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CP Verletzung, Pinguine und B  B Oszillation Neueste B Mesonen Ergebnisse vom BELLE Experiment Sören Lange (Frankfurt/BNL) Univ. Mainz, 7.01.2002.

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1 CP Verletzung, Pinguine und B  B Oszillation Neueste B Mesonen Ergebnisse vom BELLE Experiment Sören Lange (Frankfurt/BNL) Univ. Mainz,

2 CP Verletzung, Pinguine und B  B Oszillation Neueste B Mesonen Ergebnisse vom BELLE Experiment Sören Lange (Frankfurt/BNL) Univ. Frankfurt,

3 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Inhalt B o  B o Oszillation (“Mixing”)  m d CP Verletzung indirekt B  J/  K s direktB  +  - Pinguine b  s  b  sl + l - BELLE’s Zukunft nah: B  J/  K * b  d  fern: b  s 

4 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE BELLE B Mesonen Fabrik  s = GeV = Masse  (4s) zerfällt 50% in B o  B o, 50% in B + B - T(e - )=8 GeV, T(e + )=3.5 GeV Datennahme seit 06/1999, ~10 Monate/Jahr 43.3/fb ~ 45·10 6 B Mesons(BABAR ~67.1) ~300 Mitglieder (BABAR ~650) Weltrekord Luminosität x10 33 /cm 2 s(BABAR 4.513x10 33 ) Design 1x10 34 /cm 2 s Frankfurt = Mitglied seit 03/2000 SVD Level-2 Trigger Einstein-Podolsky-Rosen Korrelationen in BB Oszillation (früher: 97/98 SVD DAQ for Tokyo Metropolitan Univ.)

5 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE SVD strips, Hamamatsu DSSD “from the shelf” SVD 1.0  7/4/1999 SVD 1.1 complete backup of 1.0, disassembled due to bias line problems, never solved (thunderstorm ?) and 2 more SVDs 1.2, 1.4 (ladders exchanged), slowly dying (-> accident 03/28, 5 beam dump) dose 12/26/ kRad new SVD 2.0 > summer 2002 DC coupled DSSD 4-layer (z vertex resolution += ~factor 1.9) ladder length 22 cm -> 46 cm (17 o R i =2.2 cm (rule of thumb  z [  m] ~ R[mm]) R o =6 cm -> R o =8.8 cm (slow  track efficiency 54%->77%) rad hard < 10 Mrad (~5 years)

6 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE B o  B o Oszillation (“Mixing”) “flavour tagging” mit Leptonen: b->l - X,  b->l + X Erste Anzeichen von UA in  +  - Paaren N ++ + N -- N +- + N -+ B o und  B o wechseln Identität* 2. Ordnung schwache Wechselwirkung * QM: B ist Teilchen und Antiteilchen zum selben Zeitpunkt (bevor Messung) =0.42 A=

7 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE B o  B o Oszillation (“Mixing”) B o und  B o “schwingen” A(t) ~ cos(  m t) mit Massendifferenz  m=3.1±0.1·10 4 eV (PDG)  m=0.472 ps -1  m = wichtiger Input Parameter für CP kann beobachtet werden an BELLE auf Skala  z=2 mm  Silicon Vertex Detector

8 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Was ist CP Verletzung ?  entdeckt 1964 AGS/BNL, Cronin/Fitch (Princeton) Zerfall |K L >  |K 2 > CP=-1 (  ), aber  beobachtet  3 Arten: “direkt” - CP im Zerfall (zeit-unabhängig)  ( B o  f )   (  B o   f ) Beispiel: NA48, KTeV, B->  CP in Oszillation (zeitabhängig) p( B o  B o )  p(  B o  B o ) Beispiel: Dilepton Ladungsasymmtrie ~10 -3 N(l + l + )-N(l - l - ) / (N(l + l + )+N(l - l - )  2  /(1+  2 ) mit  =-sin  /2·10 3 “indirekt” = konstrukive Interferenz von Zerfall und Oszillation grosse CP Amplitude erwartet fuer gemeinsamen Endzustand B  f und  B  f Beispiel: BELLE, BABAR, goldener Mode B,  B  J/  K s ~sin2 

