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

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 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 unter Erhaltungssatz zeitlicher Translation Energie räumlicher Translation Impuls Rotation Drehimpuls Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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, …) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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

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 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 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 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung 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 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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 + 27Al  a + 24Mg und a + 24Mg  p + 27Al Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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

Erzeugung neutraler Kaonen Prozesse Erzeugung abhängig von Energie der Pionen Reiner K0-Strahl durch 0.91 GeV ≤ E ≤ 1.5 GeV Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Zerfall der neutralen Kaonen Zerfallsprodukte P(p+) = P(p–) = P(p0) = –1 z.B. CP(p+p–) = +1, da Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Zerfall der neutralen Kaonen Kaon kein Eigenzustand von CP Konstruiere CP-Eigenzustände D.h. K1 zerfällt nur in 2-Pionen; K2 nur in 3-Pionen (wenn CP Erhaltung gilt) Zerfallszeiten t(K1) = 0,9 · 10-10 s t(K2) = 0,5 · 10-7 s Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Zerfall der neutralen Kaonen Zerfallszeit von K1 viel kleiner als von K2 Nach hinreichend großer Zeit sind alle K1 zerfallen  Reiner K2-Strahl K2 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 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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

Entdeckung der CP-Verletzung Reiner K2-Strahl läuft ein Zwei Detektionssysteme messen Viererimpuls der Produkte 3-Pion-Zerfälle (p+p–p0): p0 wird nicht gemessen Gesamtimpuls in beliebiger Richtung Masse des p0 fehlt 2-Pion-Zerfälle (p+p–): Gesamtimpuls in Richtung des K2-Strahls Massen gleich der Masse des K2-Strahls Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Entdeckung der CP-Verletzung Im Massenbereich von 2-Pion-Zerfällen ist deutlicher Peak bei q = 0° zu erkennen Außerhalb dieses Bereiches: gleich-mäßiger Hintergrund Verbotener Zerfall  CP-Verletzung Amplitudenverhältnis |h+–| = 2 · 10-3 Zerfall ändert CP-Wert  direkte CP-Verletzung Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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

Seltsamkeitsoszillationen Betrachte: Zeitentwicklung der Zustände a2 analog I. II. I.) Zeitentwicklung  Phase II.) Zerfall nach radioaktiven Zerfallsgesetz relative Phase zwischen K1 und K2 wenn E1 ≠ E2 (entspricht m1 ≠ m2) Amplitude für K0 Intensität Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Seltsamkeitsoszillationen Intensitäten von und oszillieren mit Dm Intensität nimmt nicht nur ab! entsteht (Regeneration) Oszillation der p+p– Zerfallsrate (da hauptsächlich Produkt von K0) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Seltsamkeitsoszillationen 1974: Geweniger et al. Messung von K0  p–p+ Zerfällen untersuchte Lebensdauer: 3.5 · 10-10 s – 30 · 10-10 s Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Seltsamkeitsoszillationen Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Seltsamkeitsoszillationen Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Seltsamkeitsoszillationen Umwandlung zwischen und  indirekte CP-Verletzung |h+–| = (2,30 ± 0,035) · 10-3 f+- = (49,4 ± 1,0) ° Dm = 0,53 · 1010 ћs-1 = 3,49 · 10-6 eV (Dm aus späterem Experiment) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung real beobachtbare Zustände CP-Verletzung auch im p0p0-Zerfall e beschreibt indirekte CP-Verletzung e‘ beschreibt direkte CP-Verletzung Aktuelle Bestrebungen: Messung von Messung von allen vier Zerfallsraten notwendig Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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

Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung NA48 Experiment Protonenbeschuss von Beryllium erzeugt Kaonen KL-Target 126 m vor Zerfallsregion KS-Target 6 m vor Zerfallsregion Unterscheidung von Zerfall aus KL / KS durch Protonen-Tagging Untersuchung von 12 · 109 Kaonzerfällen (entspricht 170 TB Rohdaten) Re(e‘/e) = (15,22 ± 3,87) · 10-4 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! Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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

Ursachen der CP-Verletzung Komplexe Elemente in VCKM 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 Vtd* Vtd Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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 KL-Zerfall häufiger entsteht“ Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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 (Dm) größer  Oszillation besser zu beobachten BELLE @ KEK (Tsukuba) BABAR @ SLAC (Stanford) LHCb @ CERN (Genf) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Quellen Einführung in die Elementarteilchenphysik David Griffiths, Akademie Verlag A new determination of the K0  p+p- 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 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung