CP-Verletzung in Zerfällen von B-Mesonen - Institut für Kern

K. R. Schubert, TU Dresden
K. R. U
Schubert,
TU17/10/03
Dresden
Kolloquium
Karlsruhe,
CP-Verletzung
in Zerfällen von B-Mesonen
Was ist CP-Symmetrie und -Verletzung?
Kosmologische Motivation für deren Untersuchung
1964: Entdeckung im Zerfall von K-Mesonen
37 Jahre später die zweite Evidenz: Zerfall von B-Mesonen
Neueste Resultate von BABAR und BELLE
Erklärung im Standardmodell der Teilchenphysik
Konsequenzen für Kosmologie und Teilchenphysik
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1
1. Was ist CP-Symmetrie?
Eine der diskreten Symmetrien der Quantenphysik,
P = Parität, C = Ladungskonjugation, T = Zeitumkehr.
PH(1s)=+H(1s), Atome sind P-Eigenzustände, P[H(1s)]=+1.
Grund: Bausteine sind P-Eigenzustände
und elektrische Ww. ist P-symmetrisch.
Gilt für Zustände und Übergänge, z. B. H(2p)→H(1s)+γ,
in allen Atom-Übergängen ist P erhalten.
P π0 = - π0, Hadronen & Kerne sind P-Eigenzst. P(π0) = -1.
Grund: Quarks sind P-Eigenzustände
und starke Ww. ist P-symmetrisch.
In allen Kern- und hadronischen Reaktionen ist P erhalten.
Vorsicht: P e-L = e-R P
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=
aber Q(e-L) = Q(e-R ).
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e-L und e-R haben gleiche elektrische Ladung.
Deshalb strenge P-Symmetrie der elektr. Ww.
Ebenso bei der starken Ww: P uL = uR, aber Qs(uL)=Qs(uR).
Strenge P-Symmetrie der starken Ww, obwohl s(q)=1/2.
Elektr. Ladung Q und starke Ladung Qs sind Kopplungen:
e -L
ge
dL
e -R
γ
e -L
ge
γ
gs
dR
g
dL
e -R
gs
g
dR
Völlig verschieden verhält sich die schwache Ww.:
νL
gw
e -L
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νR
W
0
e-
W
R
Die schwache Ww. ist nicht
P-symmetrisch, die Parität
ist nicht erhalten.
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P-Verletzung 1957 im Zerfall von K-Mesonen gesehen:
K+→π+π0, P=(-1)2 und K+→π+π+π-, P=(-1)3.
Erste direkte Evidenz für h (β-) = -v/c: Bienlein 1958.
Nun zum C-Operator. C e- = e+. Positron ist Antiteilchen
des Elektrons, entdeckt 1933 von Anderson. m(e+)=m(e-),
Q(e+) = - Q(e-). Elektr. Ww. ist C-, P- und CP-symmetrisch:
e+L
e -L
e -R
e+R
ge
γ
e -L
ge
γ
ge
γ
e+L
e -R
ge
γ
e+R
C u = u. m(u)=m(u), Q(u)=-Q(u), Qs(u)=-Qs(u). Starke Ww.:
dL
dR
dL
dR
gs
dL
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g
gs
dR
g
gs
dL
g
gs
g
dR
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Schwache Ww. verletzt die C-Symmetrie
Γ(µ-→e-LνeRνµL) = 1 / 2µs , Γ(µ+→e+LνeRνµL) = 0 ,
verletzt die P- und erfüllt die CP-Symmetrie:
Γ(µ-→e-RνeLνµR) = 0 ,
Γ(µ+→e+RνeLνµR) = 1 / 2µs .
Diese Eigenschaft der schwachen Ww., CP-symmetrisch
zu sein wie die starke und elektrische, galt streng bis 1964.
Starke Ww
Elektr. Ww
Schwache Ww
P
ja
ja
nein
C
ja
ja
nein
CP
ja
ja 1964 :
ja Nein!
[Es gibt neutr.Teilchen, die C-, P- und CP-Eigenzustände sind:
C γ = - γ, P γ = - γ, CP(γ)=+1, Cπ0=π0, Pπ0=-π0, CP(π0)=-1,
und andere: P n = +n, C n = n, P K0 = - K0, C K0 = K0.]
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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 Universums
damit zu erklären, dass das Universum eine Geschichte hat.
Erstaunlich erfolgreicher Versuch, sogar mit der ZusatzHypothese, dass zu jeder Zeit heutige Naturgesetze galten.
Problem: Universum besteht nur aus Materie, alle früher
vorhandene Antimaterie wurde vernichtet:
qq →...→ e+e-+γ+νν, e+e- → γ γ. ⇒ heute N(q)=0, aber
N(q)/N(γ) ≈ 10-9 gemessen.
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Hier vernichten sich Protonen
Geschichte
des Universums
und Antiprotonen bis auf 10-9
1032 K
1019 GeV 1027 K
1015 K
100 GeV
1012 K
100 MeV
Irgendwann hier ist der
kleine Unterschied
q : q = (1+10-9) : 1
entstanden. „Baryogenese“
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109 K
0,1 MeV
6000 K
0,5 eV
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Baryogenese: Erzeugung des kleinen Unterschiedes
N(q)/N(q)=1+10-9. Bedingungen von A.D.Sakharov 1967:
JETP Lett. 5 (1967) 24
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 Teilchenphysik 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(ue-→ uuud), CP ok, B verletzt, B-L ok.
σ(µ-νµ→ e-νe) < σ(µ+νµ→ e+νe), B ok, L ok, CP verletzt.
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3. Entdeckung der CP-Verletzung:
1964 durch Christenson, Cronin, Fitch und Turlay im Zerfall
neutraler K-Mesonen. K0 = 11S0 sd, m = 497 MeV, τ = 10-10s.
Seltsames Teilchen: Zerfallsgesetz ist nichtexponentiell.
ln N
dominant π+πdominant
π+π-π0
t
CP-Erhaltung: p=q
CP-Verletzung: p≠q
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Erklärung durch
K0K0-Mischung,
K0 = C K0 = 11S0 sd
K0 → kohärente
Mischung von
K0 und K0
2 spezielle Mischungen
zerfallen exponentiell:
KS = pK0 + qK0 ,
KL = pK0 - qK0 .
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CP-Verletzung an neuerem Experiment demonstriert:
CPLEAR 1999, pp → K+π−K0, K-π+K0; K0, K0 → π+π−
Asymmetrie zwischen den
π+π–-Zerfällen von markierten
K0 und K0 als Funktion der Zeit
zwischen Produktion und Zerfall.
a (t ) =
=
N ( K 0 →π +π − ) − N ( K 0 →π +π − )
N ( K 0 →π +π − ) + N ( K 0 →π +π − )
π/∆mK
− 2 η +− e −( ΓS +ΓL ) t / 2 cos ( ∆m K ⋅ ∆t − ϕ +− )
e −Γ S t + η + −
η + − = ( 2 .27 ± 0 .02 )⋅ 10
2
e −Γ L t
−3
⋅ e
i ( 43 .3 ± 0 .5 )
∆m K = m ( K L ) − m ( K S ) ≈ Γ ( K S
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o
)
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Erklärung der Mischung
∆mK im Standardmodell:
s
c
K0 W
d
d
W K0
c
s
Die beobachtete
CP-Verletzung ist auch
T-Verletzung, Verletzung
der Zeitumkehrinvarianz.
