Entdeckung der B - Oszillation mit ARGUS (1987)

Entdeckung der B Oszillation mit ARGUS
(1987)
Überblick
¾ Kaonen Ù B-Mesonen
¾ Experimenteller Aufbau
¾ Messung
¾ Auswertung
¾ Ausblick
Kaonenzerfall
K0 = p K L + q K S
K0 = p K L − q K S
K L , K S Masseneigenzustände
Zeitentwicklung
K 0 (t ) = p K L exp{imL t} + q K S exp{imS t}
K 0 (t ) = p K L exp{imL t} − q K S exp{imS t}
Für exp{i (mS − mL )T } = −1:
K 0 (t = T ) = K 0
Kaon Oszillation
B-Mesonen
B = (b d ) = B ⇔ K = (s d )
0
d
0
0
B = (b s )
0
s
Analoges Verhalten von B- und K-Mesonen
B : (5279.4 ± 0.5) MeV/c
0
B : (5367.5 ± 1.8) MeV/c
0
s
2
2
Zerfälle
e e → Y (4 s ) (Resonanz des (bb ) Mesons)
+ −
+
Y (4s) → B B , B B
0
0
*−
*−
0
0
−
B → D + ... z.B. Pions, Leptonen
D → D + ...
D →K
0
+
b
e+
+ ...
u, d
γ
u, d
eϒ(4s)
b
Doris II
¾ DOppel-RIng-Speicher
¾ e+e-
- Collider
¾ Energie: 10,6 GeV
¾ 300m Umfang
¾ Luminosität: 103 pb-1
bis 1986
für Y(4s) von 1983
Argus
¾ Detektor an Doris
¾ Universeller Detektor für Energien um
10GeV
¾Æ
Notwendige Kompromisse
Haupt Drift Kammer
Haupt Drift Kammer
¾ |cosθ|<0.76 für ganze
Tracks
¾ ~25000 Kathodendrähte
¾ ~6000 Anodendrähte
¾ Spannung: ~ 1N
¾ Spurauflösung: 200µm
¾ Magnetfeld: B = 0,8T
Energieverlust
¾ Abstand zwischen Anodendrähten: 18mm
¾ Æ Ideal für Energieverlustmessung:15mm
¾ π/K-Separation bis 0,7GeV in 3σ
Time-Of-Flight (TOF)
Time-Of-Flight (TOF)
¾ Messung der
Geschwindigkeit
¾ σ=220ps
¾ π/K-Separation
bis 0,7GeV in 3σ
¾ |cosθ|<0.95
Abdeckung
Messung
Erstes vollständig rekonstruiertes Ereignis
B →D µ ν
0
1
*−
1
+
1 1
a D1*− → π 1− D10
a D10 → K1+π 1−
B →D µ ν
0
2
*−
2
+
2 2
a D2*− → π 20 D2−
a D2− → K 2+π 2−π 2−
Messung
Erstes vollständig rekonstruiertes Ereignis
¾M(D*)=
2008 MeV
¾M(D1)=
1873 MeV
¾M(D2)=
1886 MeV
¾P(µ1)
= 2186 MeV
¾P(µ2)
= 1579 MeV
¾Theorie:
¾M(D*)=
¾M(D)
2010 MeV
= 1870 MeV
Vollständige Rekonstruktion
Vorteil
¾
z
minimaler Untergrund
z
Î quasi kein systematischer Fehler
Nachteil
z
sehr geringe Statistik
z
Î hoher statistischer Fehler
2. Analysemethode
− +
B B →l l
0
0
+ +
B B →l l
0
0
− −
B B →l l
0
0
Idee: Keine vollständige Rekonstruktion
Î Begrenzung auf semileptonische Zerfälle
Fehlerquellen
Messung der „falschen“ Leptonen:
¾
z
aus späteren Zerfällen
z
aus J/Ψ Zerfällen
z
aus Paarbildung durch Photonen
¾
Missidentifikation der Leptonen
¾
Missidentifikation der B-Mesonen!!!
