Cp-Verletzung
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CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Bastian Kronenbitter CP-Verletzung im Kaonen-System Gliederung 1. Diskrete Symmetrien 2. Kaonen 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung CP-Verletzung im Kaonen-System 1. Diskrete Symmetrien 1. Diskrete Symmetrien In der Quantenmechanik dargestellt durch Operatoren: •C • Elektron im Potential eines Protons: P 1 l • C 1 •C 0 1 0 CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen 2. Kaonen Mesonen, bestehend aus einem s-Quark und einem leichten Quark (u,d) Meson Quarks Ladung strangeness Masse K K su su sd sd +1 +1 493,7 MeV -1 -1 493,7 MeV 0 +1 497,6 MeV 0 -1 497,6 MeV K0 K 0 CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung: Beispiele p Λ π- K0 p p K π+ 0 K CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenzerfall: Beispiele π+ K0 π- ππ+ K0 π0 CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung: Beispiele Λ p p p K K0 π- π+ 0 K Kaonenzerfall: Beispiele π- π+ π+ K0 π- K0 π0 Strange Quarks werden erzeugt in starker Wechselwirkung und zerfallen schwach Lange Lebensdauer CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Kaonen werden erzeugt in starker Wechselwirkung: als K0 oder K0 Das Kaonen-System K0 K0 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen [1] CP-Verletzung im Kaonen-System K0 K0 Strangeness nicht erhalten: ΔS = 2 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Beschreibung der Zeitenwicklung in der Basis der CP- Eigenzustände Denn: CP K 0 K CP K 0 0 Keine CP-Eigenzustände K0 CP-Eigenzustände: 0 1 0 K K 2 0 1 0 K K 2 K1 K2 CP K1 1 K1 CP K 2 1 K 2 K0 K1 m mK1 mK 2 K1 H K1 K1 H K1 K0 H K0 K0 H K0 m / m 7 * 10 15 K0 K2 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Zerfall von K1 und K2 Häufigste hadronische Zerfälle von neutralen Kaonen: 2 π und 3 π 2 π : π0 π0, π+ π- 3 π : π0 π0 π0 , π+ π- π0 CP ( 1) * ( 1) CP 0 ( 1) * ( 1) * ( 1) 0 1 1 0 CP K1 1K1 CP K2 1K2 K1 zerfällt in 2 π K2 zerfällt in 3 π K1 hat wesentlich kürzere Lebensdauer als K2 τ(K1) = 0,895 * 10-10 s τ(K2) = 0,512 * 10-8 s CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K0 K1 K0 K2 [1] CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K1 – Regeneration K0 Bei Propagation von K2 in Materie: K1 Starke WW bestimmt Zeitentwicklung Projektion auf K0 und K0 Wirkungsquerschnitt von K0 und K0 mit Proton ist unterschiedlich Zahl ändert sich unterschiedlich stark Regeneration von K1 K0 K2 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung 27. Juli 1964: J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R.Turlay „Evidence for the 2π decay of the K02 Meson“ Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch Ursprünglich Experiment zur Untersuchung der Regeneration von K2-Strahlen Untersuchung des Zerfalls: K1/2 geladene Pionen CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Versuchsaufbau [2] CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Beobachtung nur von geladenen Teilchen Messung von: - Impuls und Energie der Zerfallsprodukte - Invariante Masse der Kaonen (unter der Voraussetzung, dass es sich bei den Zerfallsprodukten um Pionen handelt) - Summe der Winkel zwischen der Bahn der Zerfallsprodukte und des K-Strahls π1 K2 Für zwei-Körperzerfälle Θ = 0 Für drei-Körperzerfälle Θ ≠ 0 Θ1 Θ2 π2 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Kalibrierung mit K1, die durch Regeneration hergestellt wurden Möglich, da Impuls und Richtung durch Regeneration nicht geändert werden Messergebnisse Massenverteilung Winkelverteilung [2] [2] CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Im Gegensatz zu: Mittelwert der Masse für cosΘ > 0,99999 499,1 ± 0,9 MeV Für K1: 498,1 ± 0,4 MeV Winkelverteilung entspricht Gaußverteilung um 0 mit Standardabweichung: 4,0 ± 0.7 mrad Für K1: 3,4 ± 0.3 mrad CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Zwei-Körperzerfall von K2 CP-Verletzung Erklärung: KS KL 1 1 2 1 1 2 K1 * K 2 * K1 K 2 1 * K 0 1 * K 0 2(1 2 ) 1 1 * K 0 1 * K 0 2(1 2 ) 1 Damals: ε = 2,3 * 10-3 Heute: ε = (2,229 ± 0,010) * 10-3 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Also sind die Prozesse K0 K0 und K0 K0 CP-verletzend: ΔS = 2 Nur Mischung, kein Zerfall