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:
P ( x )   ( x )
A
A
A

A

C Operator:
C A  C A
CP Operator:
CP A( x )  C A( x )
4
CP-Eigenwerte von 2 und 3
Für ein System A,B,... :
A, B, ... sind Eigenzustände von CP-Operator.
CP ( A, B, )  CP ( A) CP ( B) 
J P (  )  0
 ( 1) L
J PC ( 0 )  0
K ( L  0)  2 ( 0 0 ,    )
K ( L  0)  2 ( 0 0 0 ,    0 )
CP 2   2
CP 3   3
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)  2 (CP  1)
K2 (CP  1)  3 (CP  1)
K S  2 (CP  1)
K L  3 (CP  1)
Frage: Gibt es den Zerfall
K L  2 ?
Suche man
das!
7
Experiment von Cronin & Fitch
(1963, Brookhaven, AGS)
Prinzip:



KL


James Watson
Cronin
Val Logsdon
Fitch
(1980 Nobelpreisträger)
CP Verletzung:
K L  
KL
K L  
 0

Nur zwei Produkte
cos  1
8
Experiment von Cronin & Fitch
(Brookhaven, AGS, 1963)
Brookhaven: RHIC+AGS
9
Aufbau des Experimentes von
Cronin & Fitch
  , n, K L ,
p(30GeV)
Collimator-1
Target(Be)
Pb
  ,  0 ,  , n, K S , K L ,
Collimator-2
Magnet
n, K L
10
Ergebnis des Experimentes von
Cronin & Fitch

Ergebnis:
45  9 2 -Ereignisse
aus 22700 KL Zerfällen
494 MeV<m*(2  )<504 MeV
( K L  2 ) 103
KL kein CP-Eigenzustand
CP Verletzung in
schwacher WW
11
Analyse des Zerfalls K L  2
(CP  1)
KL 
1
1 
2
( K 2   K1 )  2 (CP  1)
 ' : Direkte CP Verletzung
2 (CP  1)
 0
'0
(CP  1)
 : Indirekte CP Verletzung
dominant in Cronin-Fitch-Exp.
2 (CP  1)
Indirekte CP Verletzung
Direkte CP Verletzung
Frage: Wie misst man
'?
12
Amplitude-Verhältnisse und
Doppelverhältnis
AmplitudeVerhältnisse:
00 :
 0 0 T K L
 :
  T KS
0
0
Komplexe Größen
   T K L
   T K S
Nicht zu messen!
Zu messende Größe:
( K L    ) / ( K S    ) 00
R :

 
 
( K L    ) / ( K S    ) 
0
Doppelverhältnis:
0
0
0
2
13
Vereinfachungen
1. Durch Isospin-Betrachtung: 00    2 '      '
2.
Arg (00 )  Arg ( )
Arg ( )  Arg ( ')
( K L    ) / ( K S    ) 00
R :

 
 
( K L    ) / ( K S    ) 
0
0
0
0
2
'
 1  6  Re( )

106 /103  103
Sehr genaue Messung!
Zurück zur Frage: Wie misst man
R 1
'0
'?
Man misst
 ' nicht !
Direkte CP Verletzung
14
Experimente zur direkten CP
Verletzung
Direkte CP Verletzung:
R  1 oder Re( '/  )  0
NA31(CERN, 1988):
Re( '/  )  (23.0  6.5) 104
E731(FNAL, 1989):
Re( '/  )  (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
( K L    ) / ( K S    )
R :
( K L     ) / ( K S     )
0
0
0
0
Gleichzeitig erzeugt
KS und KL Strahlen
Gleiche Zerfallsregion
Zerfallsregion
NA48:
KL
p
p
KS
KL-Target
KL
Detektor
KS
KS-Target
17
Strahlen-Erzeugung von NA48
Proton
~1.51012
Protonen / Puls
Kristall
Tagger
AKS
18
Rekonstruktion von  
& KS Anti-Counter (AKS)


KS Anti-Counter
(AKS)
  
KS
 0 0
e
4
e
Photon-Converter
(Iridium Kristall)
3 Szintillator
Rekonstruktion von   
19
Prinzip des Detektors
KL
KS
 0 0
  
4
: Elektromagnetischer Calorimeter ( E )
: Spektrometer (
p)
, Hadron-Calorimeter ( E )
Außerdem: Hodoscope ( t ) , Muon-Anticounter ( K L
 
)
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
 0 0     0 0 0    0
 0 0     0 0 0    0
Kollimator
Sehr gering
 0 0     0 0 0    0
Rekonstruktion
von   
1. Untergrund
K L   e
K L  
 0 0
2. Untergrund
  
Untergrund-Korrekturen
22
Korrekturen  SL und  LS
 SL : Wahrscheinlichkeit, K als K misidentifiziert
S
L
 LS : Wahrscheinlichkeit, K als K misidentifiziert
L
S
Zur Bestimmung von

 SL
und

 LS
:
Aus dem Diagramm kann man bestimmen:

 SL
 (1.63  0.03)  104

 LS
 (10.649  0.008)%
Mit anderen Methoden kann man bestimmen:
00

 LS :  LS
  LS
 (4.3  1.8) 104
00

 SL :  SL
  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( '/  )  (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( '/  )  (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 , K2 }, { KS , K L }
Zwei Arten von CP Verletzung:
Indirekte CP Verletzung
 0
Direkte CP Verletzung
'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(  '/  ), 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
29