Neue Experimente zur Asymmetrie zwischen Materie und ...schubert/talks/0504-berlin.pdfzwischen...

13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 1

K. R. Schubert, TU DresdenKolloquium HU Berlin, 13/12/05

Was ist CP-Symmetrie und -Verletzung?Kosmologische Motivation für deren Untersuchung1964: Entdeckung im Zerfall von K-Mesonen37 Jahre später die zweite Evidenz: Zerfall von B-MesonenNeueste Resultate der Experimente BABAR und BELLE Erklärung im Standardmodell der TeilchenphysikKosmologische Konsequenzen

Neue Experimente zur Asymmetriezwischen Materie und Antimaterie


1. Was ist CP-Symmetrie?

Die P- und C-Asymmetrie der schwachen Wechselwirkung ist seit 1957 etabliert. P = Raumspiegelung, PeL = eR.C = Ladungskunjugation, Ce- = e+.

π+

P:µ+µ+ νµLπ+ νµR

µ- ÅµLπ-C:

µ-ÅµR π-

P C CPStarke Ww ja ja jaElektr. Ww ja ja jaSchwache Ww nein nein ja

1964 :Nein!

bis 1964.


CP-Symmetrie: Alle Reaktionen mit linkshändigen Teilchen laufen mit gleicher Rate ab wie die mit rechtshändigen Antiteilchen.

2. Bedeutung für die Kosmologie

Kosmologie = Versuch, heutige Erscheinung des Universumsdamit zu erklären, dass das Universum eine Geschichte hat.

Erstaunlich erfolgreicher Versuch, sogar mit der Zusatz-Hypothese, dass zu jeder Zeit heutige Naturgesetze galten.

Problem: Universum besteht nur aus Materie, alle frühervorhandene Antimaterie wurde vernichtet:qq →...→ e+e-+γ+νÅ, e+e- → γ γ. ⇒ heute N(q)=0, aber

N(p,n)/N(γ) = (5±2)10-10 gemessen.


Geschichte des Universums

6000 K0,5 eV

109 K0,1 MeV

1012 K100 MeV

1032 K1019 GeV

1015 K100 GeV

1027 K

Hier vernichten sich Protonen und Antiprotonen bis auf 5 .10-10

Irgendwann hier ist der kleine Unterschied

q : q = (1+2.10-10) : 1entstanden. „Baryogenese“


Baryogenese: Erzeugung des kleinen Unterschiedes N(q)/N(q)=1+10-10. Bedingungen von A.D.Sakharov 1967:

1. Es gibt CP-verletzende Wechselwirkung,2. Es gibt B-verletzende Wechselwirkung,3. Beide sind in thermischem Nichtgleichgewicht wirksam.

B=Baryonenzahl, B(p)=1, B(q)=1/3, B(q)=-1/3.

(3) ist wegen dR/dt > 0 und dT/dt < 0 erfüllt.(2) ist nicht beobachtet, aber Standardmodell der Teilchen-

physik erlaubt Prozesse wie q e+→ q uud (B-L erhalten).(1) Thema dieses Kolloquiums, 1964 entdeckt.

(1) und (2) braucht nicht die gleiche Ww zu sein, Beispiel:σ(ue+→ uuud) = σ(ʉe-→ ʉʉʉd), CP ok, B verletzt, B-L ok.σ(µ-Åµ→ e-Åe) ≠ σ(µ+νµ→ e+νe), B ok, L ok, CP verletzt.

JETP Lett. 5 (1967) 24


3. Entdeckung der CP-Verletzung:1964 durch Christenson, Cronin, Fitch und Turlay im Zerfallneutraler K-Mesonen. K0 = 11S0 sd, m = 497 MeV, τ = 10-10s.Seltsames Teilchen: Zerfallsgesetz ist nichtexponentiell.

ln N

t

dominant π+π-

dominant π+π-π0

Erklärung durch K0K0-Mischung, K0 = C K0 = 11S0 sd

K0 → kohärenteMischung vonK0 und K0

2 spezielle Mischungenzerfallen exponentiell: KS = pK0 + qK0 ,KL = pK0 - qK0

.CP-Erhaltung: ⏐p⏐=⏐q⏐CP-Verletzung: ⏐p⏐≠⏐q⏐


CP-Verletzung an neuerem Experiment demonstriert:CPLEAR 1999, pp → K+π−K0, K-π+K0; K0, K0 → π+π−

Asymmetrie zwischen denπ+π–-Zerfällen von markiertenK0 und K0 als Funktion der Zeit zwischen Produktion und Zerfall.

