

Auf der Y(4S)-Resonanz wird

Kohärenter 2-Teilchen-Zustand(BoBo-BoBo)/√2 erzeugt:

Integral von A über alle ∆t ist null,zeitabhängige Messung notwendig.

B0

B0

∆t/τ

( ) ( )( ) ( )CPCP

CPCP

fBfB

fBfBA

→Γ+→Γ

→Γ−→Γ=

00

00

)](sin[2sin .Pr. odZerf ttmA −∆⋅−= β

ttttt TagZerfodZerf ∆=−⇒− )()( ..Pr.

Γ


2. Best immung des Flavourdes anderen B-Mesons (“tag”)

1. B-Rekonstruktion inCP-Eigenzustand

3. Messung von ∆z:∆t = ∆z/βγc

ΥΥ( )

Best immung des Bruchtei ls wvon Fehltags

Dilution D = (1-2w) reduziert beobachtete Asymmetr ie

( ) ( )( ) ( ) t) msin( • )(-sin2 • D

/B/B

/B/BA

0000

0000

∆∆=Ψ→Γ+Ψ→Γ

Ψ→Γ−Ψ→Γ= β

SS

SS

KJKJ

KJKJ

Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie:


Ereignisselektion mit 9/ fb,

Juli 2000:

J/ψ → e+e - J/ψ → µ+µ -

1. J/ψ Rekonstruktion

π0π0

π+π-

2. K0 Rekonstruktion


B0→J/ψKs(π+π-) B0→J/ψK s(π0π0) B0→ψ(2S)K s(π+π-)

124 ±12 EreignisseReinheit 96%

18 ±14 EreignisseReinheit 91%

27 ± 6 EreignisseReinheit 93%

Zusätzlich zur Kontrolle (keine CP-Verletzung erwartet):7517 B0 → D*lν, 2438 B0 → D*π,D*ρ…, 251B0 → J/ψK*0(K+π-)

3. B0 Rekonstruktion: ∆E = E*(J/ψ)+E*(K0)-ECMS /2mes

2 = (ECMS /2)2 – [p(J/ψ)+p(K)]2

m es(GeV/c2) m es(GeV/c2) m es(GeV/c2)


B0

B0

4. Tagging mit Leptonen, Kaonen und Neural Net:von den 169 Ereignissen

haben 70 B0 tag und 50 B0 tag

5. Bestimmung von ∆t = tψK-tTag:

6. Kontrolle der Tag-efficiency ηund Bestimmung der Mistag-Rate w

aus Tags und Mistags

der Kontrollereignisse: η = 0.76, w = 0.21

7. Fit der zwei ∆t-Verteilungen mit D = 1-2w:

sin2β = 0.12 ± 0.37 ± 0.09


Kontrolle für die ∆t-Auflösung:BB-Oszillationen mit 8/fb: BABAR-CONF-00/10

))(())((

))(())(()(

tNtN

tNtNtA

∆+∆

∆−∆=∆

±±−+

±±−+

llll

llllA

P r e l i m i n a r y

βγβγ=0.56 ϒ(4S)

<∆z> = 250 µm

B0

l+

l-

B0

∆∆mB = (0.507 ± 0.015 ± 0.022) hh ps-1


Zusammenstel lung al ler bisherigen Messungen von sin2β:

* = preliminary

Mittelwert


Hoffnungen:

Weder vorläufiges Resultat von BABAR, sin2β = 0.12 ± 0.38,noch derzeitiges Weltmittel, sin2β = 0.49 ± 0.23,

sind signifikant:• Keine CP-Verletzung in B-Zerfällen etabliert, sin2β ≠ 0,• Kein Widerspruch zum Standardmodell, sin2β ≠ 0.7 ± 0.2.

BABAR hat jetzt 20/fb zu analysieren. Ereignisgewinn größerals 20/9; höhere Spureffizienz, mehr Zerfallsmoden wie

J/ψKL J/ψK*(K0π0) χc(J/ψγ)KS …Neues & erstes publiziertes Resultat vermutlich Feb/Mrz 01.

Datennahme geht weiter, PEP-II wurde 3 Monate verbessert, im Jahr 01 etwa weitere 40/fb. Dann auch ersteSuchen nach CP in B→ππ, πππ, ππππ; sensitiv auf sin2α.

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