Entdeckung der B -Oszillation mit ARGUS (1987)

Entdeckung der B Oszillation mit ARGUS
(1987)
Überblick
 Kaonen
 B-Mesonen
 Experimenteller Aufbau
 Messung
 Auswertung
 Ausblick
Kaonenzerfall
K0  p K L  q K S
K0  p K L  q K S
K L , K S Masseneige nzustände
Zeitentwicklung
K 0 (t )  p K L exp{im L t}  q K S exp{im S t}
K 0 (t )  p K L exp{im L t}  q K S exp{im S 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 (4 s)  B B , B B
0
0
*
*
0
0

B  D  ... z.B. Pions, Leptonen
D  D  ...
D K
0

b
e+
 ...
u, d
g
u, d
e(4s)
b
Doris II
 DOppel-RIng-Speicher
 e+e-
- Collider
 Energie:
 300m
10,6 GeV
Umfang
 Luminosität:
bis 1986
103 pb-1 für Y(4s) von 1983
Argus
 Detektor
an Doris
 Universeller
Detektor für Energien um
10GeV

Notwendige Kompromisse
Haupt Drift Kammer
Haupt Drift Kammer
 |cosq|<0.76
für ganze
Tracks
 ~25000 Kathodendrähte
 ~6000 Anodendrähte
 Spannung: ~ 1N
 Spurauflösung: 200mm
 Magnetfeld: B = 0,8T
Energieverlust
 Abstand
zwischen Anodendrähten: 18mm
  Ideal für Energieverlustmessung:15mm
 p/K-Separation bis 0,7GeV in 3s
Time-Of-Flight (TOF)
Time-Of-Flight (TOF)
 Messung
der
Geschwindigkeit
 s=220ps
 p/K-Separation
bis 0,7GeV in 3s
 |cosq|<0.95
Abdeckung
Messung
Erstes vollständig rekonstruiertes Ereignis
B D m 
0
1
*
1

1 1
 D1*  p 1 D10
 D10  K1p 1
B D m 
0
2
*
2

2 2
 D2*  p 20 D2
 D2  K 2p 2p 2
Messung
Erstes vollständig rekonstruiertes Ereignis
M(D*)=
2008 MeV
M(D1)=
1873 MeV
M(D2)=
1886 MeV
P(m1)
= 2186 MeV
P(m2)
= 1579 MeV
Theorie:
M(D*)=
M(D)
2010 MeV
= 1870 MeV
Vollständige Rekonstruktion
Vorteil


minimaler Untergrund

 quasi kein systematischer Fehler
Nachteil

sehr geringe Statistik

 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
 Begrenzung auf semileptonische Zerfälle
Fehlerquellen
Messung der „falschen“ Leptonen:


aus späteren Zerfällen

aus J/ Zerfällen

aus Paarbildung durch Photonen

Missidentifikation der Leptonen

Missidentifikation der B-Mesonen!!!
Lösungsansätze
 Passende
Eventauswahl:

E (e-, e+) ≥ 1,4 GeV

E (e- + e+) ≠ E(J/)

q (e-, e+) ≥ 32°
 Untergrundmessung

 Messung bei EBeam ≤ 10,6 GeV
Ergebnis

Events mit gleich geladenen Leptonen:
N (l+ l+ / l- l-) = 24,8 ± 7,6 ± 3,8

Events mit unterschiedlich geladenen Leptonen:
N (l- l+) = 270,3 ± 19,4 ± 5,0

Umwandlungsrate r:
[ N (l l )  N (l l )](1   )
r
 
 
 
N (l l )  [ N (l l )  N (l l )]
 

 
r = 0,22 ± 0,09 ± 0,04
Semileptonische Zerfälle
Vorteil


geringerer statistischer Fehler

 ermöglicht Bestimmung einer Umwandlungsrate
Nachteil

Höherer Untergrund

 höherer systematischer Fehler
3. Analysemethode
 Kombination

der beiden ersten Methoden
ein B-Meson wird rekonstruiert, das andere
über semi-leptonischen Zerfall bestimmt
 Analoges
Vorgehen
Ergebnis

Events mit gleich geladenen Leptonen:
N (l+ l+ / l- l-) = 4,1 ± 0,3

Events mit unterschiedlich geladenen Leptonen:
N (l- l+) = 20,8 ± 1,1

Umwandlungsrate r:
0 
0 
N (B l )  N (B l )
4,1
r

0
N ( B 0l  )  N ( B l  ) 20,8

r = 0,20 ± 0,12
3. Methode
Vorteil


Geringerer Untergrund

Zusätzliche Ereignisse zur Auswertung
Nachteil

Geringere Statistik

 höherer statistischer Fehler
Kombiniertes Ergebnis
 Aus
Kombination aller drei Methoden:
r = 0,21 ± 0,8
 Sehr
viel größer als erwartet
Theorie

Erwartung: r ≈ 0,01
2
X
4
r
 mtop
2
2 X

mtop>50GeV  heute: mtop=(170,9±1,8)GeV
2
2
Bf
m
m
2
m
B
B top  b
*
X
 32p
VtbVtd QCD
5
B
mm
m
B-Oszillation

  1/ = 0,71 ps1

m=0,507±0,005 ps-1

m < 

 nur geringer Effekt!
Bs-Oszillationen
 Deutlich
schnellere
Oszillation
 ms=(17,8±0,1)ps-1
 Stimmt
überein
mit SM
Vergleich
Zusammenfassung


Argus:

Beobachtung der B-Oszillation

Unerwartet große Umwandlungsrate

 Untere Schranke für top-Quark Masse
Heute:

Suche nach „Neuer Physik“ bei Bs-Mesonen

Nicht gefunden!!! 
Referenzen
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
„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