( ) ( )oie 5.03.433K 1002.027.2 ±− ⋅⋅±=ε

( ) ( ) ( )SSLK KKmKmm Γ≈−=∆

π/∆mK

)()()()()( 00

00

−+−+

−+−+

→+→→−→

=ππππππππ

KNKNKNKNta

ttK

t

LS

LS

ee

tmeΓ−Γ−

−+Γ+Γ−

+

−∆⋅∆−≈ 2

K

2/)(K )( cos2

ε

ϕε


Erklärung der Mischung ∆mK im Standardmodell:

s c d

W W

d c s

Die beobachtete CP-Verletzung ist auch T-Verletzung, Verletzungder Zeitumkehrinvarianz.

K0 K0

Erklärung der CP-Verletzung εK im Standardmodell:

Die 4x3 Kopplungen sindkomplexe Zahlen. Ihre Interferenzen führen zu

Γ(K0 → K0) < Γ(K0 → K0)

s ʉ,c,ŧ d

W W

d u,c,t s

K0 K0


BABAR29 fb−1

BBAABBARAR29 fb29 fb−−11

-5 0 5 ∆t(ps)

Belle

-4 0 4 ∆t(ps)

37 Jahre war das K0 das einzige System der Teilchenphysikmit CP-Verletzung. Im Sommer 2001 gelang der Nachweis im Zerfall von B0-Mesonen:

K→π+π-

B0 B0

B0B0


4. CP-Verletzung in B-Mesonen-Zerfällen:

1977 Entdeckung des b im Y(9.46) = 13S1bb am FNAL1978 Formation von Y(9.46) und Y(10.01) am DESY1980 Erste B-Mesonen 13S1bd in Cornell; DESY 19841985-89 „B-Mesonen-Fabrik“-Planung am PSI1987 ARGUS-Entdeckung der BoBo-Oszillationen1988 Beginn der PEP-II-Studien am SLAC1993 Entscheidungen für PEP-II und KEK-B,

TU Dresden beteiligt sich bei SLAC1995 BABAR „TDR“ & Genehmigung7/98 Erste e+e- Kollisionen in PEP-II5/99 Erste e+e- Ereignisse in BABAR7/00 Erste 15 Resultate auf der Osaka-Konferenz10/00 PEP-II erreicht Design-Lumi von 3 • 1033 /cm2/s7/01 BABAR findet sin2β ≠ 0 mit 4σ, BELLE gleichzeitig


Suche nach CP(B) war gezielt; keine Zufallsentdeckung.Standardmodell erwartet:

sin2β ist Parameter des Standardmodells;aus CP-symmetrischen B-Zerfällen geschlossen: 0,5 - 0,8.Trotz Größe des Effekts: Etwa 3.107 B-Mesonen notwendig!Erfolgversprechendste Produktionsmethode:

e+

e-γ

ge Y(4S),10.58 GeVB0

B0

c sgw

K0

J/ψ

gs

g

Wgw

c

( ) ( )( ) ( ) ( )[ ].Pr0000

0000

sin2sin//

//odZerfall

SS

SS ttmKJBKJB

KJBKJBA −∆⋅=

→Γ+→Γ

→Γ−→Γ= β

ψψ

ψψ

Alternativen: Z0 →bb (LEP nur 106),hadronische Produktion (viel Untergrund).

d

dgs

b

b

ge


Die B-Mesonen-Fabrik PEP-II:

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

710135Lint [pb-1/Tag]1,00 x 10343 x 1033L [cm-2 s-1]

1,7 / 2,90,6 / 2,1I [A] e- / e+

erreichtPlan


← Linac

←Fixed-Target-Experimente

← BABAR← SLD


Tägliche und Integrierte Luminosität, Okt.1999 – Nov. 2005

Design

BABARBABAR


Der BABAR – Detektor:

