Schlüsselexperimente der Kern

Schlüsselexperimente der
Kern- und Teilchenphysik
Messung der direkten CP
Verletzung im Kaonzerfall
Jun Nian
01.06.2007
1
Übersicht
„
„
„
„
„
Motivation
Grundbegriffe
Phänomenologische Beschreibung
(einschl. Experiment von Cronin und Fitch)
Experimente (NA48, KTeV)
Zusammenfassung und Referenzen
2
Motivation
„
„
„
„
Materie-Antimaterie Asymmetrie
Wo ist Antimaterie?
Mögliche Erklärung:
CP Verletzung im Quark-Sektor
(K ,B , D )
Aber nicht genug ...
CP Verletzung im Lepton-Sektor?
3
Operatoren
Für ein Teilchen:
P Operator:
r
r
Pψ ( x ) = ψ (− x )
A
A
A
Α
A
Α
C Operator:
C A = ηC A
CP Operator:
r
r
CP A( x ) = ηC A(− x )
4
CP-Eigenwerte von 2π und 3π
Für ein System A,B,... :
A, B, ... sind Eigenzustände von CP-Operator.
ηCP ( A, B,L) = ηCP ( A) ⋅ηCP ( B) ⋅L ⋅ (−1) L
J P (π ± ) = 0−
J PC (π 0 ) = 0−+
K ( L = 0) → 2π (π 0π 0 , π +π − )
K ( L = 0) → 2π (π 0π 0π 0 , π +π −π 0 )
CP 2π = + 2π
CP 3π = − 3π
5
Eigenzustände von Kaonen
Zur Beschreibung des neutralen K-Systems:
Flavor-Eigenzustände
K 0 = ds
S K0 = + K0
K 0 = ds
S K0 = − K0
CP K 0 = K 0 , CP K 0 = K 0
CP-Eigenzustände:
1
K1 :=
( K0 + K0 )
2
1
K 2 :=
( K0 − K0 )
2
CP = +1
CP = −1
Frage: Sind K1 und K 2 identisch mit beobachteten K S und K L ?
6
KL = K2 ?
Frage: Sind K1 und K 2 identisch mit beobachteten K S und K L ?
Frage: Sind K S und K L auch CP-Eigenzustände?
K1 (CP = +1) → 2π (CP = +1)
K 2 (CP = −1) → 3π (CP = −1)
KS → 2π (CP = +1)
K L → 3π (CP = −1)
Frage: Gibt es den Zerfall
K L → 2π ?
Suche man
das!
7
Experiment von Cronin & Fitch
(1963, Brookhaven, AGS)
Prinzip:
π
π
θ
KL
π
π
James Watson
Cronin
Val Logsdon
Fitch
(1980 Nobelpreisträger)
CP Verletzung:
K L → ππ
KL
K L → ππ
θ =0
π
Nur zwei Produkte
cos θ = 1
8
Experiment von Cronin & Fitch
(Brookhaven, AGS, 1963)
Brookhaven: RHIC+AGS
9
Aufbau des Experimentes von
Cronin & Fitch
π ± , n, K L ,L
p(30GeV)
Collimator-1
Target(Be)
Pb
Collimator-2
Magnet
π ± , π 0 , γ , n, K S , K L ,L
n, K L
10
Ergebnis des Experimentes von
Cronin & Fitch
„
Ergebnis:
45 ± 9 2π -Ereignisse
aus 22700 KL Zerfällen
494 MeV<m*(2 π )<504 MeV
Γ( K L → 2π ) 10−3
KL kein CP-Eigenzustand
CP Verletzung in
schwacher WW
11
Analyse des Zerfalls K L → 2π
(CP = −1)
KL =
1
1+ ε
2
( K 2 + ε K1 ) → 2π (CP = +1)
ε ' : Direkte CP Verletzung
2 π ( C P = + 1)
ε ≠0
ε'≠0
(CP = +1)
ε : Indirekte CP Verletzung
dominant in Cronin-Fitch-Exp.
2 π ( C P = + 1)
Indirekte CP Verletzung
Direkte CP Verletzung
Frage: Wie misst man
ε '?
12
Amplitude-Verhältnisse und
Doppelverhältnis
AmplitudeVerhältnisse:
η00 :=
π 0π 0 T K L
η+− :=
π π T KS
0
0
Komplexe Größen
π +π − T K L
π +π − T K S
Nicht zu messen!
Zu messende Größe:
Γ( K L → π π ) / Γ( K S → π π ) η00
R :=
=
+ −
+ −
Γ( K L → π π ) / Γ( K S → π π ) η+−
0
Doppelverhältnis:
0
0
0
2
13
Vereinfachungen
1. Durch Isospin-Betrachtung: η00 ≈ ε − 2ε ' η+− ≈ ε + ε '
2.
Arg (η00 ) ≈ Arg (η+− )
Arg (ε ) ≈ Arg (ε ')
Γ( K L → π π ) / Γ( K S → π π ) η00
R :=
=
+ −
+ −
Γ( K L → π π ) / Γ( K S → π π ) η+−
0
0
0
0
2
ε'
≈ 1 − 6 ⋅ Re( )
ε
10−6 /10−3 = 10−3
Sehr genaue Messung!
Zurück zur Frage: Wie misst man
R ≠1
ε'≠0
ε '
?
Man misst
ε ' nicht !
Direkte CP Verletzung
14
Experimente zur direkten CP
Verletzung
Direkte CP Verletzung:
R ≠ 1 oder Re(ε '/ ε ) ≠ 0
NA31(CERN, 1988):
Re(ε '/ ε ) = (23.0 ± 6.5) × 10−4
E731(FNAL, 1989):
Re(ε '/ ε ) = (7.4 ± 5.9) ×10
−4
stimmen nicht überein!
Neue Experimente:
CERN: NA48; FNAL: KTeV
um Fehler zu verringern
15
NA48(CERN, SPS, 1997-1999)
CERN: LHC/LEP+SPS
16
Prinzip der Strahlen-Erzeugung
Γ( K L → π π ) / Γ( K S → π π )
R :=
Γ( K L → π +π − ) / Γ( K S → π +π − )
0
KS und KL Strahlen
0
0
0
Gleichzeitig erzeugt
Gleiche Zerfallsregion
Zerfallsregion
NA48:
KL
p
p
KS
KL-Target
KL
Detektor
KS
KS-Target
17
Strahlen-Erzeugung von NA48
Proton
~1.5š1012
Protonen / Puls
Kristall
Tagger
AKS
18
Rekonstruktion von π π
& KS Anti-Counter (AKS)
+
−
KS Anti-Counter
(AKS)
π +π −
KS
π 0π 0
e+
4γ
e−
Photon-Converter
(Iridium Kristall)
3 Szintillator
Rekonstruktion von π +π −
19
Prinzip des Detektors
KL
KS
π 0π 0
π +π −
4γ
: Elektromagnetischer Calorimeter ( E )
: Spektrometer (
r
p)
, Hadron-Calorimeter ( E )
Außerdem: Hodoscope ( t ) , Muon-Anticounter ( K L
→ πµυ
)
Hodoscope
DriftChamber
Magnet
DriftChamber
El.mg.HadronCalorimeter Calorimeter
MuonAnticounter
20
Detektor von NA48
Detektor (3-dim)
21
Untergrund-Korrekturen
" KS "
KS
KL
" KL "
KS
KL
π 0π 0 π +π − π 0π 0π 0 π +π −π 0
π 0π 0 π +π − π 0π 0π 0 π +π −π 0
Kollimator
Sehr gering
π 0π 0 π +π − π 0π 0π 0 π +π −π 0
Rekonstruktion
von π +π −
1. Untergrund
K L → π eυ
K L → πµυ
π 0π 0
2. Untergrund
π +π −
Untergrund-Korrekturen
22
Korrekturen α SL und α LS
α SL : Wahrscheinlichkeit, KS als KL misidentifiziert
α LS : Wahrscheinlichkeit, KL als KS misidentifiziert
Zur Bestimmung von
+−
α SL
und
+−
α LS
:
Aus dem Diagramm kann man bestimmen:
+−
α SL
= (1.63 ± 0.03) × 10−4
+−
α LS
= (10.649 ± 0.008)%
Mit anderen Methoden kann man bestimmen:
00
+−
∆α LS := α LS
− α LS
= (4.3 ± 1.8) × 10−4
00
+−
∆α SL := α SL
− α SL
= (0.0 ± 0.5) × 10−4
23
Korrekturen und Ergebnis von NA48
Korrekturen und Fehler von R
R als eine Funktion von Kaonenergie
Re(ε '/ ε ) = (15.0 ± 1.7( stat ) ± 2.1( sys)) × 10−4
24
KTeV(FNAL, Tevatron, 1996-1997)
Tevatron
KTeV (Kaon
Experiment at
Tevatron):
E799 + E832
Main
Injector
25
Zerfallsregion und Magnet von
KTeV
Zerfallsregion
Magnet
26
Detektor und Ergebnis von KTeV
Detektor (2-dim)
Re(ε '/ ε ) = (23.2 ± 3.0( stat ) ± 3.2( sys ) ± 0.7( MC )) × 10−4
27
Zusammenfassung
„
Drei Basen vom Kaon-System:
{ K 0 , K 0 } , { K1 , K 2 }, { K S , K L }
„
Zwei Arten von CP Verletzung:
Indirekte CP Verletzung
ε ≠0
Direkte CP Verletzung
ε'≠0
Drei Experimente:
Indirekte CP Verletzung: Cronin, Fitch, 1963
Direkte CP Verletzung: NA48 & KTeV
„
28
Referenzen
„
„
„
„
„
CP Violation and K 0 Decays, K.Kleinknecht, 1976. Ann.
Rev. Nul. Sci. 26:1-50
A Precise Measurement of the Direct CP Violation
Parameter Re( ε '/ ε ), A.Lai et al., hep-ex/0110019v1
Measurements of Direct CP Violation, CPT Symmetry,
and Other Parameters in the Neutral Kaon System, A.
Alavi-Harati et al., hep-ex/0208007v1
Webseite von NA48:
http://na48.web.cern.ch/NA48/
Webseite von KTeV:
http://kpasa.fnal.gov:8080/public/ktev.html
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