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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP)

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Präsentation zum Thema: "KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP)"—  Präsentation transkript:

1 KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP) Glanzlichter und Zukunftsaussichten des Belle Experiments Martin Heck | Institut für Experimentelle Kernphysik

2 Was Machen Wir bei Belle?

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4 Hauptmotivation der Intensity-Frontier Kopplungen oder Effekte, die im Standardmodell unterdrückt oder verboten sind; Z.B. bei der Überprüfung der KM-Theorie über B-Mixing tauchen Faktoren V td ~1% in den Amplituden auf. Beschleuniger bis 2010 Beschleuniger ab 2016

5 Warum B-Fabriken? Schließlich gibt es an Hadron-Maschinen mehr B-Mesonen, da B viel größer ist, einfachere Lebensdauermessungen, da Zerfallslänge der B-Mesonen im Laborsystem viel größer ist. KEKB: ~ 180 m( = 0,4) SuperKEKB: ~ 125 m( = 0,28) Typisch für LHC-Experimente: ~ 10 4 m e+e-Y(4S) X 10 6

6 Darum B-Fabriken! Die geringe Zahl an Untergrundprozessen erlaubt das Arbeiten bei deutlich höheren Luminositäten. Bei Y(4S)-Produktion entstehen 2 B- Mesonen und sonst nichts, was viel reinere Analysen erlaubt mit ein oder auch mehreren 0 -Mesonen im Endzustand; 30-40% Flavour-Tagging-Effizienz; (O(10) mehr als bei Hadronmaschinen); Möglichkeit der vollständigen Ereignisinterpretation, für Zerfälle mit s LHCb x 10 3 Y(4S) B kinet. E: ~10 MeV B Impuls:~330 MeV

7 Charm-Physik ( Prod (cc) ähnlich wie Y(4S)) CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse; Spektroskopie angeregter Zustände;... Exotische Analysen Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s- Paarproduktionsereignissen; Dark-Photon, Weinberg-Winkel;... Physik bei Belle B-Physik CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse, insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos;... -Physik ( Prod () ähnlich wie Y(4S)) Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung; … Weitere Spektroskopie X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium;

8 Charm-Physik ( Prod (cc) ähnlich wie Y(4S)) CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse; Spektroskopie angeregter Zustände;... Exotische Analysen Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s- Paarproduktionsereignissen; Dark-Photon, Weinberg-Winkel;... Physik bei Belle B-Physik CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse, insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos;... -Physik ( Prod () ähnlich wie Y(4S)) Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung; … Weitere Spektroskopie X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium;

9 Aktuelle CP-Verletzungsstudien Ursprüngliche Hauptmotivation für Belle: CP-Verletzung in B J/ K S (Messung von 1, bzw. sin(2 1 ) Belle: ± ± Babar: ± ± 0.012) Testet: KM-Mechanismus ist eine gute Erklärung für CP- Verletzung im Kaon- System ( K ). Grafische Darstellung der CKM Matrix-Parameter: Unitaritätsdreieck(e) normiert2 Seiten, 3 Winkel; Nur eines ist nicht fast degeneriert.

10 Aktuelle CP-Verletzungsstudien Aktuelle Arbeiten fokussieren auf 2 : (B 00 ) = (1,02 ± 0,30 ± 0,15) x [BABAR: (0,92 ± 0,32 ± 0,14) x ] Longitudinale Polarisation: L ~ 0,21 ± 0,2 ± 0,13 Durch Analyse, die Isospin-Symmetrie nutzt, kann 2 bestimmt werden. B + 0+ erfordert Möglichkeit 0 Zerfälle messen zu können, wie auch andere Methoden 2 zu bestimmen. 2 = (84.9 ± 12.9)° [Ø aller Messungen: ~(85,4 ± 3,9)° ]

11 Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des Tag-Mesons: p( B sig ) = - p( B tag ), alle verbleibenden Teilchen im Detektor sollten vom B sig kommen, Flavour B Zeit (Zerfall B tag ) = - Flavour B tag, genaues B tag Vertexing bessere Schätzung der Zerfallslängendifferenz. ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden; ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein;

12 Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des Tag-Mesons: p( B sig ) = - p( B tag ), alle verbleibenden Teilchen im Detektor sollten vom B sig kommen, Flavour B Zeit (Zerfall B tag ) = - Flavour B tag, genaues B tag Vertexing bessere Schätzung der Zerfallslängendifferenz. ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden; ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein; K D tatsächlich 1000e Endzustände möglich;