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Erklärung der CP-Verletzung
η+- im Standardmodell:
s
u,c,t
K0 W
d
d
W K0
u,c,t
s
Die 4x3 Kopplungen sind
komplexe Zahlen. Ihre
Interferenzen führen zu
Γ(K0 → K0) < Γ(K0 → K0)
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37 Jahre war das K0 das einzige System der Teilchenphysik
mit CP-Verletzung. Im Sommer 2001 gelang der Nachweis
im Zerfall von B0-Mesonen:
B
BA
AB
BAR
AR
29
29 fb
fb−−11
K→π+π-
B0
-5
B0
5 ∆t(ps)
0
Belle
B0
B0
-4
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0
4
∆t(ps)
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4. CP-Verletzung in B-Mesonen-Zerfällen:
1977
1978
1980
1985-89
1987
1988
1993
1995
7/98
5/99
7/00
10/00
7/01
Entdeckung des b im Y(9.46) = 13S1bb am FNAL
Formation von Y(9.46) und Y(10.01) am DESY
Erste B-Mesonen 13S1bd in Cornell, DESY 1984
„B-Mesonen-Fabrik“-Planung am PSI
ARGUS-Entdeckung der BoBo-Oszillationen
Beginn der PEP-II-Studien am SLAC
Entscheidungen für PEP-II und KEK-B,
TU Dresden beteiligt sich bei SLAC
BABAR „TDR“ & Genehmigung
Erste e+e- Kollisionen in PEP-II
Erste e+e- Ereignisse in BABAR
Erste 15 Resultate auf der Osaka-Konferenz
PEP-II erreicht Design-Lumi von 3 • 1033 /cm2/s
BABAR findet sin2β ≠ 0 mit 4σ, BELLE gleichzeitig
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Suche nach CP(B) war gezielt; keine Zufallsentdeckung.
Standardmodell erwartet:
(
)
− Γ ( B 0 → J / ψ K S0 )
A=
= sin 2 β ⋅ sin [∆m (t Zerfall − t Pr od . )]
0
0
0
0
Γ ( B → J /ψ K S ) + Γ ( B → J /ψ K S )
Γ B 0 → J / ψ K S0
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+
ge
ge b
γ
e-
b
g
Y(4S),10.58 GeV
gs
gs
B0
B0
Alternativen: Z0 →bb (LEP nur 106),
hadronische Produktion (viel Untergrund).
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d
d
gw
K0
c
gw W
J/ψ
c
14
s
Die B-Mesonen-Fabrik PEP-II:
Plan
erreicht
E [GeV] e- / e+
9.0 / 3.1
ja
I [A] e- / e+
0,6 / 2,1
1,2 / 1,7
L [cm-2 s-1]
3 x 1033
6,6 x 1033
135
395
Lint [pb-1/Tag]
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15
← Linac
←Fixed-Target
-Experimente
← BABAR
← SLD
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Tägliche und Integrierte Luminosität, Okt.1999 – Okt. 2003
Design
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Der BABAR – Detektor:
(4) Elektromagnetisches
Kalorimeter
(3) CerenkovDetektor
(5) 1.5 T Solenoid
(6) Instrumentiertes Eisenjoch
e+
e-
(1) Silizium-Vertex-Detektor
(2) Driftkammer
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BABAR-Kollaboration: 10 Länder, 75 Institute
China [1/6]
Inst. of High Energy Physics, Beijing
Deutschland [4/21]
U Heidelberg
U Rostock
Ruhr U Bochum
Technische U Dresden
Italien [12/89]
INFN Bari
INFN Ferrara
INFN Frascati
INFN Genova
INFN Milano
INFN Napoli
INFN Padova
INFN Pavia
INFN Pisa
INFN Roma
INFN Torino
INFN Trieste
