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CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Bastian Kronenbitter.

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Präsentation zum Thema: "CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Bastian Kronenbitter."—  Präsentation transkript:

1 CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Bastian Kronenbitter

2 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

3 CP-Verletzung im Kaonen-System 1. Diskrete Symmetrien In der Quantenmechanik dargestellt durch Operatoren: Elektron im Potential eines Protons: 1. Diskrete Symmetrien

4 CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen 2. Kaonen Mesonen, bestehend aus einem s-Quark und einem leichten Quark (u,d) MesonQuarksLadungstrangenessMasse ,7 MeV 493,7 MeV ,6 MeV 0497,6 MeV

5 p π-π- Λ CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung : Beispiele p π+π+ p

6 K0K0 π-π- π+π+ CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenzerfall: Beispiele π-π- π+π+ π0π0 K0K0

7 K0K0 π-π- π+π+ p π-π- Λ CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung : Beispiele p π+π+ p Strange Quarks werden erzeugt in starker Wechselwirkung und zerfallen schwach Lange Lebensdauer Kaonenzerfall: Beispiele π-π- π+π+ π0π0 K0K0

8 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Kaonen werden erzeugt in starker Wechselwirkung: als K 0 oder K 0 Das Kaonen-System

9 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen [1]

10 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K 0 Strangeness nicht erhalten: ΔS = 2

11 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Beschreibung der Zeitenwicklung in der Basis der CP- Eigenzustände Denn:Keine CP-Eigenzustände CP-Eigenzustände:

12 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Zerfall von K 1 und K 2 Häufigste hadronische Zerfälle von neutralen Kaonen: 2 π und 3 π 2 π : π 0 π 0, π + π - 3 π : π 0 π 0 π 0, π + π - π 0 K 1 zerfällt in 2 π K 2 zerfällt in 3 π τ (K 1 ) = 0,895 * s τ (K 2 ) = 0,512 * s K 1 hat wesentlich kürzere Lebensdauer als K 2

13 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen [1]

14 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K 1 – Regeneration Bei Propagation von K 2 in Materie: Starke WW bestimmt Zeitentwicklung Projektion auf K 0 und K 0 Wirkungsquerschnitt von K 0 und K 0 mit Proton ist unterschiedlich Zahl ändert sich unterschiedlich stark Regeneration von K 1

15 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 2 π decay of the K 0 2 Meson Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch Ursprünglich Experiment zur Untersuchung der Regeneration von K 2 -Strahlen Untersuchung des Zerfalls: K 1/2 geladene Pionen

16 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung [2] Versuchsaufbau

17 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 π1π1 K2K2 Θ1Θ1 Θ2Θ2 π2π2 Für zwei-Körperzerfälle Θ = 0 Für drei-Körperzerfälle Θ 0

18 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Kalibrierung mit K 1, die durch Regeneration hergestellt wurden Möglich, da Impuls und Richtung durch Regeneration nicht geändert werden MassenverteilungWinkelverteilung [2] Messergebnisse

19 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Im Gegensatz zu: Mittelwert der Masse für cos Θ > 0, ,1 ± 0,9 MeV Für K 1 :498,1 ± 0,4 MeV Winkelverteilung entspricht Gaußverteilung um 0 mit Standardabweichung: 4,0 ± 0.7 mrad Für K 1 : 3,4 ± 0.3 mrad

20 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Zwei-Körperzerfall von K 2 CP-Verletzung Erklärung: Damals:ε = 2,3 * Heute: ε = (2,229 ± 0,010) * 10 -3

21 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Also sind die Prozesse K 0 K 0 und K 0 K 0 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

22 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung

23 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)

24 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Versuchsaufbau Kaonenerzeugung mit 450 GeV-Protonenstrahl Kaonen haben Energie von 70 – 170 GeV [4]

25 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 m 3 flüssigem Krypton, aufgeteilt in Zellen Zusätzlich: Hadronkalorimeter Myonenkammer Protonentagger, Zeitauflösung: 140 ps

26 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung [6] StrahlrohrKrypton-Kalorimeter

27 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung [6] Strahlengang-Halle

28 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Zwei wichtige Punkte: a)Unterscheidung von K S und K L Zerfällen b)Untersuchung des Untergrunds

29 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung a) Unterscheidung von K S und K L Zerfällen Bei geladenen Zerfällen ist Ortsauflösung sehr gut: Unterscheidung über Vertexposition [5]

30 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Dann Verwendung des Protonentaggers [4] Mistags werden mit α quantisiert α +- leicht zu bestimmen α 00 über unterschiedliche Zeitinformation und Wahrscheinlichkeit von zufälligen K L - Tags Δ α LS = α 00 – α

31 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

32 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in ungeladenen Zerfällen: K L π 0 π 0 π 0 Rekonstruktion der Photonenbahnen aus den π 0 Zerfällen Bestmögliche Kombination aus Bahnen wird als π 0 identifiziert Wenn Abweichung der invarianten Masse zu groß Wird verworfen

33 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in geladenen Zerfällen: K L π μ ν K L π e ν Wegen nicht detektiertem Neutrino fehlt Transversalimpuls P 2 T Cut auf P 2 T < 0,0002 GeV 2 [4]

34 CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Ergebnisse: Erste Ergebnisse im Bereich von: Re( ε/ε) = 1,85 ± 0,73 * Heute: Re( ε/ε ) = 1,47 ± 0,22 * Im PDB: Re( ε/ε ) = 1,65 ± 0,26 * Vorher keine 5σ Unverträglichkeit mit 0 Parallel Experiment am Fermilab: KTeV Erste Ergebnisse 1999: Re( ε/ε ) = 2,80 ± 0,41 * 10 -3

35 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

36 CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss Heute ist CP-Verletzung im Standardmodell integriert Widergespiegelt in der CKM-Matrix Unitäre Matrix mit 4 unabhängigen Parametern

37 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]: [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: CP-Verletzung im Kaonen-System

38 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: CP-Verletzung im Kaonen-System


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