13 B Selektion: Nur eine Spur auf der Signalseite; Energie im Kalorimeter, die keinem interpretierten Endzustandsteilchen zugeordnet werden kann (E extra ) klein; Struktur der fehlenden Masse, berechnet aus Anfangszustand und Impulsen der gemessenen Teilchen; Verzweigungsverhältnis proportional zu |V ub |, einer Seite im nicht-degenerierten Unitaritätsdreieck: durch die letzte Belle-Analyse wieder ans SM herangerückt; BR~(0,72 ± 0,27) x Analyse mit semileptonischer Tag-Seite auf dem Weg. Bessere Überein- stimmung mit SM Einfluss dieser Messung

14 Details... Relativ leicht zu messen.

15 B h(*) Selektion ähnlich wie B ; Ähnliche Signatur für andere mögliche unsichtbare Teilchen wie Axionen; B D(*) klar zu erkennen und entfernbar. Pion-Impuls im Ruhesystem des Signalseiten B

16 B h(*) Verteilung der Extra-Energie** in den verschiedenen Kanälen. Keiner der Signalbeiträge ist signifikant.

17 Hinweis Heute Nachmittag in Flavour 3 werden noch weitere Analysen dieser Art vorgestellt.Raum: GFH

18 Vollständige Ereignisinterpretation im Charm-Sektor Die vollständige Ereignisinterpretation erlaubt auch absolute Verzweigungsverhältnisse im Charm-Sektor zu bestimmen. Dazu wird z. B. in der Reaktion e + e - cc D tag K frag X frag D s * mit D s * D s das D s nicht mitrekonstruiert. o Das D tag wird zum Ausgleich der Charm-Quantenzahl benötigt und kann D 0, D +, Λ c +, D + oder D *0 sein. o Beim Λ c + wird noch ein Antiproton gefordert. o Das K frag wird zum Ausgleich der Strangeness- Quantenzahl benötigt. o X frag kann eine Anzahl Pionen sein. o Das aus dem D s * ermöglicht eine gute kinematische Bedingung.

19 D s -Resultate Wir erhalten ca. ~ völlig inklusiv rekonstruierte D s Mesonen. eliminieren damit die Hadronisierungs- unsicherheit auf die Produktionsrate. rekonstuieren nun in einem sehr reinen Ereignisrest spezielle D s Zerfallskanäle, und erhalten u.a. (D s ) =(0,531 ± 0,028 ± 0,020)% (D s ) =(5,70 ± 0,21 ± 0,30)% und daraus DS = (255,5 ± 4,2 ± 5,1) MeV. (Weltbeste Einzelmessung!) DS ist der Formfaktor des D s und seine Messung ein wichtiger Test für die Gitter-QCD. Z.B. C. Davies et al. (2010) DS = (248,0 ± 2,5) MeV

20 Oder inklusive c - Rekonstruktion Resultat hier: Wiederum ist diese Messung absolut und unabhängig von einem Referenzkanal. Dies ist der Referenzkanal für alle anderen Messungen des c. Die PDG Schätzung basiert of modellabhängigen Messungen von ARGUS und CLEO und ist:

21 Exotische Spektroskopie Entdeckung des X(3872) durch Belle hat enormes Interesse an exotischer Spektroskopie hervorgerufen: Entdeckung X(3872) 869 Zitate Goldener Kanal 690 Zitate Mehr Zitate als der goldene Kanal zur Überprüfung des KM-Mechanismus für den Belle gebaut wurde. CMS und ATLAS haben auf Spires nur je ein Physik-Papier mit mehr Zitaten.