Kanada [4/16]
U of British Columbia
McGill U
U de Montréal
U of Victoria
Niederlande [1/4]
NIKHEF Amsterdam
Norwegen [1/3]
U of Bergen
Russland [1/13]
Budker Inst., Novosibirsk
Frankreich [5/50]
LAPP, Annecy
LAL Orsay
LPNHE des Universités Paris 6/7
Ecole Polytechnique
CEA, DAPNIA, CE-Saclay
Großbritannien [10/80]
U of Birmingham
U of Bristol
Brunel University
U of Edinburgh
U of Liverpool
Imperial College
Queen Mary & Westfield College
Royal Holloway, University of
London
U of Manchester
Rutherford Appleton Laboratory
520 Physiker
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USA [35/276]
Caltech, Pasadena
UC, Irvine
UC, Los Angeles
UC, San Diego
UC, Santa Barbara
UC, Santa Cruz
U of Cincinnati
U of Colorado
Colorado State
Florida A&M
U of Iowa
Iowa State U
LBNL
LLNL
U of Louisville
U of Maryland
U of Massachusets
MIT
U of Mississippi
Mount Holyoke College
Northern Kentucky U
U of Notre Dame
ORNL/Y-12
U of Oregon
U of Pennsylvania
Prairie View A&M
Princeton
SLAC
U of South Carolina
Stanford U
U of Tennessee
U of Texas at Dallas
Vanderbilt
U of Wisconsin
Yale U
21
Dresdner Beiträge zum Kalorimeter:
10 % der 6580
CsI(Tl)-Kristalle
Alle Photodioden
Optimierung der
Lichtausbeute
Mechanik der
Auslese-Elektronik
Lichtpulsersystem
zur Monitorierung
Bhabha-Eichung
πo-Eichung
e-Identifizierung
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Ein vollständig rekonstruiertes Ereignis in BABAR:
CP-Eigenzustand
Y
Flavour-Eigenzustand
solche Ereignisse sind sehr selten, o(10-6)
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Messung der B0B0-Mischung mit BABAR, 20 M Y(4S):
βγ =
0.55
ϒ(4S)
B0
lA
<∆z> = 250 µm
B0
A ( ∆t ) =
l+
N ( l + l − )( ∆t ) − N ( l ± l ± )( ∆t )
N ( l + l − )( ∆t ) + N ( l ± l ± )( ∆t )
∆mB = (0.499 ± 0.010 ± 0.012) h ps-1
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Jetzt zur CP-Asymmetrie:
(
)
− Γ ( B 0 → J / ψ K S0 )
A=
= sin 2 β ⋅ sin [∆m (t Zerfall − t Pr od . )]
0
0
0
0
Γ ( B → J /ψ K S ) + Γ ( B → J /ψ K S )
Γ B 0 → J / ψ K S0
Auf der Y(4S)-Resonanz wird
kohärenter 2-Teilchen-Zustand
(BoBo-BoBo)/√2 erzeugt:
(tZerf. − tProd. ) ⇒ (tZerf. − tTag) = ∆ t
Γ
B0
Integral von A über alle ∆t
ist null,
zeitabhängige Messung
notwendig.
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B0
∆t/τ
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Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie:
~ ~
A (∆ t ) =
(
) (
) = D ⋅ sin 2 β ⋅ sin( ∆m ∆t) ⋅ r ( ∆~t - ∆t )d∆t
∫
Γ ( B 0 → J / Ψ K S0 ) + Γ (B 0 → J / Ψ K S0 )
Γ B 0 → J / Ψ K S0 − Γ B 0 → J / Ψ K S0
4: Flavour-Bestimmung des
anderen B-Mesons (“tag”)
βγ = 0.55
Υ(4S)
e+
1, 2, 3: Rekonstruktion
des CP-Eigenzustands
6: Bestimmung von ∆t = ∆z/βγc
5: Bestimmung des Anteils w von falschen Tags
7: Bestimmung
der ∆z-Auflösung
Dilution D = (1-2w) reduziert die beobachtete Asymmetrie.
