Glanzlichter und Zukunftsaussichten des Belle Experiments Martin Heck | 27.03.2014 Institut für Experimentelle Kernphysik Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Was Machen Wir bei Belle? Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

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Hauptmotivation der Intensity-Frontier Kopplungen oder Effekte, die im Standardmodell unterdrückt oder verboten sind; Z.B. bei der Überprüfung der KM-Theorie über B-Mixing tauchen Faktoren Vtd ~1% in den Amplituden auf. Beschleuniger ab 2016 Beschleuniger bis 2010 Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Warum B-Fabriken? Schließlich gibt es an Hadron-Maschinen mehr B-Mesonen, da 𝛔B viel größer ist, einfachere Lebensdauermessungen, da Zerfallslänge der B-Mesonen im Laborsystem viel größer ist. KEKB: ~ 180 𝛍m (𝛃𝛄 = 0,4) SuperKEKB: ~ 125 𝛍m (𝛃𝛄 = 0,28) Typisch für LHC-Experimente: ~ 104 𝛍m X 106 e+e-→Y(4S) Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Darum B-Fabriken! Die geringe Zahl an Untergrundprozessen erlaubt das Arbeiten bei deutlich höheren Luminositäten. Bei Y(4S)-Produktion entstehen 2 B- Mesonen und sonst nichts, was viel reinere Analysen erlaubt mit ein oder auch mehreren 𝛑0-Mesonen im Endzustand; 30-40% Flavour-Tagging-Effizienz; (O(10) mehr als bei Hadronmaschinen); Möglichkeit der vollständigen Ereignisinterpretation, für Zerfälle mit 𝛎s. B kinet. E: ~10 MeV 1036 Y(4S) x 103 B Impuls:~330 MeV 1033 LHCb Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Physik bei Belle Charm-Physik (𝛔Prod(cc) ähnlich wie Y(4S)) CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse; Spektroskopie angeregter Zustände; ... “Exotische” Analysen Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s- Paarproduktionsereignissen; Dark-Photon, Weinberg-Winkel; Physik bei Belle B-Physik CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse, insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos; ... 𝛕-Physik (𝛔Prod(𝛕𝛕) ähnlich wie Y(4S)) Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung; … Weitere Spektroskopie X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium; Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Physik bei Belle Charm-Physik (𝛔Prod(cc) ähnlich wie Y(4S)) CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse; Spektroskopie angeregter Zustände; ... “Exotische” Analysen Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s- Paarproduktionsereignissen; Dark-Photon, Weinberg-Winkel; Physik bei Belle B-Physik CP-Verletzung; Verzweigungsverhältnisse, insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos; ... 𝛕-Physik (𝛔Prod(𝛕𝛕) ähnlich wie Y(4S)) Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung; … Weitere Spektroskopie X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium; Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Aktuelle CP-Verletzungsstudien Grafische Darstellung der CKM Matrix-Parameter: Unitaritätsdreieck(e) normiert→2 Seiten, 3 Winkel; Nur eines ist nicht fast degeneriert. Ursprüngliche Hauptmotivation für Belle: CP-Verletzung in B → J/𝛙 KS (Messung von 𝛷1, bzw. sin(2𝛷1) Belle: 0.667 ± 0.023 ± 0.012 Babar: 0.687 ± 0.028 ± 0.012) Testet: KM-Mechanismus ist eine gute Erklärung für CP- Verletzung im Kaon- System (𝛆K). Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Aktuelle CP-Verletzungsstudien Aktuelle Arbeiten fokussieren auf 𝛷2 : 𝓑(B→𝛒0𝛒0) = (1,02 ± 0,30 ± 0,15) x 10-6 [BABAR: (0,92 ± 0,32 ± 0,14) x 10-6] Longitudinale Polarisation: 𝔣L ~ 0,21 ± 0,2 ± 0,13 Durch Analyse, die Isospin-Symmetrie nutzt, kann 𝛷2 bestimmt werden. B+→𝛒0𝛒+ erfordert Möglichkeit 𝛑0 Zerfälle messen zu können, wie auch andere Methoden 𝛷2 zu bestimmen. 𝛷2 = (84.9 ± 12.9)° [Ø aller Messungen: ~(85,4 ± 3,9)° ] Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des “Tag”-Mesons: p( Bsig ) = - p( Btag ), alle verbleibenden Teilchen im Detektor sollten vom Bsig kommen, Flavour Bsig @ Zeit (Zerfall Btag) = - Flavour Btag, genaues Btag Vertexing → bessere Schätzung der Zerfallslängendifferenz. ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden; ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein; Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation 𝛑 Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des “Tag”-Mesons: p( Bsig ) = - p( Btag ), alle verbleibenden Teilchen im Detektor sollten vom Bsig kommen, Flavour Bsig @ Zeit (Zerfall Btag) = - Flavour Btag, genaues Btag Vertexing → bessere Schätzung der Zerfallslängendifferenz. D K 𝛑 𝛑 tatsächlich 1000e Endzustände möglich; 𝛑 ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden; ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein; Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

