Erzeugung von Resonanzen in e+e--Wechselwirkungen

Erzeugung von Resonanzen in
e+e--Wechselwirkungen
30.11.2005 - Seminarreihe
„Hadronenspektroskopie und Erzeugung von
Resonanzen““
Torsten Schröder
Institut für Experimentalphysik I - Ruhr-Universität Bochum
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 1
Inhalt
• Quarkerzeugung in e+e--Wechselwirkungen
• Experimentelle Umgebung
• Hadronen mit Charm
• Initial State Radiation
• Ausblick: Top- und Higgsproduktion
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 2
Grundlagen
Quarkerzeugung in e+e--Wechselwirkungen:
* virtuelles Photon oder Z0
e+ + e- → γ* → q + 0*
(e+ + e- → Z → q + bei hoher CMS-Energie))
γ: JP = 1- → nur Resonanzen mit JP = 1-, z.B. φ, J/ψ, Y(4S)
nicht-resonanter Bereich: keine gebundenen q-Zustände
Hadronisierung
starke WW → neue q-Paare durch Gluonen → Hadronen
hohe Energien:
Hadronen in zwei Jets
q
q
Torsten Schröder
drei Jets: e+ + e- → γ* → q + + g
analog zu e.m. Bremsstrahlung
Wkt. ~ αs
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 3
Grundlagen
totaler WQ für prim. q-Erzeugung analog zu Myonpaarerzeugung
σ(e+e-→ qff) = 3Qf2σ(e+e-→ µ+µ-)
σ(e+e- → Hadronen) Σfσ(e+e- → qff)
R=
=
σ(e+e- → µ+µ-)
σ(e+e- → µ+µ-)
R
R(E)uds = 2
R(E)udsc = 10/3
R(E) = 3ΣQf2
f
R(E)udscb = 11/3
R(E)udscbt = 5
(→ mt > 18GeV/c2)
1984
ECMS/2 [GeV]
Torsten Schröder
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Experimentelle Umgebung
Elektron-Positron Collider: PEP-II / Stanford
CLEO
(CESR / Cornell)
BELLE
BELLE
(KEK-B / Tsukuba)
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Experimentelle Umgebung
• e+e- → γ* → bŠ
Y(4S)
e-
B+
e+
B• nicht-resonante q-Erzeugung: e+e- → γ* → q
e+e- → σ [nb]
bŠ
1,05
c
1,30
s
0,35
dñ
0,35
uș
1,39
Torsten Schröder
316 · 106 bŠ-Paare
b → cW- (Cabibbo-erlaubt)
391 · 106 c-Paare
c-Ereignisse ergiebige Quelle für D-Mesonen
B-Fabrik → Untersuchungen in der
Charm-Physik
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Ds Spektrum
2003: 4 exp. beobachtete
Ds-Zustände (c bzw. s)
Grundzustände (s-Wellen, L=0)
Ds(1969), Ds*(2112) bekannt
4 p-Wellen Zustände (L=1)
→ bereits beobachtet:
Ds1(2536) und Ds2(2573)
Neue Zustände:
(beobachtet 2003 von Babar/Cleo)
Ds2(2573)
Ds1(2536)
Ds
Ds*
Theorie
Messung
DsJ*(2317)± → Ds± π0
DsJ(2460)± → Ds*± π0
fehlende p-Wellen Zustände?
L=0
L=1
Potentialmodell von Godfrey, Isgur
Torsten Schröder
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Ds Spektrum: Neue Zustände
2003: 4 exp. beobachtete
Ds-Zustände (c bzw. s)
Grundzustände (s-Wellen, L=0)
Ds(1969), Ds*(2112) bekannt
4 p-Wellen Zustände (L=1)
→ bereits beobachtet:
Ds1(2536) und Ds2(2573)
Neue Zustände:
(beobachtet 2003 von Babar/Cleo)
Ds2(2573)
Ds1(2536)
DsJ(2460)
DsJ*(2317)
Ds
Ds*
Theorie
Messung
DsJ*(2317)± → Ds± π0
DsJ(2460)± → Ds*± π0
fehlende p-Wellen Zustände?
