Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP)

Glanzlichter und Zukunftsaussichten des Belle Experiments

Martin Heck | 27.03.2014Institut für Experimentelle Kernphysik

Was Machen Wir bei Belle?

Was Machen Wir bei Belle?

Hauptmotivation der Intensity-Frontier

• Kopplungen oder Effekte, die im Standardmodell unterdrückt oder verboten sind;

• Z.B. bei der Überprüfung der KM-Theorie über B-Mixing tauchen Faktoren V

td ~1%

in den Amplituden auf. Beschleuniger bis 2010

Beschleuniger ab 2016

Warum B-Fabriken?Schließlich gibt es an Hadron-Maschinen

• mehr B-Mesonen, da 𝛔B viel größer ist,

• einfachere Lebensdauermessungen, da Zerfallslänge der B-Mesonen im Laborsystem viel größer ist.

KEKB: ~ 180 m𝛍( = 0,4)𝛃𝛄SuperKEKB: ~ 125 m𝛍 ( = 0,28)𝛃𝛄Typisch für LHC-Experimente:

~ 104 m𝛍

e+e-→Y(4S)

X 106

Darum B-Fabriken!

Die geringe Zahl an Untergrundprozessen erlaubt das Arbeiten bei deutlich höheren Luminositäten.

Bei Y(4S)-Produktion entstehen 2 B-Mesonen und sonst nichts, was viel reinere Analysen erlaubt mit

• ein oder auch mehreren 𝛑0-Mesonen im Endzustand;

• 30-40% Flavour-Tagging-Effizienz;(O(10) mehr als bei Hadronmaschinen);

• Möglichkeit der vollständigen Ereignisinterpretation, für Zerfälle mit s.𝛎

1036

1033 LHCb

x 103Y(4S)

Bkinet. E:~10 MeV

BImpuls:~330

MeV

Charm-Physik (𝛔Prod

(cc) ähnlich wie Y(4S))

• CP-Verletzung;

• Verzweigungsverhältnisse;

• Spektroskopie angeregter Zustände;

• ...

“Exotische” Analysen

• Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s-Paarproduktionsereignissen;

• Dark-Photon, Weinberg-Winkel;

• ...

Physik bei BelleB-Physik• CP-Verletzung;• Verzweigungsverhältnisse,

insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos;

• ...𝛕-Physik (𝛔

Prod( ) ähnlich wie Y(4S))𝛕𝛕

• Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung;

• …Weitere Spektroskopie• X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium;

Charm-Physik (𝛔Prod

(cc) ähnlich wie Y(4S))

• CP-Verletzung;

• Verzweigungsverhältnisse;

• Spektroskopie angeregter Zustände;

• ...

“Exotische” Analysen

• Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s-Paarproduktionsereignissen;

• Dark-Photon, Weinberg-Winkel;

• ...

Physik bei BelleB-Physik• CP-Verletzung;• Verzweigungsverhältnisse,

insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos;

• ...𝛕-Physik (𝛔

Prod( ) ähnlich wie Y(4S))𝛕𝛕

• Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung;

• …Weitere Spektroskopie• X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium;

Aktuelle CP-Verletzungsstudien

Ursprüngliche Hauptmotivation für Belle:

CP-Verletzung in B → J/ K𝛙 S

(Messung von 𝛷1, bzw.

sin(2𝛷1)

Belle: 0.667 ± 0.023 ± 0.012Babar: 0.687 ± 0.028 ± 0.012)

Testet:KM-Mechanismus ist einegute Erklärung für CP-Verletzung im Kaon-System (𝛆K).

Grafische Darstellung der CKM Matrix-Parameter:Unitaritätsdreieck(e) normiert→2 Seiten, 3 Winkel;Nur eines ist nicht fast degeneriert.

Aktuelle CP-VerletzungsstudienAktuelle Arbeiten fokussieren auf 𝛷

2 :

(B→𝓑 𝛒0𝛒0) = (1,02 ± 0,30 ± 0,15) x 10-6 [BABAR: (0,92 ± 0,32 ± 0,14) x 10-6]

Longitudinale Polarisation: 𝔣L ~ 0,21 ± 0,2 ± 0,13

Durch Analyse, die Isospin-Symmetrienutzt, kann 𝛷

2 bestimmt werden.

B+→𝛒0𝛒+ erfordert Möglichkeit 𝛑0 Zerfällemessen zu können, wie auch andereMethoden 𝛷

2 zu bestimmen.𝛷

2 = (84.9 ± 12.9)°

[Ø aller Messungen: ~(85,4 ± 3,9)° ]

Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation

Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des “Tag”-Mesons:

• p( Bsig ) = - p( Btag ),

• alle verbleibenden Teilchen im

Detektor sollten vom Bsig kommen,

• Flavour Bsig @ Zeit (Zerfall Btag) =

- Flavour Btag,

• genaues Btag Vertexing → bessere

Schätzung der Zerfallslängendifferenz.

● ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden;

● ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein;

Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation

Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des “Tag”-Mesons:

• p( Bsig ) = - p( Btag ),

• alle verbleibenden Teilchen im

Detektor sollten vom Bsig kommen,

• Flavour Bsig @ Zeit (Zerfall Btag) =

- Flavour Btag,

• genaues Btag Vertexing → bessere

Schätzung der Zerfallslängendifferenz.

● ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden;

● ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein;

𝛑

K

D

𝛑 tatsächlich 1000e Endzustände möglich;𝛑

𝛑

B → 𝛕 𝛖Selektion:

• Nur eine Spur auf der Signalseite;

• Energie im Kalorimeter, die keinem interpretierten Endzustandsteilchen zugeordnet werden kann(E

extra) klein;

• Struktur der fehlenden Masse, berechnet aus Anfangszustand und Impulsen der gemessenen Teilchen;

Verzweigungsverhältnis proportional zu |Vub

|, einer Seite im

nicht-degenerierten Unitaritätsdreieck:

• durch die letzte Belle-Analyse wieder ans SM herangerückt; BR~(0,72 ± 0,27) x 10-4

• Analyse mit semileptonischer Tag-Seite auf dem Weg.

Bessere Überein- stimmung mit SM

Einfluss dieser Messung

Details...

Relativ leicht zu messen.

B → h(*) 𝛖 𝛖

Selektion ähnlich wie B → ;𝛕 𝛖

Ähnliche Signatur für andere mögliche unsichtbare Teilchen wie Axionen;

B → D(*) 𝛑klar zu erkennen und entfernbar.

Pion-Impuls im Ruhesystem des Signalseiten B

B → h(*) 𝛖 𝛖Verteilung der Extra-Energie** in den

verschiedenen Kanälen.

• Keiner der Signalbeiträge ist signifikant.

Hinweis

Heute Nachmittag in Flavour 3 werden noch weitere Analysen dieser Art vorgestellt.Raum: GFH 01-701

Vollständige Ereignisinterpretation im Charm-Sektor

Die vollständige Ereignisinterpretation erlaubt auch absolute Verzweigungsverhältnisse im Charm-Sektor zu bestimmen.

Dazu wird z. B. in der Reaktion e+e- → cc → Dtag Kfrag Xfrag Ds*

mit Ds* → Ds das D𝛾 s nicht mitrekonstruiert.

o Das Dtag wird zum Ausgleich der Charm-Quantenzahl benötigt und

kann D0, D+, Λc+, D +∗ oder D*0 sein.

o Beim Λc+ wird noch ein Antiproton gefordert.

o Das Kfrag wird zum Ausgleich der Strangeness- Quantenzahl

benötigt.

o Xfrag kann eine Anzahl Pionen sein.

o Das aus dem D𝛾 s* ermöglicht eine gute kinematische Bedingung.

Ds-Resultate

Wir

• erhalten ca. ~100.000 völlig inklusiv rekonstruierte Ds Mesonen.

• eliminieren damit die Hadronisierungs- unsicherheit auf die Produktionsrate.

• rekonstuieren nun in einem sehr reinen

Ereignisrest spezielle Ds Zerfallskanäle,

und erhalten u.a.

(D𝓑 s→ ) =𝛍𝛖 (0,531 ± 0,028 ±

0,020)%

(D𝓑 s→ ) =𝛕𝛖 (5,70 ± 0,21 ± 0,30)%

und daraus 𝔣DS= (255,5 ± 4,2 ± 5,1) MeV.

(Weltbeste Einzelmessung!)

𝔣DS

ist der Formfaktor des Ds und seine

Messung ein wichtiger Test für die Gitter-QCD.Z.B.

C. Davies et al. (2010)𝔣DS

= (248,0 ± 2,5) MeV

Oder inklusive 𝛬c- Rekonstruktion

Resultat hier:

Wiederum ist diese Messung absolut und unabhängig von einem Referenzkanal.

Dies ist der Referenzkanal für alle anderen Messungen des c.𝛬

Die PDG Schätzung basiert of modellabhängigen Messungen von ARGUS und CLEO und ist:

Exotische Spektroskopie

Entdeckung des X(3872) durch Belle hat enormes Interesse an exotischer Spektroskopie hervorgerufen:

Entdeckung X(3872)869 Zitate

“Goldener Kanal”690 Zitate

Mehr Zitate als der “goldene Kanal” zur Überprüfung des KM-Mechanismus für den Belle gebaut wurde.

CMS und ATLAS haben auf Spires nur je ein Physik-Papier mit mehr Zitaten.

Weitere Durchbrüche

• 2011 entdeckte Belle die geladenen Z

b(10610) und Z

b(10650) mit einer

Signifikanz von 16 Sigma.o Masse → 2 b-quarks;o Ladung → Zustände können nicht aus

nur 2 b-quarks bestehen.