B → 𝛕 𝛖 Selektion: Nur eine Spur auf der Signalseite; Energie im Kalorimeter, die keinem interpretierten Endzustandsteilchen zugeordnet werden kann (Eextra) klein; Struktur der fehlenden Masse, berechnet aus Anfangszustand und Impulsen der gemessenen Teilchen; Verzweigungsverhältnis proportional zu |Vub|, einer Seite im nicht-degenerierten Unitaritätsdreieck: durch die letzte Belle-Analyse wieder ans SM herangerückt; BR~(0,72 ± 0,27) x 10-4 Analyse mit semileptonischer Tag-Seite auf dem Weg. Bessere Überein- stimmung mit SM Einfluss dieser Messung Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Details... Relativ leicht zu messen. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Pion-Impuls im Ruhesystem des Signalseiten B B → h(*) 𝛖 𝛖 Pion-Impuls im Ruhesystem des Signalseiten B B → D(*) 𝛑 klar zu erkennen und entfernbar. Selektion ähnlich wie B → 𝛕 𝛖; Ähnliche Signatur für andere mögliche unsichtbare Teilchen wie Axionen; Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

B → h(*) 𝛖 𝛖 Verteilung der Extra-Energie** in den verschiedenen Kanälen. Keiner der Signalbeiträge ist signifikant. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Hinweis Heute Nachmittag in Flavour 3 werden noch weitere Analysen dieser Art vorgestellt.Raum: GFH 01-701 Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Vollständige Ereignisinterpretation im Charm-Sektor Die vollständige Ereignisinterpretation erlaubt auch absolute Verzweigungsverhältnisse im Charm-Sektor zu bestimmen. Dazu wird z. B. in der Reaktion e+e- → cc → Dtag Kfrag Xfrag Ds* mit Ds* → Ds 𝛾 das Ds nicht mitrekonstruiert. Das Dtag wird zum Ausgleich der Charm-Quantenzahl benötigt und kann D0, D+, Λc+, D∗+ oder D*0 sein. Beim Λc+ wird noch ein Antiproton gefordert. Das Kfrag wird zum Ausgleich der Strangeness- Quantenzahl benötigt. Xfrag kann eine Anzahl Pionen sein. Das 𝛾 aus dem Ds* ermöglicht eine gute kinematische Bedingung. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Ds-Resultate Wir erhalten ca. ~100.000 völlig inklusiv rekonstruierte Ds Mesonen. eliminieren damit die Hadronisierungs- unsicherheit auf die Produktionsrate. rekonstuieren nun in einem sehr reinen Ereignisrest spezielle Ds Zerfallskanäle, und erhalten u.a. 𝓑(Ds→ 𝛍𝛖) = (0,531 ± 0,028 ± 0,020)% 𝓑(Ds→ 𝛕𝛖) = (5,70 ± 0,21 ± 0,30)% und daraus 𝔣DS= (255,5 ± 4,2 ± 5,1) MeV. (Weltbeste Einzelmessung!) 𝔣DS ist der Formfaktor des Ds und seine Messung ein wichtiger Test für die Gitter-QCD. Z.B. C. Davies et al. (2010) 𝔣DS = (248,0 ± 2,5) MeV Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Oder inklusive 𝛬c- Rekonstruktion Resultat hier: Wiederum ist diese Messung absolut und unabhängig von einem Referenzkanal. Dies ist der Referenzkanal für alle anderen Messungen des 𝛬c. Die PDG Schätzung basiert of modellabhängigen Messungen von ARGUS und CLEO und ist: Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Exotische Spektroskopie Entdeckung des X(3872) durch Belle hat enormes Interesse an exotischer Spektroskopie hervorgerufen: Entdeckung X(3872) 869 Zitate Mehr Zitate als der “goldene Kanal” zur Überprüfung des KM-Mechanismus für den Belle gebaut wurde. CMS und ATLAS haben auf Spires nur je ein Physik-Papier mit mehr Zitaten. “Goldener Kanal” 690 Zitate Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Weitere Durchbrüche Y(5S) → Zb 𝛑 2011 entdeckte Belle die geladenen Zb(10610) und Zb(10650) mit einer Signifikanz von 16 Sigma. Masse → 2 b-quarks; Ladung → Zustände können nicht aus nur 2 b-quarks bestehen. 2013 wird das neue Z(3900)+ in den Daten von BES III, Belle und CLEO gefunden und die neue exotische Spektroskopie von vielen Medien wahrgenommen. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Eine Neue Form der Spektroskopie ist Entstanden Es gibt eine Reihe (O(10)) weiterer Zustände, die schlecht in Charmonium-Schema passen, als einzelne Entdeckungen zwar trotzdem wohl als solche interpretiert worden wären, aber nun anders behandelt werden. Je nach Produktion und Zerfall sind Dalitz-Plot oder Helizitätswinkel-Analysen möglich, die Aufschluss über Quantenzahlen geben; das X(3872) ist z.B. ein 1++ Zustand. Wahrscheinliche Interpretationen: 4-Quark-Zustand, Meson-Meson-Mokekül, Schwellen-Effekte,... Neue Experimente mit viel höherer Luminosität haben hier viele Möglichkeiten weitere Zustände zu entdecken und die Natur der Zustände genauer zu erforschen. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Die Zukunft von Belle für 50 ab-1 Myon und KLong Detektor mit Widerstandsplatten- kammern und Szintillatoren 2 Lagen DEPFET- Pixel-Detektoren Strahlrohr 1,2 cm Radius 4 Lagen DSSD mit Neigung Elektronen (7 GeV) Positronen (4 GeV) EM-Kalorimeter mit verbesserter Zeitauflösung Driftkammer mit verlängertem Hebelarm Propagationszeitmesser (Misst Flugzeit und Cherenkov- Winkel) Aerogel-RICH Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

