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

CP-Verletzung im Kaonen-System Gliederung Diskrete Symmetrien Kaonen Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Erster Nachweis der CP-Verletzung Nachweis der direkten CP-Verletzung

CP-Verletzung im Kaonen-System 1. Diskrete Symmetrien In der Quantenmechanik dargestellt durch Operatoren: Elektron im Potential eines Protons: Eigenzustand mit Eigenwert: Hat Parität Gamma: Eigenwert -1: Sein eigenes Antiteilchen und koppelt an Ladung, die konjugiert wird Pi0: Zerfällt in 2 Gamma (-1)*(-1) = 1

CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Mesonen, bestehend aus einem s-Quark und einem leichten Quark (u,d) Meson Quarks Ladung strangeness Masse +1 493,7 MeV -1 497,6 MeV

Kaonenerzeugung: Beispiele CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung: Beispiele p π- Λ p π+ Dominanz abhängig von Energie der Pionen Daher lange Lebensdauer: geladene Kaonen: 10 ns

Kaonenzerfall: Beispiele CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenzerfall: Beispiele K0 π- π+ π- π+ π0 K0 Dominanz abhängig von Energie der Pionen Daher lange Lebensdauer: geladene Kaonen: 10 ns

CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung: Beispiele p p Λ p π- π+ Kaonenzerfall: Beispiele K0 π- π+ π- π+ π0 K0 Dominanz abhängig von Energie der Pionen Daher lange Lebensdauer: geladene Kaonen: 10 ns Strange Quarks werden erzeugt in starker Wechselwirkung und zerfallen schwach Lange Lebensdauer

3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Kaonen werden erzeugt in starker Wechselwirkung: als K0 oder K0 Das Kaonen-System

CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Tau/s = 0,895 * 10^-10 [1]

CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K0  K0 Strangeness nicht erhalten: ΔS = 2

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:

CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Zerfall von K1 und K2 Häufigste hadronische Zerfälle von neutralen Kaonen: 2 π und 3 π 2 π : π0 π0, π+ π- 3 π : π0 π0 π0 , π+ π- π0 K1 zerfällt in 2 π K2 zerfällt in 3 π Häufigste Zerfälle von Kl: semileptonisch: pi+- + lepton + neutrino K1 hat wesentlich kürzere Lebensdauer als K2 τ(K1) = 0,895 * 10-10 s τ(K2) = 0,512 * 10-8 s

CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K1 und K2 haben keine definierte strangeness und Übergangsmatrixelement führt zu Massendifferenz [1]

CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K1 – Regeneration Bei Propagation von K2 in Materie: Starke WW bestimmt Zeitentwicklung Projektion auf K0 und K0 Wirkungsquerschnitt von K0 und K0 mit Proton ist unterschiedlich Zahl ändert sich unterschiedlich stark Regeneration von K1 K1 und K2 haben keine definierte strangeness und Übergangsmatrixelement führt zu Massendifferenz

4. Erster Nachweis der CP-Verletzung 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 2π decay of the K02 Meson“ Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch Ursprünglich Experiment zur Untersuchung der Regeneration von K2-Strahlen Untersuchung des Zerfalls: K1/2  geladene Pionen

CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Versuchsaufbau Funkenkammer: Spurrekonstruktion Cherenkovkammer + Szintillator: Trigger [2]

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 π1 K2 Θ1 Θ2 π2 Für zwei-Körperzerfälle Θ = 0 Für drei-Körperzerfälle Θ ≠ 0

CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Kalibrierung mit K1, die durch Regeneration hergestellt wurden Möglich, da Impuls und Richtung durch Regeneration nicht geändert werden Messergebnisse Massenverteilung Winkelverteilung Regenerator: Wolfram 490 < m < 510 [2] [2]

CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Im Gegensatz zu: Mittelwert der Masse für cosΘ > 0,99999 499,1 ± 0,9 MeV Für K1: 498,1 ± 0,4 MeV Winkelverteilung entspricht Gaußverteilung um 0 mit Standardabweichung: 4,0 ± 0.7 mrad Für K1: 3,4 ± 0.3 mrad

CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Zwei-Körperzerfall von K2 CP-Verletzung Erklärung: Damals: ε = 2,3 * 10-3 Heute: ε = (2,229 ± 0,010) * 10-3

CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Also sind die Prozesse K0  K0 und K0  K0 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

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

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung [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) NA-48-1: seltene Ks Zerfälle NA-48-2: K+K- Zerfälle NA-48-3: Seltene K+ Zerfälle

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Versuchsaufbau Winkel: 0,6 mrad [4] Kaonenerzeugung mit 450 GeV-Protonenstrahl Kaonen haben Energie von 70 – 170 GeV

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 m3 flüssigem Krypton, aufgeteilt in ≈ 13000 Zellen Zusätzlich: Hadronkalorimeter Myonenkammer Protonentagger, Zeitauflösung: 140 ps

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Strahlrohr Krypton-Kalorimeter Winkel: 0,6 mrad [6] [6]

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Strahlengang-Halle Winkel: 0,6 mrad [6]

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Zwei wichtige Punkte: Unterscheidung von KS und KL Zerfällen Untersuchung des Untergrunds

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

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Dann Verwendung des Protonentaggers Mistags werden mit α quantisiert α+- leicht zu bestimmen α00 über unterschiedliche Zeitinformation und Wahrscheinlichkeit von zufälligen KL - Tags ΔαLS = α00 – α+- ≈ 10-4 [4]

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

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in ungeladenen Zerfällen: KL  π0 π0 π0 Rekonstruktion der Photonenbahnen aus den π0 Zerfällen Bestmögliche Kombination aus Bahnen wird als π0 identifiziert Wenn Abweichung der invarianten Masse zu groß  Wird verworfen

CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in geladenen Zerfällen: KL  π μ ν KL  π e ν Wegen nicht detektiertem Neutrino fehlt Transversalimpuls P‘2T Cut auf P‘2T < 0,0002 GeV2 [4]

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

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

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

CP-Verletzung im Kaonen-System 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]: http://na48.web.cern.ch [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: http://cdsweb.cern.ch

CP-Verletzung im Kaonen-System 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: http://pdg.lbl.gov/