• 2013 wird das neue Z(3900)+ in den Daten von BES III, Belle und CLEO gefunden und die neue exotische Spektroskopie von vielen Medien wahrgenommen.

Y(5S) → Zb 𝛑

Eine Neue Form der Spektroskopie ist Entstanden

• Es gibt eine Reihe (O(10)) weiterer Zustände, die schlecht in Charmonium-Schema passen, als einzelne Entdeckungen zwar trotzdem wohl als solche interpretiert worden wären, aber nun anders behandelt werden.

• Je nach Produktion und Zerfall sind Dalitz-Plot oder Helizitätswinkel-Analysen möglich, die Aufschluss über Quantenzahlen geben;

o das X(3872) ist z.B. ein 1++ Zustand.

• Wahrscheinliche Interpretationen:

o 4-Quark-Zustand, Meson-Meson-Mokekül, Schwellen-Effekte,...

Neue Experimente mit viel höherer Luminosität haben hier viele Möglichkeiten weitere Zustände zu entdecken und die Natur der Zustände genauer zu erforschen.

Die Zukunft von Bellefür 50 ab-1

Positronen(4 GeV)

Elektronen(7 GeV)

Myon und KLong

Detektor

mit Widerstandsplatten-

kammern und

SzintillatorenStrahlrohr1,2 cmRadius

Driftkammer mitverlängertem Hebelarm

Aerogel-RICH

EM-Kalorimeter mitverbesserter Zeitauflösung

Propagationszeitmesser(Misst Flugzeit und Cherenkov-Winkel)

4 Lagen DSSD mit Neigung

2 Lagen DEPFET-Pixel-Detektoren

DEPFET-Pixel Detektor

• 8-bit Auflösung für die Energiedeposition im Pixel;

• Ortsauflösung O(10 );𝛍• Kommt mit Untergrund-Niveau bei R = 1,4 cm zurecht;

• 75 m dicke Siliziumschicht;𝛍• Elektronik auf Balkon an der Seite der Sensorfläche;

• Geringe elektrische Leistung mit entsprechend geringem Kühlbedarf;

→ sehr wenig Material innerhalb der Detektorakzeptanz;

SVD

• Zeitbestimmung von Hits mit einer Genauigkeit von wenigen ns.

• Geneigte Sensoren reduzieren das Materialbudget für Spuren in Vorwärtsrichtung.

Tracking

• Stark verbessertes Stand-Alone Tracking mit dem Vertexdetektor hilft beim Auffinden von Spuren mit geringem Impuls.

• Verschiedene weitere Verbesserungen sollen auch die Impulsbestimmung bei niederenergetischen Spuren verbessern, was z.B. bei der Assoziierung von langsamen Pionen zu D*→D Zerfällen hilft.𝛑

• Viele weitere Ideen, die z.B. der Vollständige Ereignisinterpretation und der Teilchenidentifikation helfen können.

Propagationszeitmesser

Messung vollständig intern reflektierter Cherenkov-Strahlung (à la DIRC in BABAR):

• x, y, t (𝛔t= 40 ps),

• Deutliche Verbesserung gegenüber Belle Aerogel + Flugzeitmessung im zentralen Bereich.→ Verbessert die Möglichkeiten der vollständigen Ereignisinterpretation.

Leistung bei 3 GeV/c Impuls

Rekonstruktion und Analyse

Analysen mit vollständiger Ereignisinterpretation können am meisten von neuen Techniken profitieren, da dieser relativ neue Ansatz* noch nicht voll erforscht ist.Einige Möglichkeiten:

• Einbinden inklusiverer Zerfälle, z.B. auch D → K(*) l nu;

• Verwenden teil- oder schlecht rekonstruierter 𝛑0;

• Bessere Verzahnung von (Spur-, Gamma-) Rekonstruktion und Analyse, z.B. für Nutzung von D* Trick;

• klügere Ereignisinterpretation (statt E extra);

• bessere Wahrscheinlichkeitsinterpretationen in der hierachischen Rekonstruktion des der B-Mesonen.

*noch 2001 dachten viele eine GigaZ Fabrik könnte B→ tau nu besser als Belle

Zusammenfassung + Ausblick• CP-Verletzungsstudien, Seltene Zerfälle, und Exotische Spektroskopie gehören zu

den Glanzlichtern der Physik bei Belle;o aktuell immer noch ca. 30 Publikationen pro Jahr;o in Zukunft liefert Beschleuniger eine Luminosität von ~1036 [cm s]-1

(O(100) mehr als zuvor).

• Belle wird mit fantastischen neuen Technologien aufgewertet, und neue Analysetechniken speziell für B-Fabriken werden entwickelt.o Daran beteiligen sich ~600 Personen, davon ~100 aus Deutschland mit

besonderem Fokus auf den DEPFET-Pixel-Detektor und die Software-Entwicklung.

Das wars!