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Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Jan Fiete Große-Oetringhaus Seminar über Kern- und Teilchenphysik.

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Präsentation zum Thema: "Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Jan Fiete Große-Oetringhaus Seminar über Kern- und Teilchenphysik."—  Präsentation transkript:

1 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Jan Fiete Große-Oetringhaus Seminar über Kern- und Teilchenphysik

2 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Inhalt Einführung –Symmetrien –P Verletzung –CP-Verletzung Zerfall neutraler Kaonen Historische Experimente Aktuelle Experimente Ursachen (theoretische Betrachtung) Folgerungen & Aussichten

3 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Symmetrien Symmetrie: sehr wichtiges Konzept in der Physik Vereinfachung vieler Probleme z.B. gerade / ungerade Funktionen Symmetrien sind verknüpft mit Erhaltungssätzen (Noether-Theorem) Symmetrie unter Operator X heißt: System zeigt gleiches Verhalten nach Anwendung von X (bzw. Verhalten auf das X angewendet wurde) Symmetrie unterErhaltungssatz zeitlicher TranslationEnergie räumlicher TranslationImpuls RotationDrehimpuls

4 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Parität (P) Physikalische Prozesse symmetrisch (meistens) d.h. gespiegeltes System verhält sich wie ursprüngliches System Elementarteilchenphysik: Prozess läuft im Spiegel genauso ab (gleiche Wahrscheinlichkeiten, Produkte, Edukte, …)

5 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Parität (P) Parität im Allgemeinen erhalten z.B. starke Wechselwirkung: p + p + + p + n schwache Wechselwirkung verletzt (Untersuchung des -Zerfall von 60 Co [Wu 1957]) nur linkshändige Neutrinos nur rechtshändige Antineutrinos Def.: Helizität: Helizität +1 Rechtshändig Helizität –1 Linkshändig

6 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Parität (P) Mathematische Beschreibung Operator P: Raumspiegelung am Ursprung P heißt Paritätstransformation P dreht die Helizität existiert nicht! P maximal verletzt

7 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Ladungskonjugation (C) Änderung der Vorzeichen aller elektrischen Ladungen Änderung aller internen Quantenzahlen (q, B, L, S, …) Ladungskonjugation verwandelt im Allgemeinen Teilchen in zugehöriges Antiteilchen z.B. e - e + für Reaktionen

8 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Ladungskonjugation (C) Mathematische Beschreibung Operator C Ladungskonjugation oder Teilchen-/ Antiteilchenoperator klassische Elektrodynamik invariant unter C Symmetrie unter Ladungskonjugation heißt: gleiche Zerfallszeiten, Aufspaltungsverhältnisse, gleiche Teilcheneigenschaften … z.B. existiert nicht! C maximal verletzt

9 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung CP In der Regel führt C Teilchen in Antiteilchen über, jedoch Ausnahmen vorhanden: z.B. Neutrino Kombination von Paritätstransformation P und Ladungskonjugation C führt zu CP CP führt Teilchen in Antiteilchen über z.B. auch bei Neutrino

10 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Zeitumkehr (T) Umkehrung der Zeitrichtung eines Prozesses Zeitinvarianz - also Symmetrie unter T - heißt Zeitrichtung eines Prozesses nicht erkennbar z.B. Bewegung im Schwerefeld Elementarteilchenphysik: Zeitinvarianz in starker Wechselwirkung p + 27 Al + 24 Mg und + 24 Mg p + 27 Al

11 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Wechselwirkungen Starke und elektromagnetische Wechselwirkung erhalten C, P, und T einzeln In schwacher Wechselwirkung ist C und P maximal verletzt Kombination von CP scheint erhalten Jedoch auch hier leichte Verletzung CPT muss immer erhalten sein CPT Theorem: Jede relativistische lokale Feldtheorie muss unter CPT erhalten sein! Aus CP-Verletzung folgt T-Verletzung

12 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Kaonen Kaonfamilie M ~ 500 MeV Kaonen sind die leichtesten seltsamen (S 0) Mesonen Zerfall unter schwacher Wechselwirkung, da starke Wechselwirkung Seltsamkeit erhält

13 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Erzeugung neutraler Kaonen Prozesse Erzeugung abhängig von Energie der Pionen Reiner K 0 -Strahl durch 0.91 GeV E 1.5 GeV

14 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Zerfall der neutralen Kaonen Zerfallsprodukte P( + ) = P( – ) = P( 0 ) = –1 z.B. CP( + – ) = +1, da

15 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Zerfall der neutralen Kaonen Kaon kein Eigenzustand von CP Konstruiere CP-Eigenzustände D.h. K 1 zerfällt nur in 2-Pionen; K 2 nur in 3-Pionen (wenn CP Erhaltung gilt) Zerfallszeiten (K 1 ) = 0,9 · s (K 2 ) = 0,5 · s

16 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Zerfall der neutralen Kaonen Zerfallszeit von K 1 viel kleiner als von K 2 Nach hinreichend großer Zeit sind alle K 1 zerfallen Reiner K 2 -Strahl K 2 ist Eigenzustand zu CP = –1 nur Zerfälle mit CP = –1 möglich (3-Pion-Zerfälle) Es werden jedoch auch 2-Pion-Zerfälle beobachtet! CP-Verletzung! Maß für Verletzung: Amplitudenverhältnis

17 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Entdeckung der CP-Verletzung 1964: Christenson, Fitch, Cronin, Turlay

