Die experimentelle Untersuchung der CP-Verletzung (Verletzung der Ladungs-Paritäts-Symmetrie)  spreche nur über neutrale K-Mesonen ! 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- zu Parität: Symmetrien sehr wichtig in der Natur meiste Tiere, Mensch: rechts-links symmetrisch, aber nicht ganz! Symmetriebrechung in Biochemie (linksdrehende Glukose) 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 bisher nur „“linkshändige“ Neutrinos beobachtet: spin-Vektor entgegengesetzt zu Flugrichtug ... „dreht sich nach links“ (Linksschraube) Experiment Goldhaber 1958: electron K-capture in 152Eu --> 152Sm*. Neutrino-Spin wird durch Sm-Atom weggetragen, wenn gamma in Vorwärtsrichtung --> hat selbe Helizität wie Neutrino, kann resonante Streuung machen; Bestimmung der Gamma-Polarisierung durch Elektron-Spin-Flip in Eisenmagnet (Umpolen des Magneten --> schauen bei welchem Feld mehr absorbiert wird). Wu-Experiment: 60Co --> 60Ni in starkem Magnetfeld (0,01 K); Winkelverteilung der Elektronen. 4

Neutrinos und Antineutrinos P C CP .. 5

Neutrinos und Antineutrinos P C CP linkshändiges Neutrino rechtshändiges Neutrino X Parität Charge CP Parität dies Transformationen sind nicht physikalische Prozesse, die man ablaufen lassen kann, sondern nur mathematische Darstellungen ! 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 CP-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 Erhaltungswert ~ Symmetrie (Noether-Theorem) Erfahrungstatsache ... ist in den meisten Reaktionen erhalten 8

CP-Verletzung K0L 1964: manchmal (0.3 %) auch K0L K0S p CP = -1 p nach langer Zerfallsstrecke nur KL erhalten (KS zerfallen ... Zerfallslänge von KS z.B. durch 2pi-Zerfälle bekannt) ... dann plötzlich doch 2pi-Zerfälle gesehen! man wusste schon (z.B. siehe oben Neutrinos), dass Parität bei “schwacher” Wechselwirkung maximal verletzt war aber erwartete / hoffte, dass CP erhalten wäre 1964 CP-Verletzung große Überraschung ! Nobelpreis für Entdecker (Cronin, Fitch); Turlay bei NA48 CP = -1 p CP = +1 CP = +1 CP = +1 9

Die 4 grundlegenden Wechselwirkungen Gravitation Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung n e ` p Schwache Wechselwirkung K0 p+ p- Starke Wechselwirkung bei hohen Energien zumindest gewisse Wechselwirkung vereint (z.B. “elektroschwache” Wechselwirkung) aber bei “unseren” Energien (Zimmertemperatur) getrennte Erscheinungen 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). andere Bedingungen: Baryonzahlverletzung System nicht im thermischen Gleichgewicht 12

|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- CP-erhaltend e’<<e direkt e indirekt KL, KS: “physikalische” oder “Massen”-Eigenzustände (Energie = Masse erhalten; bei jeder Beobachtung muss immer dieselbe Masse gemessen werden) pp CP+ 13

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) “philosophisch unbefriedigend”: brauche neue Wechselwirkung (1 von 5) für Erklärung eines einzigen Effektes, den ich sonst nie sehen werde! ... aber das ist kein Argument dagegen, dass die Natur trotzdem so beschaffen sein könnte! 14

