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

Fundamentale Symmetrien Fundamentale Symmetrieoperationen in der Teilchenphysik: Parität (Raumspiegelung P) Teilchen-Antiteilchen-Austausch (Ladungskonjugation C) Zeitumkehr (T) p+ p- 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”). 2

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

Neutrinos P 4

Neutrinos und Antineutrinos P C CP 5

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

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

CP-Eigenwert K0L K0S man kann Teilchen einen „CP-Eigenwert“ zuordnen wie Ladung, Masse usw. dieser ist multiplikativ: CP () = -1 CP () = +1 es gibt 2 Arten von „neutralen K-Mesonen“ das (längerlebige) K0L zerfällt in 3 -Mesonen das (kürzerlebige) K0S zerfällt in 2 -Mesonen K0L und K0S unterscheiden sich durch CP-Eigenwert! CP(K0L) = -1 CP(K0S) = +1 K0L p K0S CP = -1 CP = +1 8

CP-Verletzung K0L 1964: manchmal (0.3 %) auch K0L K0S p CP = -1 p

Die 4 grundlegenden Wechselwirkungen Gravitation Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung K0 p+ p- Starke Wechselwirkung 10

Symmetrieerhaltung C P CP T CPT Gravitation      Elektromagnetismus      Starke Wechselwirkung      Schwache Wechselwirkung X X x x  11

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

K1 : CP = +1 K2 : CP = -1 KS  K1 + K2 KL  K2 + K1 Zustandsmischung („indirekte CP-Verletzung“) und „direkte CP-Verletzung“ K1 : CP = +1 K2 : CP = -1 CP+ CP- KL  K2 + K1 KS  K1 + K2 CP+ CP- e indirekt CP-erhaltend e’<<e direkt pp CP+ 13

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) 14

Theoretische Modelle 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 15

Das „Standardmodell“ mit drei „Generationen“ von Teilchen 16

Direkte CP-Verletzung: die Jagd nach dem e’ seit langem bekann: direkte CP-Verletzung << Zustandsmischung (indirekte CP-Verletzung) e’ << e, die direkte CP-Verletzung ist ein „kleiner Effekt 2. Ordnung“ wichtige Frage: gibt es die direkte CP-Verletzung ? welches theoretische Modell ist das richtige ? „experimentum crucis“ KS  K1 + K2 CP+ CP- e’<<e direkt KL  K2 + K1 K1 : CP = +1 K2 : CP = -1 pp e indirekt CP-erhaltend nur indirekt  Effekt gleich für +- und 00 ! 17

Direkte CP-Verletzung: die Messung von Re e’/e KS p0 p+ p- “häufig” KL p0 p+ p- “selten” Experiment NA48 am CERN (Genf) kleiner Effekt  benötige hohe Genauigkeit  relative Messung ! Messung des Doppelverhältnisses: / 18

Gleichzeitige Messung von KL und KS Tagging- Detektor Die Strahlen neutraler K-Mesonen bei NA48 19

Der Detektor des Experimentes NA48 Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen -Zerfällenund -Zerfällen) Myondetektor zur Unterdrückung von Untergrund elektromagnetisches Flüssig-Krypton-Kalorimeter zur Messung von p0p0-Zerfällen Hodoskop für genaue Zeitmessung Spektrometer (bestehend aus 4 Driftkammern und einem Magneten) und Hadronkalorimeter zur Messung von p+p--Zerfällen Strahl Der Detektor des Experimentes NA48 20

Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen elektro- magnetisches Kalorimeter Spektro- meter Hadron- kalorimeter Myon- detektor K+- K204 Untergrund Strahl Der Detektor des Experimentes NA48 21

Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter Messung der Zerfälle von K-Mesonen in neutrale Teilchen (Kp0p04g) mit elektromagneti-schem Kalorimeter gefüllt mit 9 m3 flüssigem Krypton sehr gute Energie-, Orts- und Zeitauflösung Elektronik für Entscheidungslogik („Trigger“) in Wien entwickelt und gebaut 22

„Tagging”-Detektor zur Identifizierung der KS -Mesonen 23

Beitrag der Wiener Gruppe zu NA48 Trigger für K0  0 0 Ereignisse K0L  0 0 ist der seltenste der vier betrachteten Zerfallskanäle Triggerelektronik wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut Installation, Betrieb, Analyse der Effizienz „Tagging” („Markierung”) der KS-Zerfälle Zerfälle mit Proton in dem auf das “nahe” Target gerichteten Strahl werden als “KS” markiert Elektronik des Tagging-Detektors wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut Installation, Betrieb, Analyse von Ineffizienz (KS  KL) und Fehlmarkierung (KL  KS) 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 24

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

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 (’/) = (1.66  0.26)  10-3 “superschwaches Modell” ausgeschlossen ! 26

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Heutiger Wissenstand 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 die bekannten CP-verletzenden Effekte sind zu schwach, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum zu erklären 28

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