Lösungsansätze
¾ Passende Eventauswahl:
z
E (e-, e+) ≥ 1,4 GeV
z
E (e- + e+) ≠ E(J/Ψ)
z
θ (e-, e+) ≥ 32°
¾ Untergrundmessung
z
Æ Messung bei EBeam ≤ 10,6 GeV
Ergebnis
¾
Events mit gleich geladenen Leptonen:
N (l+ l+ / l- l-) = 24,8 ± 7,6 ± 3,8
¾
Events mit unterschiedlich geladenen Leptonen:
N (l- l+) = 270,3 ± 19,4 ± 5,0
¾
Umwandlungsrate r:
[ N (l + l + ) + N (l −l − )](1 + λ )
r=
+ −
+ +
− −
N (l l ) − [ N (l l ) + N (l l )]λ
¾
r = 0,22 ± 0,09 ± 0,04
Semileptonische Zerfälle
Vorteil
¾
z
geringerer statistischer Fehler
z
Î ermöglicht Bestimmung einer Umwandlungsrate
Nachteil
z
Höherer Untergrund
z
Î höherer systematischer Fehler
3. Analysemethode
¾ Kombination der beiden ersten Methoden
z
ein B-Meson wird rekonstruiert, das andere
über semi-leptonischen Zerfall bestimmt
¾ Analoges Vorgehen
Ergebnis
¾
Events mit gleich geladenen Leptonen:
N (l+ l+ / l- l-) = 4,1 ± 0,3
¾
Events mit unterschiedlich geladenen Leptonen:
N (l- l+) = 20,8 ± 1,1
¾
Umwandlungsrate r:
0 +
0 −
N (B l ) + N (B l )
4,1
r=
=
0
N ( B 0l − ) + N ( B l + ) 20,8
¾
r = 0,20 ± 0,12
3. Methode
Vorteil
¾
z
Geringerer Untergrund
z
Zusätzliche Ereignisse zur Auswertung
Nachteil
z
Geringere Statistik
z
Î höherer statistischer Fehler
Kombiniertes Ergebnis
¾ Aus Kombination aller drei Methoden:
r = 0,21 ± 0,8
¾ Sehr viel größer als erwartet
Theorie
¾
Erwartung: r ≈ 0,01
2
X
4
r=
∝ mtop
2
2+ X
¾
mtop>50GeV Æ heute: mtop=(170,9±1,8)GeV
2
2
Bf
m
m
2
∆m
B
B top τ b
*
X=
= 32π
VtbVtd ηQCD
5
ΓB
mµ
τµ
B-Oszillation
¾
Γ = 1/τ = 0,71 ps−1
¾
∆m=0,507±0,005 ps-1
¾
∆m < Γ
¾
Æ nur geringer Effekt!
Bs-Oszillationen
CDF Run II Preliminary
¾ Deutlich schnellere
¾ ∆ms=(17,8±0,1)ps-1
¾ Stimmt mit SM
überein
2
Fitted Amplitude
Oszillation
L = 1.0 fb-1
1
0
-1
data
-2
0
cosine with A=1.28
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Decay Time Modulo 2π/∆ms [ps]
Vergleich
Zusammenfassung
¾
¾
Argus:
z
Beobachtung der B-Oszillation
z
Unerwartet große Umwandlungsrate
z
Î Untere Schranke für top-Quark Masse
Heute:
z
Suche nach „Neuer Physik“ bei Bs-Mesonen
z
Nicht gefunden!!! /
Referenzen
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
„b-quark physics at Doris“ von Dietrich Wegener
„Oszillation zwischen Teilchen und Antiteilchen bei B-Mesonen“ von
Walter Schmidt-Parzefall
„Observation of B Bbar Mixing“ von Albrecht et al. (Argus)
„Argus: A universal detector at DorisII“ von Albrecht et al. (Argus)
„Advanced Particle Physics“ Skript von Prof. Schultz-Coulon
„Detektoren in der Kern- und Teilchenphysik“ Skript von Prof.
Herrmann
„Observation Bs-Bsbar Oscillation“ von CDF-Collaboration
http://pdg.lbl.gov/pdg.html