18 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Entdeckung der CP-Verletzung Reiner K 2 -Strahl läuft ein Zwei Detektionssysteme messen Viererimpuls der Produkte 3-Pion-Zerfälle ( + – 0 ): 0 wird nicht gemessen Gesamtimpuls in beliebiger Richtung Masse des 0 fehlt 2-Pion-Zerfälle ( + – ): Gesamtimpuls in Richtung des K 2 -Strahls Massen gleich der Masse des K 2 -Strahls

19 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Entdeckung der CP-Verletzung Im Massenbereich von 2- Pion-Zerfällen ist deutlicher Peak bei = 0° zu erkennen Außerhalb dieses Bereiches: gleich- mäßiger Hintergrund Verbotener Zerfall CP-Verletzung Amplitudenverhältnis | +– | = 2 · Zerfall ändert CP-Wert direkte CP-Verletzung

20 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Zustandsmischung Umwandlung von und gemeinsame Zerfallszustände Umwandlung durch virtuelle Pionzustände Boxdiagram

21 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Seltsamkeitsoszillationen Betrachte: Zeitentwicklung der Zustände a 2 analog I. II. I.) Zeitentwicklung Phase II.) Zerfall nach radioaktiven Zerfallsgesetz relative Phase zwischen K 1 und K 2 wenn E 1 E 2 (entspricht m 1 m 2 ) Amplitude für K 0 Intensität

22 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Seltsamkeitsoszillationen Intensitäten von und oszillieren mit m Intensität nimmt nicht nur ab! entsteht (Regeneration) Oszillation der + – Zerfallsrate (da hauptsächlich Produkt von K 0 )

23 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Seltsamkeitsoszillationen 1974: Geweniger et al. Messung von K 0 – + Zerfällen untersuchte Lebensdauer: 3.5 · s – 30 · s

24 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Seltsamkeitsoszillationen

25 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Seltsamkeitsoszillationen

26 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Seltsamkeitsoszillationen Umwandlung zwischen und indirekte CP-Verletzung | +– | = (2,30 ± 0,035) · = (49,4 ± 1,0) ° m = 0,53 · ћs -1 = 3,49 · eV ( m aus späterem Experiment)

27 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung CP-Verletzung real beobachtbare Zustände CP-Verletzung auch im 0 0 -Zerfall beschreibt indirekte CP-Verletzung beschreibt direkte CP-Verletzung Aktuelle Bestrebungen: Messung von Messung von allen vier Zerfallsraten notwendig

28 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung NA48 Experiment 1999: CERN Gleichzeitige Messung aller Zerfallsraten Fehlerminimierung

29 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung NA48 Experiment Protonenbeschuss von Beryllium erzeugt Kaonen K L -Target 126 m vor Zerfallsregion K S -Target 6 m vor Zerfallsregion Unterscheidung von Zerfall aus K L / K S durch Protonen-Tagging Untersuchung von 12 · 10 9 Kaonzerfällen (entspricht 170 TB Rohdaten) Re( / ) = (15,22 ± 3,87) · 10 -4

30 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Ursachen der CP-Verletzung Superschwache Theorie: Kürzlich widerlegt! Idee: Quarks mischen Analogie: Leptonenzahlerhaltung pro Familie Keine Quarkfamilienerhaltung in der schwachen Wechselwirkung Umwandlungen außerhalb der Familien möglich!

31 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Ursachen der CP-Verletzung Konstruiere Familien, so dass Erhaltung pro Familie gilt Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM)

32 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Komplexe Elemente in V CKM erlauben CP-Verletzung T-Verletzung impliziert CPT erhalten bisher Konsistenz CP-Verletzung ist mit dem Standardmodell verträglich Vorhersage der dritten Quarkfamilie, da CP-Verletzung bei nur 2 Familien nicht erlaubt wäre Ursachen der CP-Verletzung V td V td *

33 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Folgerungen Baryogenese im Universum: Menge der Materie viel größer als Menge der Antimaterie CP-Verletzung gibt Umwandlungsrichtung vor Reicht jedoch als alleinige Erklärung nicht aus Erlaubt eindeutige Definition der Ladung: Die positive Ladung ist die Ladung des Leptons welches beim K L -Zerfall häufiger entsteht

34 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Aussichten Ähnliches Experiment zu NA48: KTeV am Fermilab Diskrepanz der Ergebnisse (außerhalb der Messungenauigkeiten) Aber: Beide messen CP-Verletzung Zerfall von B-Mesonen: Masse (~ 5,3 GeV) 10x größer als Kaonen Massendifferenz ( m) größer Oszillation besser zu beobachten KEK (Tsukuba) SLAC (Stanford) CERN (Genf)

35 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Quellen Einführung in die Elementarteilchenphysik David Griffiths, Akademie Verlag A new determination of the K decay parameters Geweniger et. al.; Physics Letters 48B, 5, S. 487 Measurement of the charge asymmetry in the decays… Geweniger et. al.; Physics Letters 48B, 5, S. 483 Hochenergiephysik Donald H. Perkins, Addison-Wesley Messung der direkten CP-Verletzung im System neutraler Kaonen Andreas Peters, Universität Mainz, Dissertation 2002 Violation of Particle Anti-particle Symmetry Tatsuya Nakada, CERN Summer Student Lectures 2003 CP-Violation Andreas Meyer, DESY Summer Student Lectures 2003


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