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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 CP-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 n e p

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 Wechselwirkung 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 Standardmodell (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) –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 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 ! |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 + indirek t CP-erhaltend

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) zur Messung von -Zerfällen elektromagnetisches Kalorimeter zur Messung von -Zerfällen Hodoskop für genaue Zeitmessung Myondetektor zur Unterdrückung von Untergrund Strahl Der Detektor des Experimentes NA48 magnet DCH

21 Blick in die Halle des Experimentes NA48 Zerfallsvolumen Haupt-Detektor

22 22 Beiträge der Wiener Gruppe zu NA48 Trigger für K Ereignisse –K 0 L 0 0 ist der seltenste der vier betrachteten Zerfallskanäle n Tagging (Markierung) der K S -Zerfälle –Zerfälle mit Proton in dem auf das nahe Target gerichteten Strahl werden als K S markiert n zentrales Zeitgebersystem –Verwendung derselben Uhr für Tagging-Detektor und Haupt-Detektor (> 200 m Abstand)

23 23 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

24 24 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:Entscheidung für Standardmodell experimentelles Resultat: direkte CP-Verletzung beobachtet - Re (/ ) = ( ) NA48 (Genf), KTeV (USA) superschwaches Modell ausgeschlossen !

25 25

26 26 CP-Verletzung bei neutralen K-Mesonen: 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

27 27 Weitere Forschungen n die weitere Erforschung der CP-Verletzung erfolgt nunmehr großteils mit so genannten B-Mesonen –Teilchen, die ein bottom-Quark enthalten –CP-Verletzung (auch direkte CP-Verletzung) wurde in den letzten Jahren auch bei B-Mesonen gemessen n diese Untersuchungen finden bei den B-Fabriken in Japan und den USA sowie am neuen Large Hadron Collider in Genf statt –unser Institut ist auch bei diesen Experimenten beteiligt

28 28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

29 29 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

30 30 Verschiedene Messungen von Re / n es stellte sich heraus, dass die direkte CP-Verletzung ein sehr kleiner Effekt ist n deswegen mussten immer genauere Experimente durchgeführt werden –CERN: NA31, NA48 –Fermilab: E731, KTEV –(DAFNE: KLOE)

31 31 Theoretische Berechnungen von Re / n sehr schwierig wegen hadronischer Effekte angesichts der zur Zeit erzielbaren theoretischen Genauigkeit wären weitere Messungen von Re / momentan nicht sinnvoll

32 32

33 33 Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix n die Kopplung zwischen up-type und down-type Quarks wird durch die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix beschrieben: n die drei Generationen von Quarks sind also nicht völlig voneinander getrennt, sondern mischen, sodass die Quarks der schwereren Generationen in die der leichteren zerfallen können n im Standardmodell lässt sich CP-Verletzung durch eine nicht-triviale komplexe Phase in dieser Matrix erklären

34 34 Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix und das Unitaritätsdreieck n diese Matrix stellt nur eine Mischung von Zuständen dar, deren Gesamtanzahl sich jedoch nicht ändert; daher muss sie unitär sein: V V + = V + V = 1 oder n die daraus folgende Relation ergibt eines von sechs so genannten Unitaritätsdreiecken

35 35 das Unitaritätsdreick 0 1 Re Im i Normierung auf 1

36 36 Box- und Pinguingraphen

37 37 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

38 38 strangeness-Oszillationen n im Quarkmodell sind die strangeness-Eigenzustände der neutralen Kaonen: |K 0 > = | sd > | 0 > = |s d > beide können in 2 oder 3 -Mesonen zerfallen sie können sich über diese (virtuellen) Zwischenzustände ineinander umwandeln (oszillieren): ein anfänglich reiner strangeness- Eigenzustand (|K 0 > oder | 0 >) erscheint nach einiger Zeit als Mischung von |K 0 > und | 0 > |K 0 > und | 0 > sind keine CP-Eigenzustände n aber ihre Linearkombinationen |K 1 > = |K 0 > + | 0 > und |K 2 > = |K 0 > - | 0 > sind CP-Eigenzustände für CP = +1 und CP = -1 n die physikalischen Zustände (Massen-Eigenzustände) |K S > und |K L > entsprechen annähernd den CP-Eigenzuständen |K 1 > und |K 2 > –|K S > ~ |K 1 > + K 2 > |K L > ~ |K 2 > + K 1 > n bei der Erzeugung (durch starke Wechselwirkung) entstehen strangeness-Eigenzustände, und damit immer |K S > und |K L > zu gleichen Teilen