(4) ElektromagnetischesKalorimeter (6) Instrumentier-

tes Eisenjoch(3) Cerenkov-Detektor

(5) 1.5 T Solenoid

(2) Driftkammer

(1) Silizium-Vertex-Detektore-

e+


Canada [4]U of British ColumbiaMcGill U MontrealU de MontréalU of Victoria

China [1]Inst. of High Energy Physics, Beijing

France [5]LAPP AnnecyLAL OrsayU Paris 6 et 7Ecole PolytechniqueCEA Saclay

Germany [6]RU BochumU DortmundTU Dresden U HeidelbergU KarlsruheU Rostock

Great Britain [10]U of BirminghamU of BristolBrunel UniversityU of EdinburghU of LiverpoolImperial College LondonQueen Mary & Westfield CollegeRoyal Holloway U of LondonU of ManchesterRutherford Appleton Laboratory

Norway [1]U of Bergen

Russia [1]Budker Inst., Novosibirsk

Spain [1]Barcelona / Valencia

INFN PadovaINFN PerugiaINFN PisaINFN Roma INFN TorinoINFN Trieste

80 Institute, 11 Länder, ~600 AutorenDie BABAR-Kollaboration

Italy [12]INFN BariINFN FerraraINFN Frascati INFN GenovaINFN MilanoINFN Napoli

Netherlands [1]NIKHEF Amsterdam

U of CincinnatiU of ColoradoColorado State UFlorida A&MHarvard UU of IowaIowa State ULBNL BerkeleyLLNL LivermoreU of LouisvilleU of MarylandU of MassachusetsMIT CambridgeU of MississippiMount Holyoke CollegeU of Notre DameOhio State UU of OregonU of PennsylvaniaPrairie View A&MPrinceton USLAC U of South CarolinaStanford UU of TennesseeU of Texas at AustinU of Texas at DallasVanderbiltU of WisconsinYale U New Haven

USA [38]SUNY AlbanyCaltech PasadenaUC IrvineUC Los AngelesUC RiversideUC San DiegoUC Santa BarbaraUC Santa Cruz

1 / 12 / 2005


10 % der 6580 CsI(Tl)-Kristalle

Alle Photodioden

Optimierung der Lichtausbeute

Mechanik der Auslese-Elektronik

Lichtpulsersystem zur Monitorierung

Bhabha-Eichung

πo-Eichung

e-Identifizierung

Dresdner Beiträge zum Kalorimeter:


Ein vollständig rekonstruiertes Ereignis in BABAR:

CP-Eigenzustand

Flavour-Eigenzustand

Y


))(())((

))(())(()(

tNtN

tNtNtA

∆+∆

∆−∆=∆

±±−+

±±−+

llll

llll

βγ =0.55 ϒ(4S) <∆z> = 250 µm

B0

l+

l-

B0

A

∆mB = (0.499 ± 0.010 ± 0.012) h ps-1

Γ0 = 1/τ(B0) = (0,651 ± 0,06) ps-1

Messung der B0B0-Mischung mit BABAR, 20 M Y(4S):


Jetzt zur CP-Asymmetrie:

Auf der Y(4S)-Resonanz wirdkohärenter 2-Teilchen-Zustand(BoBo-BoBo)/√2 erzeugt:

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

ttttt TagZerfodZerf ∆=−⇒− )()( ..Pr. B0

B0

∆t/τ

Γ

( ) ( )( ) ( ) ( )[ ].Pr0000

0000

sin2sin//

//odZerfall

SS

SS ttmKJBKJB

KJBKJBA −∆⋅=

→Γ+→Γ

→Γ−→Γ= β

ψψ

ψψ


1, 2, 3: Rekonstruktion des CP-Eigenzustands

6: Bestimmung von ∆t = ∆z/βγc

5: Bestimmung des Anteils w von falschen Tags

Dilution D = (1-2w) reduziert die beobachtete Asymmetrie.

