B p - - B p - Elementarteilchenphysik Uni Rostock

Zerfälle von B-Mesonen in
Baryonen bei BaBar
Arbeitsgruppe Elementarteilchenphysik
Institut für Physik - Uni Rostock
B
Motivation
Die Untersuchung der Zerfälle von B-Mesonen ist ein zentrales Forschungsgebiet
in der Teilchenphysik. Das internationale BaBar Experiment beschäftigt sich seit
1999, unter Beteiligung der Rostocker Arbeitsgruppe, mit der Untersuchung dieser
Teilchen. Aufgrund ihrer hohen Masse ist es B-Mesonen erlaubt in Endzustände mit
mindestens einem Baryon-Antibaryon Paar zu zerfallen. Dies geschieht in etwa 7%
aller B-Zerfälle wobei bisher nur 1/7 davon bekannt ist.
Die Rostocker Arbeitsgruppe für Teilchenphysik beschäftigt sich speziell mit der
Erforschung der Mechanismen der Baryonenproduktion in B-Zerfällen. Dafür werden
aus den aufgezeichneten Daten des BaBar-Detektors B-Mesonen rekonstruiert.
Experimentelle Beobachtungen
b
1.Verzweigungsverhältnisse
U
Das B-, eines von vier B-Mesonen, besteht
aus dem schweren bottom-Quark und dem
leichten anti-up-Quark
Einen direkten Zugang zur Erforschung der baryonischen Produktionsmechanismen in B-Zerfällen ist die
Messung von Verzweigungsverhätlnissen und die Untersuchung der kinematischen Eigenschaften der
Tochterteilchen (Zerfallsdynamik). Da das b-Quark vorwiegend in ein c-Quark zerfällt, wird in der Rostocker
Arbeitsgruppe der Fokus auf Übergänge von einem B-Meson zu charmed Baryonen wie dem Lc oder dem Sc gelegt.
Das sind z.B. Zerfälle der Sorte B g Lc p + X, wobei X für weitere leichte Teilchen wie Pionen oder K-Mesonen steht.
Aus den gemessenen Verzweigungsverhältnissen der verschiedenen Zerfälle lassen sich dann Rückschlüsse
ziehen auf den Einfluss der unterschiedlichen Typen von Feynmandiagrammen, mit denen man die baryonischen
Produktionsmechanismen theoretisch beschreiben kann.
Das BaBar-Experiment
Grundlage des BaBar-Experiments ist die Erzeugung von B-Mesonen. Dafür werden am SLAC, dem
Linearbeschleunigerzentrum der Stanford Universität in Kalifornien, Elektronen und Positronen beschleunigt und in
einen Speicherring eingespeist. Hier vernichten sich die Elektronen und Positronen im Zentrum des BaBar-Detektors.
Die Energie der Teilchen ist dabei so eingestellt, dass sich aus einer Vernichtung mit möglichst großer
Wahrscheinlichkeit die Y(4S)-Resonanz bildet, einem äußerst kurzlebigen (~10-23s) Teilchen bestehend aus einem
bottom-antibottom Quarkpaar. Dieses zerfällt zu praktisch100% in zwei B-Mesonen ( B- und B+ oder B0 und B0).
e+
b
u
g
e
u
b
Y(4S)
B
Feynmangraph für den
Produktionsprozess von B-Mesonen
aus Elektron-Positron Kollisionen.
Die Schwerpunktsenergie des
e+e- Paares von 10,58 GeV
begünstigt die Entstehung der
Y(4S) Resonanz.
+
B
Nach einer Lebensdauer von ca. 1,6 ps zerfallen die B-Mesonen durch die schwache Wechselwirkung auf viele
verschieden Arten in mehr oder weniger kurzlebige Teilchen. Am Ende der Zerfallskette existieren dann nur noch
langlebige Teilchen wie z.B. Protonen, Elektronen oder K-Mesonen. Geladene Teilchen hinterlassen im
Vertex-Detektor, der Driftkammer und dem Tscherenkov-Detektor eine messbare Spur die durch das angelegte
Magnetfeld gekrümmt ist. Auf diese Weise ist eine Teilchenidentifizierung sowie die Berechnung kinematischer
Größen wie Impuls und Energie möglich, woraus sich jedem Teilchen ein Viererimpuls zuordnen lässt.
Neutrale Teilchen wie Photonen werden im elektromagnetischen Kalorimeter absorbiert und nachgewiesen.
Die gesammelten Daten werden anschließend gespeichert und für die weitergehende Analyse aufbereitet.
Insgesamt wurden bei BaBar von 1999-2008 in ca. 22 Billionen Kollisionen rund 470 Millionen B-Paare aufgezeichnet.
0
BF(B g Lc
K p+) = 2.0 . 10-4
+p -
2. Threshold enhancement
Ein interessantes Phänomen bei diversen B-Zerfällen ist die erhöhte Zerfallsrate an der Baryon-Antibaryon
Massenschwelle, was als threshold enhancement bezeichnet wird. Diese Erscheinung wurde bereits bei vielen,
aber nicht allen, Zerfallsanalysen beobachtet werden und könnte eine Schlüsselrolle im Verständnis um die
baryonischen Produktionsmechanismen spielen.