8: sin2β−Fit an beide Zeitverteilungen
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Ereignis-Selektion in B → J/ψKS
1. J/ψ Rekonstruktion
π+π-
J/ψ → µ+µ-
J/ψ → e+e-
N
2. K0 Rekonstruktion
N
π0π0
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3. B0 Rekonstruktion:
∆E = E*(J/ψ)+E*(K0) – ECMS/2
mES2 = (ECMS/2)2 – [p(J/ψ)+p(K0)]2
mES
Mehr CP-Moden
Zusätzlich zu
B0 → J/ψ KS :
J/ψ KS
∆E
∆E
MeV
B0 → ψ(2S) KS
B0 → χc1 KS
alle mit CP = -1 und
B0 → J/ψ KL CP = +1
B0 → J/ψ K0*(KSπ0)
CPeff = +0.65±0.07
mES GeV
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Daten 1999-2002: 81/fb auf dem Y(4S) , 90 M BB
CP = -1
N = 1506 (inkl. ηcKS)
nach Tagging.
Reinheit
= S/(S+B) = 94%
B0 → J/ψ K0L : Nur
K0L-Richtung wird im
EMC oder IFR
gemessen,
Energie aus der
m(B0)-Bedingung
Ntot = 2641 (inkl. J/ψK0*)
78% rein
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4. Flavour-Tagging des CP-Eigenzustands bei ∆t=0
durch flavour-spezifische Zerfälle des anderen B:
Elektronen, Myonen, geladene Kaonen, oder Combi.
5. Anteil w der Mistags
wird aus dem
„Flavour Sample“
bestimmt.
B0 → J/ψK*0(K+π−),
D(*)-π+,D(*)-ρ+...
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6. Bestimmung von ∆t = ∆z/βγc :
∆z = zZerfall – zTag, mit ztag aus Vertexfit mit zwei oder mehr
Spuren mit kleinem χ2-Beitrag zu diesem Fit.
7: Bestimmung der Auflösung für ∆z:
Gleiche Funktion
~
R i ( ∆ t − ∆t )
an Flavour- und CP-Daten fitten
Perfekte Zeitauflösung
Reale Zeitauflösung
FlavourEreignisse
mit
1 ± cos∆mt
∆t
∆t
∆t
∆t
CP-Ereignisse
mit
1 ± sin2β sin∆mt
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8. sin2β−Fit
an die ∆tVerteilungen
sin2β =0.741 ± 0.067 ± 0.033
Ergebnisse haben sich deutlicher
verbessert als mit 1 / N
σ(sin2β)
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Alle Ergebnisse für sin2β:
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+
1.8
OPAL
3.2 - 2.0 ± 0.5
ALEPH
0.84 + 0.82 ± 0.16
CDF
0.79
BABAR 02
0.741 ± 0.067 ± 0.033
BELLE 03
0.733 ± 0.057 ± 0.028
Mittel
0.737 ± 0.048
- 1.04
0.41
- 0.44
+
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(15 σ)
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5. Erklärung von CP(K) und CP(B):
Messwerte von η+- und sin2β sind kompatibel miteinander
und mit der Hypothese, dass sie von der schwachen Ww.
des Standardmodells erzeugt werden.
tL
uL
cL
νeL
gw
gw
gw
gw
W
W
W
W
b‘L
d‘L
s‘L
e -L
d'
d'
s'
= V ud ⋅ d + V us ⋅ s + V ub ⋅ b
= V cd ⋅ d + V cs ⋅ s + V cb ⋅ b
s'
*
*
*
= V ud
⋅ d + V us
⋅ s + V ub
⋅b
*
*
*
= V cd
⋅ d + V cs
⋅ s + V cb
⋅b
b'
=
b'
=
V td ⋅ d + V ts ⋅ s + V tb ⋅ b
V td* ⋅ d + V ts* ⋅ s + V tb* ⋅ b
CKM-Matrix Vij beschreibt Quarkmischung als Ursache von
Higgs-Kopplung an Quarks. Wenn Vij ≠ Vij*, dann koppelt
Higgs verschieden an Quarks & Antiquarks und erzeugt CP.
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V ist unitär, V V+= 1.
*
) ≠ 0.