39 39 Quantenphysik mit Kaonen n suche Korrelationen zwischen verschränkten Zuständen n suche nach Verletzung von Bellschen Ungleichungen n Photonen: messe Spin-Zustände (positiv, negativ) Kaonen: messe Zustände der Seltsamkeit (strangeness): K 0, 0 n wichtiger Unterschied zu Photonen: Kaonen zerfallen –wenn man einfach bloß jene Untermenge von Kaonen verwendet, die vor Erreichen des Detektors noch nicht zerfallen sind, führt dies zu einer Verzerrung (bias) –Vorsicht bei der Interpretation von experimentellen Daten! n CP-Verletzung durch Zustandsmischung unterstützt Quantenmechanik –kann eine Bellsche Ungleichung konstruieren, die für nicht-verschwindende CP- Verletzung verletzt wird –Gruppe von Theoretikern an der Universität Wien (Bertlmann, Hiesmayr)

40 40 n Messungen mit verschränkten Zuständen sind bei Fixtarget- Experimenten mit sekundären Kaonstrahlen nicht möglich –gewöhnlich wird nur eines der beiden erzeugten seltsamen Teilchen beobachtet n Erzeugung verschränkter Kaonen bei Proton-Antiproton-Annihilation –Experiment CPLEAR am CERN –Antiprotonen annihilieren in Wasserstofftarget –Messungen (1998) unterstützen Quantenmechanik Erzeugung verschränkter Kaonen beim Zerfall von -Mesonen –Experiment KLOE bei DA NE (e + e - Collider; Frascati, Italien) Erzeugung verschränkter B-Mesonen beim Zerfall von Υ 4S -Zuständen –bei den Experimenten BELLE (Japan) und BABAR (Kalifornien) –HEPHY-Dissertant untersucht BELLE-Daten Quantenphysik mit Kaonen

41 41 persönlicher Beitrag n seit 1994 für HEPHY beim Experiment NA48 am CERN tätig –HEPHY = Institut für Hochenergiephysik der ÖAW n dieses Experiment hat als erstes die direkte CP-Verletzung nachgewiesen und damit geholfen, den Mechanismus der CP- Verletzung zu klären n HEPHY hat beim Experiment NA48 eine wichtige Rolle gespielt –Zeitmessung –Trigger –Tagging (Markierung) von K-Mesonen –Analyse n HEPHY ist auch bei BELLE aktiv –CP-Verletzung im B-System n zur Zeit bin ich hauptsächlich beim Experiment CMS am LHC/CERN tätig –auch dieses Experiment wird u.a. CP-Verletzung bei B-Mesonen untersuchen –der auf die Untersuchung der CP-Verletzung spezialisierte LHC-Detektor ist jedoch LHCb

42 42 Symmetrieerhaltung CPCPTCPT Gravitation Elektromagnetismus Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung XX xx

43 43 Spiegelung von Raum, Zeit und Ladung

44 44 gleichzeitige Messung von K L und K S Die Strahlen neutraler Kaonen bei NA48

45 45 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 Strahl Der Detektor des Experimentes NA48 magnet DCH hadron calorimeter

46 46 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

47 47 Tagging-Detektor zur Identifizierung der K S -Mesonen

48 48 K S -Tagging System Zeitauflösung 200 ps Doppelpulsauflösung 4 ns Ineffizienz der K S -Identifizierung Zeitauflösung 200 ps Doppelpulsauflösung 4 ns Ineffizienz der K S -Identifizierung K S -Tagging Station

49 49 Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix n die Kopplung zwischen up-type und down-type Quarks wird durch die Cabibbo- Kobayashi-Maskawa-Matrix beschrieben: n die drei Generationen von Quarks sind also nicht völlig voneinander getrennt, sondern mischen, sodass die Quarks der schwereren Generationen in die der leichteren zerfallen können n im Standardmodell lässt sich CP-Verletzung durch eine nicht-triviale komplexe Phase in dieser Matrix erklären 1- 2 i = /2 A 2 A 3 (1- -i ) -A 2 1 ( )

50 50 Folien zu diesem Vortrag:


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