DEPFET-Pixel Detektor 8-bit Auflösung für die Energiedeposition im Pixel; Ortsauflösung O(10 𝛍); Kommt mit Untergrund-Niveau bei R = 1,4 cm zurecht; 75 𝛍m dicke Siliziumschicht; Elektronik auf Balkon an der Seite der Sensorfläche; Geringe elektrische Leistung mit entsprechend geringem Kühlbedarf; → sehr wenig Material innerhalb der Detektorakzeptanz; Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

SVD Zeitbestimmung von Hits mit einer Genauigkeit von wenigen ns. Geneigte Sensoren reduzieren das Materialbudget für Spuren in Vorwärtsrichtung. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Tracking Stark verbessertes Stand-Alone Tracking mit dem Vertexdetektor hilft beim Auffinden von Spuren mit geringem Impuls. Verschiedene weitere Verbesserungen sollen auch die Impulsbestimmung bei niederenergetischen Spuren verbessern, was z.B. bei der Assoziierung von langsamen Pionen zu D*→D 𝛑 Zerfällen hilft. Viele weitere Ideen, die z.B. der Vollständige Ereignisinterpretation und der Teilchenidentifikation helfen können. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Propagationszeitmesser Messung vollständig intern reflektierter Cherenkov-Strahlung (à la DIRC in BABAR): x, y, t (𝛔t= 40 ps), Deutliche Verbesserung gegenüber Belle Aerogel + Flugzeitmessung im zentralen Bereich. → Verbessert die Möglichkeiten der vollständigen Ereignisinterpretation. Leistung bei 3 GeV/c Impuls Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Rekonstruktion und Analyse Analysen mit vollständiger Ereignisinterpretation können am meisten von neuen Techniken profitieren, da dieser relativ neue Ansatz* noch nicht voll erforscht ist. Einige Möglichkeiten: Einbinden inklusiverer Zerfälle, z.B. auch D → K(*) l nu; Verwenden teil- oder schlecht rekonstruierter 𝛑0; Bessere Verzahnung von (Spur-, Gamma-) Rekonstruktion und Analyse, z.B. für Nutzung von D* Trick; klügere Ereignisinterpretation (statt E extra); bessere Wahrscheinlichkeitsinterpretationen in der hierachischen Rekonstruktion des der B-Mesonen. *noch 2001 dachten viele eine GigaZ Fabrik könnte B→ tau nu besser als Belle Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Zusammenfassung + Ausblick CP-Verletzungsstudien, Seltene Zerfälle, und Exotische Spektroskopie gehören zu den Glanzlichtern der Physik bei Belle; aktuell immer noch ca. 30 Publikationen pro Jahr; in Zukunft liefert Beschleuniger eine Luminosität von ~1036 [cm s]-1 (O(100) mehr als zuvor). Belle wird mit fantastischen neuen Technologien aufgewertet, und neue Analysetechniken speziell für B-Fabriken werden entwickelt. Daran beteiligen sich ~600 Personen, davon ~100 aus Deutschland mit besonderem Fokus auf den DEPFET-Pixel-Detektor und die Software- Entwicklung. Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät

Das wars! Prof. Dr. Max Mustermann | Musterfakultät