CP ⇔ J = Im ( V ik V il*V jl V jk
2

−
1
λ
/2
λ

−λ
V ≈
1− λ 2 / 2

3
2
 Aλ ( 1 − ρ − iη ) − Aλ

Aλ 3 ( ρ − iη ) 
 ; J ≈ A 2 λ 6η .
Aλ 2

1


A, λ, ρ, η sind 4 der 18 „freien Parameter“ des St.modells.
*
6 Unitaritätsbedingungen
V ud V ub
− Aλ 3 + V td V tb* = 0 ,
können als Dreiecke
*
3
3
V
/
A
λ
+
V
/
A
λ
≈ 1.
gezeichnet werden, z.B.:
ub
td
¿
É=ρ(1-λ2/2), ¿ =η(1-λ2/2).
Vub*/Aλ3
Vtd /Aλ3
Fläche dieses
„Unitartitätsdreiecks“ ist J/2.
β
0
1
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É
Messungen von λ und A:
λ = 0.22 ± 1% , A = 0.83 ± 5%.
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|Vub|-Messung mit Γ(B→πlν,ρlν) und ∆Γ(B→Xulν):
ckm
Lfit
¿
Max L, ±1σ, ±2σ
ckmLfit-0307-1
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|Vtd|-Messung mit ∆m(B0) und ∆m(Bs):
ckm
Lfit
¿
Max L, ±1σ, ±2σ
∆m(B0),∆m(Bs)
ckmLfit-0307-9
Γ(b → ulν)
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É-¿-Fit:
ckm
Lfit
¿
Max L, ±1σ, ±2σ
∆m(B0),∆m(Bs)
ckmLfit-0307-10
Γ(b → ulν)
Allein aus Messungen der Dreiecksseiten (keine CP) geschlossen:
Das Standard-Modell verletzt die CP-Symmetrie
Aber der Punkt (É,¿) = (0,37; 0) ist mit nur 2 σ ausgeschlossen.
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Die CP-Verletzung η+ - im Zerfall K0 → π+π− :
ckm
Lfit
¿
Max L, ±1σ, ±2σ
∆m(B0),∆m(Bs)
ckmLfit-0307-11
η+ Γ(b → ulν)
Der Messwert von η+ - ist voll mit dem Punkt (É,¿) aus
den Messungen von |Vub| und |Vtd| kompatibel.
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Die CP-Verletzung sin2β im Zerfall B0 → J/ψ K0 :
ckm
Lfit
¿
Max L, ±1σ, ±2σ
∆m(B0),∆m(Bs)
ckmLfit-0307-12
η+ -
sin2β
Γ(b → ulν)
Der Messwert von sin2β ist ebenfalls kompatibel mit
dem Standardmodell.
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Gemeinsamer Fit:
ckm
Lfit
¿
Max L, ±1σ, ±2σ
∆m(B0),∆m(Bs)
η+ -
sin2β
β
Γ(b → ulν)
λ = 0.2235 ± 0.0033 ( ± 1.5 % )
A λ2 = 0.0415 ± 0.0011 ( ± 2.7 % )
A λ3 √ ρ2 + η2 = 0.0038 ± 0.0004 ( ± 10 % )
atan (η/ρ) = (58 ± 19)o ( ± 5 % of 360o )
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6. Kosmologische Konsequenzen:
Jede bisher im Labor beobachtete CP-Verletzung ist eine
Eigenschaft der Higgs-Wechselwirkung, also des StandardModells. Damit erfüllt dieses beide Sakharov-Bedingungen
an die Teilchenphysik.
Aber Rechnungen mit Standardmodell-Annahmen ergeben
N(B)/n(γ) ≤ 10-20
statt wie in der kosmischen Hintergrundstrahlung gesehen:
N(B)/n(γ) ≈ 10-9.
CP-Verletzung bleibt Problem für Teilchen- und Kosmophysik.
Deshalb sind die Experimentatoren in BABAR und BELLE
weiter 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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