L=0
L=1
Potentialmodell von Godfrey, Isgur
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 8
Ds Spektrum: Neue Zustände
DsJ*(2317), DsJ(2460)
• Massen niedriger als durch
Modell vorhergesagt
(2480 bzw. 2570 MeV)
• Quarkinhalt c ?
Isospin verletzender Zerfall
DsJ*(2317)± → Ds± π0 (0 → 0 1)
(I-erhaltender Zerfall nach DK
nicht möglich ← Masse)
geringe Breite
ebenso DsJ(2460)± → Ds*±π0
geringe Breite → Zerfall nach DK
P
+
findet nicht statt → J = 1 ?
Torsten Schröder
Ds2(2573)
Ds1(2536)
DsJ(2460)
DsJ*(2317)
Ds
Ds*
L=0
Theorie
Messung
L=1
Potentialmodell von Godfrey, Isgur
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DsJ*(2317)± - Masse und Breite
Maximum Likelihood Anpassung mit
verschied. Werten für Γ an Daten
DsJ*(2317) → Ds±π0
m = 2319,6 ± 0.2 (stat)
± 1,4 (syst) MeV/c2
Ds *
DsJ(2460) → Ds±π0(γ)
Ds*(2112)± → Ds±γ + γ
Γ < 1.9 MeV/c2 (95% CL)
maximal bei 1 MeV/c2 → Breite?
Γ < 3,8 MeV/c2 (mit syst. Fehler)
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Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 10
DsJ*(2317)± - Isospin
•
Isospintriplet?
(I = 1, I3 = 0, ± 1)
•
Suche nach DsJ*(2317)0 und
DsJ*(2317)++
•
DsJ*(2317)0 → Ds+π-
gleiche Raten für alle drei
(I = 1)-Zustände erwartet
kein Signal in den Kanälen
Ds+π- und Ds+π+
Isospin = 0
c oder DK-Molekül
2.317
B(DsJ*(2317)0 → Ds±π∓)
-2
<
1,7
·
10
*
±
±
0
B(DsJ (2317) → Ds π )
DsJ*(2317)++ → Ds+π+
(95% CL)
*(2317)++
B(DsJ
→ Ds
-2
<
1,27
·
10
*
±
±
0
B(DsJ (2317) → Ds π )
Torsten Schröder
±π±)
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 11
DsJ(2460)± - Masse und Breite
DsJ(2460) → Ds±γ
m = 2460,09 ± 0,23 (stat)
± 0,79 (syst) MeV/c2
Breite: analog zu DsJ*(2317)
Zerfall DsJ(2460) → Ds±π0γ
Γ < 1.9 MeV/c2 (95% CL)
Γ < 6,4 MeV/c2 (95% CL)
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 12
DsJ(*) - Bestimmung von JP
Bestimmung des Spins aus Analyse der Zerfallswinkel
B → DsJ*(2317)D (DsJ*(2317) → Dsπ0),
0- → J(DsJ)P 0B → DsJ(2460)D (DsJ(2460) → Dsγ / Dsπ0)
B, D pseudoskalare Mesonen: J = 0 Drehimpulserhaltung
Gesamtspin des DsJ kompensiert durch Bahndrehimplus L (des Zerfalls)
Paritätserhaltung: -1 → P (-1) (-1)L
DsJ polarisiert produziert → charakteristische Zerfallswinkelverteilung
Winkelanteile der Teilchenwellenfunktionen durch Kugelfunktionen
gegeben
AufenthaltswahrY00 = konst.