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) tt-t~t) msin(2sinD

/B/B

/B/Bt~A~

0000

0000

∆∆∆⋅∆∆⋅⋅=Ψ→Γ+Ψ→Γ

Ψ→Γ−Ψ→Γ=∆ ∫ dr

KJKJ

KJKJ

SS

SS β

Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie:

8: sin2β−Fit an beide Zeitverteilungen

e+

βγ = 0.55

7: Bestimmung der ∆z-Auflösung

Υ(4S)

4: Flavour-Bestimmung des anderen B-Mesons (“tag”)


N N

Ereignis-Selektion in B → J/ψKS

J/ψ → e+e- J/ψ → µ+µ-

1. J/ψ Rekonstruktion

π0π0

π+π-

2. K0 Rekonstruktion


3. B0 Rekonstruktion:

Mehr CP-ModenZusätzlich zuB0 → J/ψ KS :

B0 → ψ(2S) KSB0 → χc1 KSB0 → ηc KSalle mit CP = -1 und

B0 → J/ψ KL CP = +1B0 → J/ψ K0*(KSπ0)

CPeff = +0.51±0.04

mES

∆E∆E

MeV

mES GeV

J/ψ KS

∆E = E*(J/ψ)+E*(K0) – ECMS/2mES

2 = (ECMS/2)2 – [p(J/ψ)+p(K0)]2


Nur K0L-Richtung

wird im EMC oder im IFR gemessen, Energie aus der m(B0)-Bedingung.

Daten 1999-2004: ~205/fb auf dem Y(4S), 227 M BB

CP = -1, N = 4370nach Tagging.Reinheit P= S/(S+B) = 90%

CP ≈ +0,5 N = 572P = 68%

CP ≈ +1 N = 2788P = 56%

Ntot,tagged = 7730, P = 76%


Flavour-Tagging des CP-Eigenzustands bei ∆t=0 durch flavour-spezifische Zerfälle des anderen B:Elektronen, Myonen, geladene Kaonen, oder Combi.

4.

Anteil w der Mistags wird aus dem N = „Flavour Sample“ 75878bestimmt.

B0 → J/ψK*0(K+π−),D(*)-π+,D(*)-ρ+...

5.

( ) 004,0305,021 2i

iitag, ±=−⋅= ∑ wQ ε


6. Bestimmung von ∆t = ∆z/βγc :

7: Bestimmung der Auflösung für ∆z:

∆z = zZerfall – zTag, mit ztag aus Vertexfit mit zwei oder mehr Spuren mit kleinem χ2-Beitrag zu diesem Fit.

Gleiche Funktion an Flavour- und CP-Daten fitten( )ttRi ∆−∆~

Flavour-Ereignissemit1 ± cos∆mt

CP-Ereignissemit1 ± sin2β sin∆mt

Perfekte Zeitauflösung Reale Zeitauflösung

∆t

∆t∆t

∆t


Ergebnis: B. Aubert et al (BABAR) PRL 94 (2005) 161803

KS KL

sin2β = + 0,722 ± 0,040 ± 0,023


Alle Ergebnisse für sin2β:

OPAL 1998 3.2 ± 0.5

ALEPH 2000 0.84 ± 0.16

CDF 2000 0.79

BABAR 2005 0.722 ± 0.040 ± 0.023

BELLE 2005 0.652 ± 0.039 ± 0.020

Mittel 0.685 ± 0.032

+ 0.41- 0.44

+ 0.82- 1.04

+ 1.8- 2.0

(21 σ)


5. Erklärung von CP(K) und CP(B):

Messwerte von εK und sin2β sind kompatibel miteinander und mit der Hypothese, dass sie von der schwachen Ww.des Standardmodells erzeugt werden.

CKM-Matrix Vij beschreibt Quarkmischung als Ursache vonHiggs-Kopplung an Quarks. Wenn Vij ≠ Vij*, dann koppelt Higgs verschieden an Quarks & Antiquarks und erzeugt CP.

νeL

e-L

Wgw

tL

b‘L

Wgw

cL

s‘L

Wgw

uL

d‘L

Wgw

bVsVdVb

bVsVdVs

bVsVdVd

tbtstd

cbcscd

ubusud

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

'

'

'

bVsVdVb

bVsVdVs

bVsVdVd

tbtstd

cbcscd

ubusud

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

⋅+⋅+⋅=

***'

***'

***'


V ist unitär, V V+= 1. CP ⇔ .0)(Im ** ≠= jkjlilik VVVVJ

A, λ, ρ, η sind 4 der 18 „freien Parameter“ des St.modells.6 Unitaritätsbedingungen können als Dreiecke gezeichnet werden, z.B.:

.;1)1(

2/1

)(2/162

23

22

32

ηλληρλ

λλλ

ηρλλλ

AJAiA

A

iA

V ≈

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−−

−−

≈

.1//

,033*

*3*

≈+

=+−

λλ

λ

AVAV

VVAVV

tdub

tbtdubud

É

¿

10

Vub*/Aλ3 Vtd/Aλ3

β

É=ρ(1-λ2/2), ¿ =η(1-λ2/2). Fläche dieses

„Unitartitätsdreiecks“ ist J/2.Messungen von λ und A:

λ = 0.22 ± 1% , A = 0.83 ± 3%.