Threshold enhancement
im Zerfall B0 g Lc+p p0
Schematischer Aufbau des BaBar-Detektors
Rekonstruktion von B-Mesonen
Ereignisse / 3 MeV/c2
Für die Rekonstruktion eines bestimmten B-Zerfalls werden in jeder aufgezeichnenten e+e- Kollision die
Viererimpulse aller Tochterteilchen addiert. Der Betrag der aufsummierten Viererimpulse entspricht der invarianten
Masse des rekonstruierten B-Kandidaten. Betrachtet man den kompletten Datensatz, so ergibt sich ein breites
Spektrum mit einer charakteristischen Signalanhäufung bei der aktzeptierten B-Masse von 5,279 GeV/c2, sofern der
gesuchte Zerfall statt gefunden hat. Ein Ziel ist es nun aus der Verteilung die Signalanzahl zu bestimmen und
daraus das Verzweigungsverhältnis, also den Anteil des gesuchten Zerfalls an allen Zerfällen, zu berechnen.
mB = 5,279 GeV/c2
1400
Die Modellierung baryonischer B-Zerfälle fußt im Wesentlichen auf der Theorie der starken Wechselwirkung.
Prinzipiell ist es zwar möglich solche Prozesse zu berechnen, z.B. durch die sogenannte Gittereichtheorie,
jedoch übersteigt der Programmier- und Rechenaufwand für einen dynamischen Prozess wie einem B-Zerfall nach
Baryonen mit vielen Quarks die derzeitigen Kapazitäten. Somit bleibt vorerst nur die phänomenologische
Untersuchung solcher Zerfälle.
Ein Ansatz für die Entstehung von Baryonen aus B-Zerfällen ist das Phasenraummodell. Demnach bilden Quarks
vor allem dann Baryonen, wenn sie nahe beieinander sind und nur wenig Impuls tragen (kleiner Phasenraum).
Das würde B-Zerfälle mit schweren und somit langsamen Endprodukten favorisieren.
Ein Beispiel dafür sind die unten dargestellten Dreikörper-Zerfälle. Sie unterscheiden sich hier nur durch den
Übergang des virtuellen W- in anti-up- und down-Quark (A) bzw. anti-charm und strange Quark (B) welche mit fast
der gleichen Wahrscheinlichkeit auftreten. Insgesamt wird der schwerere Endzustand (B) etwa drei mal häufiger
beobachtet. Dies widerspricht der “Daumenregel”, dass Phasenraumgröße und Zerfallsrate proportional sind
und ist somit ein Hinweis auf die Richtigkeit des Phasenraummodells.
1200
Rekonstruierte B-Masse für den Zerfall
B- 6 Sc++ p p- p- . Das Sc++-Baryon
zerfällt am Ende in die nachweisbaren
Teilchen K- p p+ p+ .
In dieser Signalanhäufung befinden
Sich etwa 4000 Ereignisse.
800
600
400
W
5.15
5.2
5.25
5.3
5.35
5.4
mB / GeV/c2
Zur besseren Trennung von Signal und Untergrund werden bei BaBar anstelle der invarianten Masse zwei spezielle
Größen verwendet, mES und DE. Dabei nutzt man die bekannte Schwerpunktsenergie s = 10,58 GeV/c2.
mES -
c
d
u
B
200
0
5.1
energiesubstituierte Masse : mES2 = s2/4 - pB2
6 Im Vergleich zur invarianten Masse minv2 = EB2 - pB2
ist mES unabhängig von der rekonstruierten, und
damit fehlerbehafteten, Energie des B-Kandidaten.
DE - Energiedifferenz : DE = EB - s/2 , für korrekt rekonstruierte B-Mesonen liegt DE bei 0
Threshold enhancement
- +
0
+
im Zerfall B g Lc p K p
Theorie
b
1000
BF(B0 g Lc+p p0) = 2.0 . 10-4
u
(A)
u
d
u
d
u
+
Lc
b
B
p
p
c
d
u
W
u
u
d
c
s
u
+
Lc
L
c
K
(B)
Weitere Ansatzpunkte, die eine theoretische Beschreibung mit ein gehen könnten, sind der Einfluss des Isospin und
der Multiplizität auf das Verzweigungsverhältnis. Die Isospinabhängigkeit würde sich z.B. dadurch bemerkbar
machen, dass der o.g. Zerfall mit einer anderen Zerfallsrate ein Sc (Isospin=1) statt eines Lc (Isospin=0) enthält.
Die Multiplizität beschreibt die Zahl der Teilchen im Endzustand. Beispielsweise ereignet sich der Zerfall in (A) etwa
sechs mal häufiger mit einem weiteren p0 das durch eine weitere Quark-Antiquark Paarbildung ensteht.