Y20 ~ cos2 θ − 1
scheinlichkeit ~ | YJJz|2
Y ~ cos θ
Y ~ cos θ sin θ exp (iφ)
10
Y11 ~ sin θ exp (iφ)
Torsten Schröder
21
Y22 ~ sin2 θ exp (2iφ)
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 13
DsJ(*) - Bestimmung von JP
Helizitätswinkel ΘH: Winkel zwischen Ds und B im Ruhesystem des DsJ
Ds
DsJ→ Dsπ0
DsJ* → Dsγ
ΘH
DsJ
B
D
γ, π0
J=0
homogen
homogen
J=1
cos2ΘH
cos4ΘH - cos2ΘH
sin2ΘH
J=2
DsJ∗+(2317) → Ds+π0
sin4ΘH - sin2ΘH
DsJ+(2460) → Ds+γ
JP = 0+
BELLE
JP = 1+
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 14
DsJ(*) - Quarkinhalt
Erste Beobachtung des Zerfalls B0 → DsJ*-K+
Quarks: bñ → csș )DsJ*- → Ds-π0 (Ds → φπ, K*K, KSK)
BELLE
B (B0 → DsJ*-K+ ) · B (DsJ*- → Ds-π0) = (5,3 ± 1,4 ± 0,7 ± 1,4)· 10-5
B (B0 → DsJ*-K+ ) · B (DsJ*- → Ds-π0)
= 1,8 ± 0,6
0
+
B (B → Ds K )
B (B0 → DsJ*+D- ) · B (DsJ*+ → Ds+π0)
B (B0 → Ds+D- )
W-Austausch
Torsten Schröder
= 0,13 ± 0,05
DK-Molekül
Final-state Wechselwirkung 4-Quark-Zustand
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 15
Ds1(2536)±
Γ = 1,162
± 0,064 MeV/c2
∆m = 27,270
± 0,033 MeV/c2
PDG (2004)
Ds1(2535)± → D*±KS0
D0π±
K∓π±
K∓π±π±π∓
Γ = 1,068
± 0,089 MeV/c2
∆m = 27,250
± 0,030 MeV/c2
Γ = 1,130 ± 0,052 MeV/c2
(PDG: Γ < 2,3 MeV/c2)
∆m = 27,259 ± 0,022 MeV/c2
→ m(Ds1) = 2534,93
± 0,02 (stat) ± 0,5 (syst) MeV/c2
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 16
Λc(2284)±
Baryon (udc)
PDG (2002): m(Λc±) = 2284,9 ± 0,6 MeV/c2
• m(Λc± → Λ0KS0K±) = 2286,501 ± 0,042 (stat) ± 0,144 (syst) MeV/c2
• m(Λc± → Σ0KS0K±) = 2286,303 ± 0,181 (stat) ± 0,126 (syst) MeV/c2
m(Λc±) = 2286,456 ± 0,142 MeV/c2
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 17
Exotische Teilchen
• 4- und 5-Quark-Zustände (Moleküle), q-Gluon-Hybride
• Charmonium Hybrid Mesonen ψg (cg)
im Massenbereich 4 – 4,2 GeV aus B-Zerfällen erwartet
• geringe Zerfallsbreiten vorausgesagt
• X(3940) - beobachtet in e+e- → J/ψX(3940)
Y(3940) - beobachtet in B → Y(3940)K, Y(3940) → J/ψω
Z(3930) - χc2` Kandidat? beobachtet in γγ → Dð
Y(4260) - Masse, Breite, Produktion und Zerfallsmoden → cg
X(3872) - DD*-Molekül?