Theoretische Modelle 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 .. 15

Das „Standardmodell“ mit drei „Generationen“ von Teilchen nur leichteste (1.) Generation tritt in stabilen Teilchen auf CP-Verletzung kann nur bei mindestens 3 Generationen so erklärt werden (erst dann gibt es eine nichttriviale komplexe Phase in der Mischungsmatrix) 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“ |K1> : CP = +1 |K2> : CP = -1 CP+ CP- CP+ CP- |KS>  |K1> + |K2> |KL>  |K2> + |K1> (nur bei Fragen: noch nicht erwähnt: K1, K2 Linearkombinationen von strangeness-Eigenzuständen: K1 = K0 + K0bar K2 = K0 - K0bar Ke3-Zerfall: KL -->  e  K0 = sbar d --> ubar d (=-) e+  K0bar = s dbar --> u dbar (=+) e-  sehe also aus Verhältnis +e- / -e+ den “strangeness”-Gehalt - --> Zustandsmischung ) direkt e’<<e nur indirekt  Effekt gleich für +- und 00 ! CP-erhaltend CP+ indirekt e pp 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 ! Ist Verhältnis “selten/häufig” in der 1. und 2. Zeile gleich? Bei getrennten Messungen der 4 “Kanäle” wären systematische Fehler viel zu groß! Messe gleichzeitig, damit sich Fehler “herauskürzen” Messung des Doppelverhältnisses: / 18

Gleichzeitige Messung von KL und KS KL und KS entstehen am Target immer in selber Menge KL-Strahl: gesäubert durch Zerfall der KS KS-Strahl: auf den paar Metern die beobachtet werden: KS zerfallen (Zerfallslänge ca. 6 m), KL nicht (Zerfallslänge 3 km) Protonen für 2. (“KS”)-Target kommen aus demselben Strahl (gleiche Intensitätsschwankungen aus) Unterscheidung der beiden: messe Protonen zum 2. Target (“Tagging”-Detektor): “tagging” = “Markierung” 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 Kalorimeter zur Messung von p0p0-Zerfällen magnet DCH Hodoskop für genaue Zeitmessung Spektrometer (bestehend aus 4 Driftkammern und einem Magneten) zur Messung von p+p--Zerfällen Strahl Der Detektor des Experimentes NA48 20

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

Beiträge der Wiener Gruppe zu NA48 Trigger für K0  0 0 Ereignisse K0L  0 0 ist der seltenste der vier betrachteten Zerfallskanäle „Tagging” („Markierung”) der KS-Zerfälle Zerfälle mit Proton in dem auf das “nahe” Target gerichteten Strahl werden als “KS” markiert zentrales Zeitgebersystem Verwendung derselben “Uhr” für Tagging-Detektor und Haupt-Detektor (> 200 m Abstand) unsere Wiener Gruppe (HEPHY) hat wichtige Beiträge geleistet 22

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 Experimente der Teilchenphysik (= Hochenergiephysik): heute nicht mehr durch Einzelne machbar unser “hardware”-Beitrag: Elektronik Studenten: haben geholfen, aber auch viel gelernt 23

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 (’/) = (1.66  0.26)  10-3 - NA48 (Genf), KTeV (USA) “superschwaches Modell” ausgeschlossen ! wichtigstes Resultat: nicht der eigentliche numerische Wert von Re(e’/e), sondern: mehr als “6 σ” von Null verschieden! leider Rechnungen zu schwierig (hadronische Unsicherheiten/QCD) um Physik jenseits des Standardmodells nachprüfen zu können! 24

.. 25

CP-Verletzung bei neutralen K-Mesonen: 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 (eine) große Motivation, hier weiter zu forschen weitere Motivation: versuche, Quarkmodell (Massen der Quarks) zu verstehen! 26

Weitere Forschungen 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 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 wir (unser Institut) in beiden Richtungen (Belle, LHC) beteiligt (interessant auch CP-Verletzung bei Neutrinos, Higgs ... ) 27

Danke für Ihre Aufmerksamkeit ! 28

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 29

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

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

32

Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix die Kopplung zwischen „up-type“ und „down-type“ Quarks wird durch die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix beschrieben: 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 im Standardmodell lässt sich CP-Verletzung durch eine nicht-triviale komplexe Phase in dieser Matrix erklären 33

Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix und das „Unitaritätsdreieck“ 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 die daraus folgende Relation ergibt eines von sechs so genannten „Unitaritätsdreiecken“ 34

das Unitaritätsdreick Im i    1 Re Normierung auf 1 35

Box- und Pinguingraphen 36

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 37

“strangeness”-Oszillationen im Quarkmodell sind die „strangeness“-Eigenzustände der neutralen Kaonen: |K0 > = |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 (|K0 > oder |`0 >) erscheint nach einiger Zeit als Mischung von |K0 > und |`0 > |K0 > und |`0 > sind keine CP-Eigenzustände aber ihre Linearkombinationen |K1 > = |K0 > + |`0 > und |K2 > = |K0 > - |`0 > sind CP-Eigenzustände für CP = +1 und CP = -1 die „physikalischen“ Zustände (Massen-Eigenzustände) |KS > und |KL> entsprechen annähernd den CP-Eigenzuständen |K1 > und |K2 > |KS> ~ |K1> + K2> |KL> ~ |K2> + K1> bei der Erzeugung (durch „starke“ Wechselwirkung) entstehen strangeness-Eigenzustände, und damit immer |KS > und |KL> zu gleichen Teilen 38

Quantenphysik mit Kaonen suche Korrelationen zwischen verschränkten Zuständen suche nach Verletzung von Bell’schen Ungleichungen Photonen: messe Spin-Zustände (positiv, negativ) Kaonen: messe Zustände der “Seltsamkeit” (strangeness): K0, 0 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! CP-Verletzung durch Zustandsmischung unterstützt Quantenmechanik kann eine Bell’sche Ungleichung konstruieren, die für nicht-verschwindende CP-Verletzung verletzt wird Gruppe von Theoretikern an der Universität Wien (Bertlmann, Hiesmayr) 39

Quantenphysik mit Kaonen Messungen mit verschränkten Zuständen sind bei Fixtarget-Experimenten mit sekundären Kaonstrahlen nicht möglich gewöhnlich wird nur eines der beiden erzeugten “seltsamen” Teilchen beobachtet 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 Υ4S-Zuständen bei den Experimenten BELLE (Japan) und BABAR (Kalifornien) HEPHY-Dissertant untersucht BELLE-Daten production of entangled kaons in -decay experiment KLOE at DANE e+e- collider (Frascati, Italy) decoherence parameter .0stat  0.2syst (prelim.) QM  total dedoherence 40

persönlicher Beitrag seit 1994 für HEPHY beim Experiment NA48 am CERN tätig HEPHY = Institut für Hochenergiephysik der ÖAW dieses Experiment hat als erstes die direkte CP-Verletzung nachgewiesen und damit geholfen, den Mechanismus der CP-Verletzung zu klären HEPHY hat beim Experiment NA48 eine wichtige Rolle gespielt Zeitmessung Trigger “Tagging” (“Markierung”) von K-Mesonen Analyse HEPHY ist auch bei BELLE aktiv CP-Verletzung im B-System 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” 41

Symmetrieerhaltung C P CP T CPT Gravitation      Elektromagnetismus      Starke Wechselwirkung      Schwache Wechselwirkung X X x x  momentanes Bild - manche vermuten, CPT könnte auch verletzt sein 42

Spiegelung von Raum, Zeit und Ladung 43

gleichzeitige Messung von KL und KS Die Strahlen neutraler Kaonen bei NA48 44

Der Detektor des Experimentes NA48 Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen -Zerfällenund -Zerfällen) Myondetektor zur Unterdrückung von Untergrund magnet DCH hadron calorimeter 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 45

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 46

„Tagging”-Detektor zur Identifizierung der KS -Mesonen 47

KS-Tagging System KS-Tagging Station Zeitauflösung 200 ps Doppelpulsauflösung 4 ns Ineffizienz der KS-Identifizierung  10-4 48

Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix die Kopplung zwischen „up-type“ und „down-type“ Quarks wird durch die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix beschrieben: 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 im Standardmodell lässt sich CP-Verletzung durch eine nicht-triviale komplexe Phase in dieser Matrix erklären ( ) 1- l2 l A l3(r-ih) = -l 1-l2/2 A l2 A l3 (1-r-ih) -Al2 1 49

Folien zu diesem Vortrag: http://wwwhephy.oeaw.ac.at/u3w/j/jeitler/www/Kolloquium_Jeitler.pdf 50