22 Weitere Durchbrüche 2011 entdeckte Belle die geladenen Z b (10610) und Z b (10650) mit einer Signifikanz von 16 Sigma. o Masse 2 b-quarks; o Ladung Zustände können nicht aus nur 2 b-quarks bestehen wird das neue Z(3900) + in den Daten von BES III, Belle und CLEO gefunden und die neue exotische Spektroskopie von vielen Medien wahrgenommen. Y(5S) Z b

23 Eine Neue Form der Spektroskopie ist Entstanden Es gibt eine Reihe (O(10)) weiterer Zustände, die schlecht in Charmonium-Schema passen, als einzelne Entdeckungen zwar trotzdem wohl als solche interpretiert worden wären, aber nun anders behandelt werden. Je nach Produktion und Zerfall sind Dalitz-Plot oder Helizitätswinkel-Analysen möglich, die Aufschluss über Quantenzahlen geben; o das X(3872) ist z.B. ein 1 ++ Zustand. Wahrscheinliche Interpretationen: o 4-Quark-Zustand, Meson-Meson-Mokekül, Schwellen-Effekte,... Neue Experimente mit viel höherer Luminosität haben hier viele Möglichkeiten weitere Zustände zu entdecken und die Natur der Zustände genauer zu erforschen.

24 Die Zukunft von Belle für 50 ab -1 Positronen (4 GeV) Elektronen (7 GeV) Myon und K Long Detektor mit Widerstandsplatten- kammern und Szintillatoren Strahlrohr 1,2 cm Radius Driftkammer mit verlängertem Hebelarm Aerogel-RICH EM-Kalorimeter mit verbesserter Zeitauflösung Propagationszeitmesser (Misst Flugzeit und Cherenkov- Winkel) 4 Lagen DSSD mit Neigung 2 Lagen DEPFET- Pixel-Detektoren

25 DEPFET-Pixel Detektor 8-bit Auflösung für die Energiedeposition im Pixel; Ortsauflösung O(10 ); Kommt mit Untergrund-Niveau bei R = 1,4 cm zurecht; 75 m dicke Siliziumschicht; Elektronik auf Balkon an der Seite der Sensorfläche; Geringe elektrische Leistung mit entsprechend geringem Kühlbedarf; sehr wenig Material innerhalb der Detektorakzeptanz;

26 SVD Zeitbestimmung von Hits mit einer Genauigkeit von wenigen ns. Geneigte Sensoren reduzieren das Materialbudget für Spuren in Vorwärtsrichtung.

27 Tracking Stark verbessertes Stand-Alone Tracking mit dem Vertexdetektor hilft beim Auffinden von Spuren mit geringem Impuls. Verschiedene weitere Verbesserungen sollen auch die Impulsbestimmung bei niederenergetischen Spuren verbessern, was z.B. bei der Assoziierung von langsamen Pionen zu D*D Zerfällen hilft. Viele weitere Ideen, die z.B. der Vollständige Ereignisinterpretation und der Teilchenidentifikation helfen können.

28 Propagationszeitmesser Messung vollständig intern reflektierter Cherenkov-Strahlung (à la DIRC in BABAR): x, y, t ( t = 40 ps), Deutliche Verbesserung gegenüber Belle Aerogel + Flugzeitmessung im zentralen Bereich. Verbessert die Möglichkeiten der vollständigen Ereignisinterpretation. Leistung bei 3 GeV/c Impuls

29 Rekonstruktion und Analyse Analysen mit vollständiger Ereignisinterpretation können am meisten von neuen Techniken profitieren, da dieser relativ neue Ansatz* noch nicht voll erforscht ist. Einige Möglichkeiten: Einbinden inklusiverer Zerfälle, z.B. auch D K(*) l nu; Verwenden teil- oder schlecht rekonstruierter 0 ; Bessere Verzahnung von (Spur-, Gamma-) Rekonstruktion und Analyse, z.B. für Nutzung von D* Trick; klügere Ereignisinterpretation (statt E extra); bessere Wahrscheinlichkeitsinterpretationen in der hierachischen Rekonstruktion des der B-Mesonen. *noch 2001 dachten viele eine GigaZ Fabrik könnte B tau nu besser als Belle

30 Zusammenfassung + Ausblick CP-Verletzungsstudien, Seltene Zerfälle, und Exotische Spektroskopie gehören zu den Glanzlichtern der Physik bei Belle; o aktuell immer noch ca. 30 Publikationen pro Jahr; o in Zukunft liefert Beschleuniger eine Luminosität von ~10 36 [cm s] -1 (O(100) mehr als zuvor). Belle wird mit fantastischen neuen Technologien aufgewertet, und neue Analysetechniken speziell für B-Fabriken werden entwickelt. o Daran beteiligen sich ~600 Personen, davon ~100 aus Deutschland mit besonderem Fokus auf den DEPFET-Pixel-Detektor und die Software- Entwicklung.

31 Das wars!


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