BELLE
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 18
Initial State Radiation (ISR)
• PEP-II : E(e+) = 9.0 GeV, E(e-) = 3.1 GeV
feste CMS-Energie
• ISR → variable CMS-Energie für Hadronenproduktion
γISR
Photon-Emission im
Eingangskanal
(Bremsstrahlung)
reduzierte CMS-Energie:
s´ = s – 2
Eγ
• BABAR Energiebereich 0 <
< 7 GeV, Eγ = 3 – 5.3 GeV
ISR-Photon → Nachweis mit EMC
• FSR-Effekte klein, kinematisch unterscheidbar
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 19
ISR - Anwendungen
• X(3872)
nicht beobachtet in e+e- → γISRX(3872),
X(3872) → J/ψ π+πkein JPC = 1-- Zustand
erwartet für schmalen Zustand
oberhalb Dð-Schwelle
Ψ(2S)
X(3872)
• Y(4260)
e+e- → γISRY(4260)
Y(4260) → J/ψ π+πNY = 125 ± 23
JPC = 1-Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 20
ISR - Anwendungen
• Totaler Wirkungsquerschnitt σ(e+e- → Hadronen)
σ(e+e- → Hadronen)
R(s) =
σ(e+e- → µ+µ-)
• WQ → hadronische Korrekturen für
- QED Kopplungskonstante
-α
∆αQED =
3π
Had
∞
∫
Parameter für Standardmodell
→ indirekte Messung
der Higgs-Masse
R(s) mZ2
ds
s(s-mZ2)
4mπ2
- anomales magnetisches Moment des Muons
aµHad =
(αmµ)2
(3π)2
Torsten Schröder
∞
∫
R(s)K(s)
s2
2
ds
4mπ
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 21
ISR - Anwendungen
• e+e- → p
γ(ISR)
• Messung des e+e- → p
-WQ und des Proton-Formfaktors
• ISR: Massenbereich 2mp bis
• Bisher: |GE| = |GM|, konsistent mit Messungen (PS170, LEAR)
•
Proton-Winkelverteilung
θp → |GE|/|GM|
ISR: gesamter θp-Bereich
Torsten Schröder
γISR
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 22
ISR - Anwendungen
• e+e- → p
Wirkungsquerschnitt
aus WQ: |GE|/|GM| > 1
bis Mp
= 2.1 GeV
Unterschied zu PS170 Ergebnis
Torsten Schröder
• Formfaktor des Protons
Fp
komplexe Abhängigkeit von Mp
σp
, Fp
starker Abfall zw. 2,25 – 3 GeV
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Top-Produktion
JLC (geplant)
= 500 GeV
→ t-Produktion
• Top-Quark: Masse 174,3 GeV/c2
Γ = 1,5 GeV / τ = 4 · 10-24 s
• mt > mW+ mb
Zerfall t → W+b ≈100%
• QCD Hadronisierung: 10-23 s → t zerfällt als freies Quark
keine Hadronen mit t
tŧ-Resonanzen (Toponium), t zerfällt bevor tŧ-Annihilation
(Unterschied zu c, bŠ)
• tŧ-WQ → t-Masse, Zerfallsrate, Kopplungsstärke an Gluonen, αS
e+e- → tŧH
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 24
Higgs-Produktion (JLC)
•
•
•
•
Fermionen, Eichbosonen, Higgs-Boson
Eichbosonen masselos, Masse durch Higgs-Teilchen
Produktion nicht direkt beobachtet
Masse 114 < mH < 222 GeV (95% CL)
Higgs-Strahlung
H → bŠ: 67% )
Torsten Schröder
W bzw. Z-Fusion
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Literatur
•
•
•
•
•
•
•
•
•
D. Griffiths: Einführung in die Elementarteilchenphysik
B. Povh: Teilchen und Kerne
Heavy Quarkonium Physics Yellow Report
A. Palano: The discovery of two new surprising Ds states
Modern Physics Letters A
A. Palano: Study of DsJ radiative decays
BaBar Analysis Document 790 (2005)
M. Pelizäus: Untersuchung der Systeme Ds+π+π-, Ds+π- und Ds+π+ in
c-Fragmentationsereignissen
Dissertation (2005)
S. Riccardi: B decays to open charm
Vortrag, ICHEP (2004)
B. Golob: New Resonances at Belle
Vortrag, Cracow Epiphany Conference Vortrag (2005)
S. Prell: Determination of the Spin and Parities of DsJ*(2317) and
DsJ(2460) in B decays
Vortrag, BaBar Collaboration Meeting (2003)
Torsten Schröder
Erzeugung von Resonanzen in e+e—Wechselwirkungen - 26
CKM-Matrix
• Semileptonische und hadronische Zerfälle
Vcs
DsVcb
D0(*)
• Elemente der CKM-Matrix Vij: → Stärke der elektroschwachen
Kopplung W - Quark
• Übergangwahrscheinlichkeit i → j prop. zu |Vji|2
Vub = 0,005 Vcb = 0,04
b → W-c: Cabibbo-erlaubt (CKM-favored)
b → W-u: Cabibbo-unterdrückt (CKM-disfavored)
→ B-Fabrik auch ergiebige Quelle für Teilchen mit Charm
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