α

γ


ckmLfit-0405-4

É¿ Fit an die Messungen von Vub, Vtd, εK, und sin2β

εK sin2β

Vtd

Lfitckm

Vub


ckmLfit-0405-4

É¿ Fit an die Messungen von Vub, Vtd, εK, und sin2β

εK

Vtd

Lfitckm

Vub

β


ckmLfit-0405-4

Seit 2005 haben wir auch Messungen der Winkel α und γ:

εK

Vtd

Lfitckm

Vub

β

α

γ


α: Zeitabhängigkeit „getagter“ Zerfälle B0→ρ+ρ- und B0→ρ+ρ-

B. Aubert et al (BABAR) PRL 95 (2005) 041805 aus 232 M BB

B0 tags

B0 tags

Asymmetrie

Fit mit der AsymmetrieS sin(∆m∆t) - C cos(∆m∆t),

S = sin[2(α-δ)] und δ aus

B+→ρ+ρ0 und B0→ρ0ρ0

gibt α = (100 ±13)o.

Mit BELLE undB→ππ und B→ρπergibt sich α = (101 ±11)o.


ckmLfit-0410-1

εK sin2β

Vtd

Lfitckm

Vub

É¿ Fit an die Messungen von Vub, Vtd, εK, sin2β und α:


ckmLfit-0410-1 with fit results

Fit-Resultate:

εK sin2β

Vtd

Lfitckm

Vub

λ = |Vus|= 0.2240 ± 0.0038, Aλ2 = |Vcb|=0.0416 ± 0.0008,

Aλ3√ρ2+η2 = |Vub|=0.0038 ± 0.0003, γ = 60o ± 11o.


Theorie: Giri Grossmann Soffer Zupan, PRD 68(2003)054018Exp.: BELLE 2004,

*cbcd VV

*tbtd VV

*ubudVV

γ = (68 ± 19)o

γ: CP-Asymmetrie in Zerfällen B±→ D0K±, D0 → π+π-KS

B. Aubert et al (BABAR) PRL 95 (2005) 121802

„Direkte“ CP-Verletzungmit ≈ 2,5 σ.


Theorie: Giri Grossmann Soffer Zupan, PRD 68(2003)054018Exp.: BELLE 2004,

*cbcd VV

*tbtd VV

*ubudVV

β = (21.7 ± 1.3)o

α = (101 ± 11)o

γ = (68 ± 19)o

γ: CP-Asymmetrie in Zerfällen B±→ D0K±, D0 → π+π-KS

B. Aubert et al (BABAR) PRL 95 (2005) 121802

α + β + γ = (191 ± 22)o


Direkte CP-Verletzung in B0 → K+π -

227 M BB B. Aubert et al (BABAR) PRL 93 (2004) 131801

Mehr Zerfälle B0 → K+π -

als B0 → K -π+ mit 4,2 σ.Grund: Interferenzzweier Amplituden:

B0

B0

d

Vub

d

b

s

u

ʉ

W

d

g

Vts

d

b s

uʉ

W


Konklusion:Jede bisher im Labor beobachtete CP-Verletzung ist eineEigenschaft der Higgs-Wechselwirkung, also des Standard-Modells. Damit erfüllt dieses beide Sakharov-Bedingungenan die Teilchenphysik.

Aber Rechnungen mit Standardmodell-Annahmen ergebenfür das heutige Universum: N(p,n)/n(γ) ≤ 10-20

statt wie in der kosmischen Hintergrundstrahlung gesehen:N(p,n)/n(γ) ≈ 5.10-10.

CP-Verletzung bleibt Problem für Teilchen- und Kosmophysik.

Deshalb sind die Experimentatoren in BABAR und BELLE weiter stark motiviert, in B-Zerfällen nach „neuer“CP-Verletzung außerhalb des Standardmodells zu suchen.Bisher kein Effekt mit deutlich mehr als 2σ gefunden.

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