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1 Die experimentelle Untersuchung der CP-Verletzung (Verletzung der Ladungs-Paritäts-Symmetrie) Manfred Jeitler Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen.

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1 1 Die experimentelle Untersuchung der CP-Verletzung (Verletzung der Ladungs-Paritäts-Symmetrie) Manfred Jeitler Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

2 2 Fundamentale Symmetrien Fundamentale Symmetrieoperationen in der Teilchenphysik: Parität (Raumspiegelung P) Teilchen-Antiteilchen-Austausch (Ladungskonjugation C) Zeitumkehr (T) Je nach der Art der Wechselwirkung kann das Resultat einer solchen Transformation einen mit derselben Wahrscheinlichkeit auftretenden physikalischen Zustand beschreiben (die Symmetrie ist erhalten) oder nicht (die Symmetrie ist gebrochen).

3 3 Sind Elementarteilchen völlig symmetrisch ? e Sind Elementarteilchen bloß eine Art kleiner Billiardkugeln? Gibt es hier Platz für eine Asymmetrie im Raum oder in der Zeit?

4 4 Neutrinos P

5 5 Neutrinos und Antineutrinos PC CP

6 6 Neutrinos und Antineutrinos Parität Charge Ladungskonjugation: Austausch von Teilchen und Antiteilchen Parität Charge CP linkshändiges Neutrino rechtshändiges Neutrino rechtshändiges Antineutrino X PC CP

7 7 Neutrinos und Antineutrinos Parität Charge Ladungskonjugation: Austausch von Teilchen und Antiteilchen CP linkshändiges Neutrino rechtshändiges Neutrino rechtshändiges Antineutrino X Bei Neutrinos sind P und C maximal verletzt aber die kombinierte PC Symmetrie ist erhalten: P C CP

8 8 CP-Eigenwert n man kann Teilchen einen CP-Eigenwert zuordnen –wie Ladung, Masse usw. n dieser ist multiplikativ: –CP ( ) = -1 –CP ( ) = +1 es gibt 2 Arten von neutralen K-Mesonen –das (l ä ngerlebige) K 0 L zerf ä llt in 3 -Mesonen –das (k ü rzerlebige) K 0 S zerf ä llt in 2 -Mesonen n K 0 L und K 0 S unterscheiden sich durch CP-Eigenwert! n CP(K 0 L ) = -1 CP(K 0 S ) = +1 K0LK0L K0SK0S CP = -1 CP = +1

9 9 CP-Verletzung K0LK0L K0SK0S K0LK0L CP = -1 CP = +1 CP = -1 CP = : manchmal (0.3 %) auch

10 10 Die 4 grundlegenden Wechselwirkungen Gravitation Starke Wechselwirkung Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung

11 11 Symmetrieerhaltung CPCPTCPT Gravitation Elektromagnetismus Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung XX xx

12 12 Materie im Universum (Baryogenese) Beim Urknall entstanden gleiche Mengen von Teilchen und Antiteilchen. Heute aber besteht das Universum gro ß teils aus Materie, nicht aus Antimaterie. Wohin ist die Antimaterie verschwunden? Wieso gibt es uns ü berhaupt noch? Die CP-Verletzung ist eine wichtige Bedingung für diese Baryon-Asymmetrie (Sakharov, 1965).

13 13 Zustandsmischung (indirekte CP-Verletzung) und direkte CP-Verletzung K S K 1 + K 2 CP + CP - < direkt CP + CP - K L K 2 + K 1 K 1 : CP = +1 K 2 : CP = -1 CP + indirekt CP-erhaltend

14 14 Theoretische Modelle das superschwache Modell –führt eine fünfte Kraft ein –der Effekt wäre nur bei neutralen K-Mesonen zu sehen –würde nur in der Zustandsmischung, nicht aber in den Zerfallsamplituden auftreten (nur indirekte, aber keine direkte CP-Verletzung)

15 15 das CKM-Modell –Phase im Standardmodell mit drei Generationen von Teilchen –direkte CP-Verletzung in Zerfallsamplitude vorhergesagt –viel eleganter als das superschwache Modell – aber man muss beweisen, dass es stimmt! – Suche nach der direkten CP-Verletzung Theoretische Modelle

16 16 Das Standardmodell mit drei Generationen von Teilchen

17 17 Direkte CP-Verletzung: die Jagd nach dem K S K 1 + K 2 CP + CP - < direkt CP + CP - K L K 2 + K 1 K 1 : CP = +1 K 2 : CP = -1 CP + indirekt CP-erhaltend n seit langem bekann: direkte CP-Verletzung << Zustandsmischung (indirekte CP-Verletzung) – <<, die direkte CP-Verletzung ist ein kleiner Effekt 2. Ordnung wichtige Frage: gibt es die direkte CP-Verletzung ? n welches theoretische Modell ist das richtige ? –experimentum crucis nur indirekt Effekt gleich für + - und 0 0 !