9 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE   =  3  1  2 BABAR BELLE  es ist keine QM Phase ! aber Kobayashi sitzt nebenan

10 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Was bedeutet “Standard Modell” ? Störungstheorie H = H o + H 1 H o = starke + electromagnetische WW H 1 = schwache WW = Störung Elektro-schwache Kopplung präzise bestimmt an LEP jedoch Masse wird generiert durch Kopplung Higgs  Quark > 10 weitere freie Parameter

11 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE B  J/  K s indirekte CP Verletzung BR=8.9·10 -4 grosser Effekt, da ~ |V td * | ~ 1 2 (CKM Diagonal-Element) zeit-integrierte Asymmetrie = Null ! sin  = sin  1 = Amplitude der CP Verletzung

12 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE B  direkte CP Verletzung (zeit-unabhängig) BR(K  )/BR(  )~4, d.h. K  ist vorteilhafter falls kein Pinguin ~ V ub * - selten, da off-diagonal CKM Element (<1% aller B Zerfälle) - sin2  jedoch 0.18 < |Pinguin|/|Tree| < 0.4 gluonischer Pinguin g  u  u Theorie schwieriger als EM Pinguine (~Drell-Yan) d.h. falls A cp sichtbar  Interpretation nicht einfach experimentell sehr gute Teilchenidentifizierung  /K notwendig BELLE (11·10 6 B Mesonen) < A CP < 0.37 PRD 64(2001)071101

13 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE B  J/  K * quark Diagram identisch zu B  J/  K s sogar Faktor 1.7 häufiger (BR~1.5·10 -3 ) Bahndrehimpuls CP=+1L=0,2 CP=-1L=1 Messung der Polarisation notwendig (!) B  J/  K* o (K s  o ) bereits publiziert sin2  1 = 0.85±1.45 Update für 2002:  Fehlerbalken ausserhalb von Null

14 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE bsbs FCNC nicht erlaubt in 1. Ordnung, aber 2. Ordnung entdeckt 94 (CLEO) BR~3·10 -4, d.h. nicht so selten aber Problem:  aus Continuum Background (u,d,s jets) schwere Teilchen W, top in Loop: sensitiv auf noch schwerere Teilchen z.B. geladenes Higgs, SUSY Teilchen Historie: K l  +  - war erstes Anzeichen fuer Existenz von charm B->X s  - suche hoch-energetisches  mit  ( ,X s )>167 o - X s =K ± oder K o s 

15 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE b  sl + l - nicht nur , sondern  und Z o  e + e - BR~4·10 -5

16 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE bdbd t und c in Pinguin Loop (~ Exponenten in CKM) unterdrückt mit |V td /V ts | 2 ~ noch nicht beobachtet Und gluonische Pinguine ? (g  u  u) bereits gezeigt ! B 

17 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE bsbs keine Resonanz in e + e - (J/  c  ) BR ~ 5·10 5 (Standardmodell) aber experimentell sehr schwierig: 2 “missing”  benötigt PIXEL Detektor

18 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Flavour Tagging - B oder  B ? inclusive leptons high-p l - b  c l - medium-p l +  s l + inclusive hadrons high p pi+B o  D (*)-  +, D (*)-  + medium-p K+  K + X   +  o low-p pi-   D o  - plus correlations

19 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Juli BELLE Kollaborationstreffen erste Gerüchte ueber BABAR Paper BABAR PRL Paper submitted (“Independance Day” Überraschung) Ende BELLE Datennahme  (4s) Ende BELLE Datenrekonstruktion 30 Mio. BB “Flavour Tagging” - B o oder  B o Öffnen der Signal-Box (“Blinde Analyse” !) CP Fit Rückflug KEK-BNL Phys. Rev. Lett. Draft Aufruf zur Geheimhaltung Jack Sandweiss = PRL Editor/STAR Period Coordinator  BELLE Paper ist zu lang