Mögliche Erklärung: Neue Wechselwirkung mit ΔS = 2 ist CP-verletzend CP wäre in schwacher Wechselwirkung erhalten ??? superschwach ??? Suche nach CP-verletzendem Prozess mit ΔS = 1 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung K L K 2 KS K K * K 1 K 2 K 0 0 0 0 0 K K 1 * K 2 * K 1 K 1 K 2 K 1 ' Alternativ : KL 2 K S KL 0 0 0 0 K S 2 ' 1 Re 0 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung NA48 [3] 1990 am CERN geplant 1999 erste Resultate Bestätigung der Indizien auf direkte CP-Verletzung, die bei NA31 gefunden wurden Zog mehrere Folgeversuche nach sich (NA48-1; NA 48-2; NA48-3) CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Versuchsaufbau [4] Kaonenerzeugung mit 450 GeV-Protonenstrahl Kaonen haben Energie von 70 – 170 GeV CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Messung von: Geladenen Pionen: 4 Driftkammern um Magneten Ungeladenen Pionen: Kalorimeter, bestehend aus 10 m3 flüssigem Krypton, aufgeteilt in ≈ 13000 Zellen Zusätzlich: Hadronkalorimeter Myonenkammer Protonentagger, Zeitauflösung: 140 ps CP-Verletzung im Kaonen-System Strahlrohr 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Krypton-Kalorimeter [6] [6] CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Strahlengang-Halle [6] CP-Verletzung im Kaonen-System Zwei wichtige Punkte: a) Unterscheidung von KS und KL Zerfällen b) Untersuchung des Untergrunds 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung a) Unterscheidung von KS und KL Zerfällen Bei geladenen Zerfällen ist Ortsauflösung sehr gut: Unterscheidung über Vertexposition [5] CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Dann Verwendung des Protonentaggers Mistags werden mit α quantisiert α+- leicht zu bestimmen α00 über unterschiedliche Zeitinformation und Wahrscheinlichkeit von zufälligen KL - Tags ΔαLS = α00 – α+- ≈ 10-4 [4] CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung b) Untersuchung des Untergrunds Viel Untergrund unterdrückt durch Cuts Trigger Gesonderte Untersuchung des Untergrunds für Zerfall in geladene Teilchen ungeladene Teilchen CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in ungeladenen Zerfällen: KL π0 π0 π0 Rekonstruktion der Photonenbahnen aus den π0 Zerfällen Bestmögliche Kombination aus Bahnen wird als π0 identifiziert Wenn Abweichung der invarianten Masse zu groß Wird verworfen CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in geladenen Zerfällen: KL π μ ν KL π e ν Wegen nicht detektiertem Neutrino fehlt Transversalimpuls P‘2T Cut auf P‘2T < 0,0002 GeV2 [4] CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Ergebnisse: Erste Ergebnisse im Bereich von: Re(ε‘/ε) = 1,85 ± 0,73 * 10-3 Heute: Re(ε‘/ε) = 1,47 ± 0,22 * 10-3 Im PDB: Re(ε‘/ε) = 1,65 ± 0,26 * 10-3 Parallel Experiment am Fermilab: KTeV Erste Ergebnisse 1999: Re(ε‘/ε) = 2,80 ± 0,41 * 10-3 Vorher keine 5σ Unverträglichkeit mit 0 CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss Superschwache Wechselwirkung tot Schwache Wechselwirkung ist CP-verletzend Im Unterschied zur P-Verletzung nicht maximal, sondern nur mit sehr kleinen Parametern Ursprung dieser Parameter ist unbekannt CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss Heute ist CP-Verletzung im Standardmodell integriert Widergespiegelt in der CKM-Matrix d ' Vud Vus Vub d s' Vcd Vcs Vcb s b' V b V V ts tb td Unitäre Matrix mit 4 unabhängigen Parametern CP-Verletzung im Kaonen-System Bildnachweis: • [1]: Introduction to High Energy Physics, Donald H. Perkins Cambridge University Press • [2]: Phys. Rev. Letters: 13, 1964 Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson • [3]: http://na48.web.cern.ch • [4]: Lydia Iconomidou-Fayard Restults on CP violation from the NA48 experiment at CERN • [5]: Dissertation, Harald Fox A Measurement of Direct CP Violation with the NA48 Detector • [6]: CERN Document Server: http://cdsweb.cern.ch CP-Verletzung im Kaonen-System Quellen: • Vorlesung: Teilchenphysik für Fortgeschrittene WS 2008/09 • David Griffiths Introduction to Elementary Particles • Phys. Rev. Letters: 13, 1964 Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson • Lydia Iconomidou-Fayard Restults on CP violation from the NA48 experiment at CERN • Particle Data Book: http://pdg.lbl.gov/