18 18 Direkte CP-Verletzung: die Messung von Re / Experiment NA48 am CERN (Genf) kleiner Effekt benötige hohe Genauigkeit relative Messung ! KSKS KSKS häufig KLKL KLKL selten / Messung des Doppelverhältnisses:

19 19 Gleichzeitige Messung von K L und K S Die Strahlen neutraler K-Mesonen bei NA48 Tagging- Detektor

20 20 Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen -Zerfällen und -Zerfällen) Spektrometer (bestehend aus 4 Driftkammern und einem Magneten) und Hadronkalorimeter zur Messung von -Zerfällen elektromagnetisches Flüssig- Krypton-Kalorimeter zur Messung von -Zerfällen Hodoskop für genaue Zeitmessung Myondetektor zur Unterdrückung von Untergrund Der Detektor des Experimentes NA48 Strahl

21 21 Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen K K + - Untergrund Spektro- meter elektro- magnetisches Kalorimeter Hadron- kalorimeter Myon- detektor Strahl Der Detektor des Experimentes NA48

22 22 Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter Messung der Zerfälle von K-Mesonen in neutrale Teilchen (K mit elektromagneti- schem Kalorimeter gefüllt mit 9 m 3 flüssigem Krypton sehr gute Energie-, Orts- und Zeitauflösung Elektronik für Entscheidungslogik (Trigger) in Wien entwickelt und gebaut

23 23 Tagging-Detektor zur Identifizierung der K S -Mesonen

24 24 Beitrag der Wiener Gruppe zu NA48 Trigger für K Ereignisse –K 0 L 0 0 ist der seltenste der vier betrachteten Zerfallskanäle –Triggerelektronik wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut –Installation, Betrieb, Analyse der Effizienz n Tagging (Markierung) der K S -Zerfälle –Zerfälle mit Proton in dem auf das nahe Target gerichteten Strahl werden als K S markiert –Elektronik des Tagging-Detektors wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut –Installation, Betrieb, Analyse von Ineffizienz (K S K L ) und Fehlmarkierung (K L K S ) n zentrales Zeitgebersystem –Verwendung derselben Uhr für Tagging-Detektor und Haupt-Detektor (> 200 m Abstand) –Elektronik des Zeitgebersystems wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut –Installation, Betrieb, Analyse der Stabilität

25 25 Mitglieder der Wiener Gruppe n Anton Taurok, Herbert Bergauer, Michael Padrta, Kurt Kastner (Elektroniklabor 1) n Manfred Pernicka, Helmut Steininger, Siegfried Schmid, Josef Pirker (Elektroniklabor 2) n Ivan Mikulec, Günther Neuhofer, Heinz Dibon, Manfred Markytan (Physiker) n Günther Fischer, Laurenz Widhalm (Studenten) n viele Sommerstudenten

26 26 Das Ergebnis unserer Messung gäbe es nur indirekte CP-Verletzung: Erklärung durch superschwaches Modell wäre möglich (Einführung einer fünften Wechselwirkung) gibt es auch direkte CP-Verletzung:Erklärung nur durch Standardmodell experimentelles Resultat: direkte CP-Verletzung beobachtet - Re (/ ) = ( ) superschwaches Modell ausgeschlossen !

27 27

28 28 Heutiger Wissenstand n durch die Beobachtung der direkten CP-Verletzung wurde die Erklärung der CP-Verletzung im Rahmen des Standardmodells mit drei Generationen von Teilchen bestätigt und das Modell der superschwachen Wechselwirkung widerlegt n die bekannten CP-verletzenden Effekte sind zu schwach, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum zu erklären

29 29 Ausblick n die weitere Erforschung der CP-Verletzung erfolgt nunmehr großteils mit so genannten B-Mesonen –Teilchen, die ein bottom-Quark enthalten n diese Untersuchungen finden bei den B-Fabriken in Japan und den USA sowie am neuen Large Hadron Collider in Genf statt


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