20 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Juli 2002 cont’d EPS HEP Konferenz in Budapest 11 BELLE Talks aber strikte Geheimhaltung Ende BELLE Off-Resonance (-60 MeV) Datennahme BELLE PRL Paper submitted “Umi no hi” = Tag des Meeres Nationaler Jp. Feiertag keine s (Ruhe vor dem Sturm) SVD Monitor Shift :00 Steve Olsen’s Vortrag Rom :30 Abendessen CERN Einladung Kolloquium Mainz

21 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE CP Result - BELLE vs. BABAR BELLE steering angle 11 mrad, BABAR head-on (no magnet near IP  less background) BELLE Aerogel Č, BABAR quartz bars BELLE uses B o ->  c (K + K -  o,K s K -  + ) K s Summer CP Ergebnis 29/fb (~2 years) BELLE 1316 events / 282 bkgd. BABAR 1230 events / 200 bkgd. BABAR gives symmetric error bars (?) Main difference: BELLE 2002 completely reprocessed whole 29.5/fb data set BABAR only processed new data, and combined sin2  result

22 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Zukunft Luminosität steigt (Strom ~2A) Fehlerbalken  x 1/250/fb (1 Jahr) x 1/2300/fb (5 Jahre) beobachtbare BR BR~10 -8 (2005) SUSY Tests BR~10 -9 falls Super-KEKB neuer Silicon Vertex Detector Sommer 2002

23 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE BELLE Subdetectors Silicon Vertex Detector3 layers,  z =55  m (p=1 GeV/c,  =90 o ) Central Drift Chamber8400 readout, field wires 50 hits/track, z L0 trigger Aerogel Cerenkov Counter1188 units Time-of-Flight128 slats, d=4 cm,  t =95 ps Electromagnetic Calorimeter8736 CsI(Tl) crystals 5.5x5.5 cm 2, 18.2 X o  /E  =1.8% (E  =1 GeV) K L and  detector14 layers RPC/iron,  V=±4 kV µ ±  >90%, fake rate ~2% superconducting magnetB=1.5 T Extreme Forward Cal.320 BGO (for Luminosity)

24 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Zusammenfassung CP ist verletzt im B Mesonen System - 6  Abweichung von Null - Amplitude maximal (0.99) - verträglich mit Standardmodell d.h. 2. Teilchenart nach K Mesonen  nicht nur Laune der Natur Es ergibt ein Unitaritätsdreieck ! -> wir verstehen die Mathematik -> aber verstehen wir wirklich ? Oder ist CP Verletzung vielleicht die Auswirkung der Verletzung des Equivalenzprinzips ? -> gravitative WW mit astrophysikalischer (Anti-)Materie ? -> ist wirklich m( B ) = m(  Bo ) ? -> Und ist QM Kohärenz erhalten ? (nur für punktförmige quarks !)

25 Ersatz

26 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Radiation 1154 bunches (RHIC=60) now: ~2 full current ~10 mrad/s at injection (asymmetric) 1 krad/s seen (!) in background bursts Radiation Monitor (KEK, Melbourne, Tsukuba U) 8 x PIN diodemrad/s= f(t) 8 x RADFETkradintegrate dose (beampipe) ~ 1.5 x dose(SVD) SVD abort: hardware abort>100 rad/st>1 ms (abort 10 ms later) software abort>100 mrad/st>2 s > 1-2 aborts per day ! (earthquake aborts ~3-4/year) KLM every beam reinjection (HV=8 kV) innermost 3 CDC layers already switched off since ~1 year

27 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Luminosity + Trigger + SVD upgrade 2002 Luminosity4x10^3310^34 Beam current (LER/HER) 0.930A / 0.775A2.2A / 1.1A L0 trigger rate100 kHz200 kHz L1 trigger rate ~ (beam current) 2 R<350 Hz R=1355 Hz +  (beam-beam) (physics:background = 1:4) SVD R=2.2 cm / R=6 cmx 2 / x 1.2 Dose: x 8 VA1<200 kRad VA1/TA1<10 Mrad 0.8  m0.35  m BUT chip thickness d=520  m d=725  m shaping time x 0.5 (noise -=20%)rate x 4

28 Sören Lange (Frankfurt/BNL) B Mesonen Ergebnisse von BELLE Soeren test


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