Seltene K-Zerfälle Ivan Mikulec HEPHY Wien 31. März 2004 - DPG Tagung, Mainz.

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1 Seltene K-Zerfälle Ivan Mikulec HEPHY Wien 31. März 2004 - DPG Tagung, Mainz

2 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle2 Übersicht Phys. Fragestellung der seltenen K-Zerfälle Aktive Experimente Die Zerfälle K L,S 0 ll Der Zerfall K + Die Zerfälle K L K L Andere aktuelle Resultate Geplante Experimente Zusammenfassung

3 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle3 Zielsetzung K-Zerfälle haben wesentlich zum Aufbau des Standard Modells (SM) beigetragen Hauptinteresse heute: Suche nach neuer Physik jenseits des SM Messung der seltenen Zerfällen ist komplementär zur Suche nach neuen Teilchen oder zu Präzisionsmessungen Verletzungen der SM-Symmetrien können an den Zerfallsraten beobachtet werden Kurzdistanz-Prozesse am sensitivsten für neue Physik Die Langdistanz-Prozesse müssen manchmal abgezogen werden - beschrieben durch die chirale Störungstheorie ( PT)

4 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle4 Landkarte der seltenen K-Zerfälle Einzige Quelle der CP-Verletzung (CPV) in SM: J CP = 2x CKM Fläche = Im(V ud * V us V ts * V td ) ~ cos c sin c Im t

5 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle5 CERN: NA48 1997-2001 K L NA48/1 2000,02 K S NA48/2 2003,04 K ± CERN: NA48 1997-2001 K L NA48/1 2000,02 K S NA48/2 2003,04 K ± Fermilab: KTeV 1997,99 K L Fermilab: KTeV 1997,99 K L Frascati (Daphne): KLOE >2000 K S,K L, K ± Frascati (Daphne): KLOE >2000 K S,K L, K ± BNL: E787 1995-99 K + E949 >2002 K + BNL: E787 1995-99 K + E949 >2002 K + Aktive Experimente

6 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle6 Aktivitäten der Experimente NA48/1 2003 NA48 1999 KTeV 2001-prel. NA48/1 2003 KLOE 2003 NA48/1 2003 NA48/1 2003-prel. KTeV 2001 KTeV 1999 NA48 2002 KTeV 2000 KTeV 2000-prel. E787 2002-prel. NA48/1 prel. KLOE prel. KTeV 2000 KTeV 1998 NA48 2003 NA48 prel. E871 1998 E799 1998 E865 2000 E871 2000 E787 1997E865 1999 E865 2000 E949 prel. KLOE prel.

7 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle7 Die Zerfälle K L,S 0 ll

8 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle8 Analyse des Zerfalls K L 0 ll K L 0 ll A DCPV ~ CKM ~Im t A ICPV ~ A(K S 0 ll ) A CPC ~A(K L 0 ) m <110MeV Neue Analyse des ee Kanals: Buchalla, DAmbrosio, Isidori, NPB 2003. (BDI) Direkte CPV: BDI: BR DCPV (ee)4.4x10 -12 Indirekte CPV: CP-erhaltend: Kurzdistanz-Prozess: Interferenz K 0 -K 0 mixing - CP-verletzender Zerfall: 3 Amplituden

9 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle9 CP-erhaltende Amplitude von K L 0 ll In der chiralen Störungsentwicklung haben K L 0 und K S keinen Beitrag in O(p 2 ). Die O(p 4 ) Amplituden können genau (±5%) berechnet werden. Die lokalen O(p 6 ) Beiträge bestimmen die CP-erhaltende Amplitude von K L 0 ll und müssen gemessen werden. PT-O(p 4 ): ~0.6x10 -6 ~2.1x10 -6 m Der O(p 6 ) Beitrag zu (K L 0 ) bei niedringen m Der O(p 6 ) Beitrag zu (K L 0 ) bei niedringen m

10 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle10 Der O(p 6 ) Beitrag in K L 0 wird durch Vektor-Meson Austausch (Vector Meson Dominanz Modell: VMD) dominiert. Die O(p 6 ) Amplitude von K S bestimmt den nicht-VMD Beitrag (klein). CP-erhaltende Amplitude von K L 0 ll BR(K L 0 ) 30<m <110MeV < 0.6x10 -8 BDI 2003: BR(K L 0 ee) CPC < 3x10 -12 (konservativ) => vernachlässigbar klein BDI 2003: BR(K L 0 ee) CPC < 3x10 -12 (konservativ) => vernachlässigbar klein KTeV (PRL 1999) hat signifikant höhere m <110MeV Raten gemessen muss überprüft werden NA48 PLB 2002 BR(K S ) = (2.78±0.07)x10 -6 NA48/1 Bester Test der chiralen Störungsentwicklung: m K 2 /(4 F ) 2 20% Bester Test der chiralen Störungsentwicklung: m K 2 /(4 F ) 2 20% PLB 2003

11 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle11 Suche nach K S 0 ll Ziel: Bestimmung der indirekt-CPV Amplitude des Zerfalls K L 0 ll Theorie( PT): BR( K S 0 ll ) ~ ?x10 -9 Unbekannter Formfaktor: W S ~a S +b S (m ll /m K ) 2 Von der Messung von ee und im Prinzip a S und b S unabhängig messbar (4 Lösungen) PT+VMD Modell: a S /b S =0.4 BR( K S 0 ee )/BR( K S 0 )=0.23 Experimenteller Hinweis: BR( K + + ee )/ BR( K + + )=0.167±0.036 K S ~K 1 + K 2 K L ~K 2 + K 1 BR(K L 0 ll ) ICPV ~ 2 BR(K S 0 ll ) K 1, K 2 - CP Eigenzustände

12 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle12 Suche nach K S 0 ee Wichtiger Untergrund: K S 0 0 mit 0 ee Dalitz oder Konversion) Benötigt einen Schnitt: m ee >0.165 GeV/c 2 Signalbereich Blinde Analyse Signalbereich Blinde Analyse NA48/1 Dieser Bereich sehr gut verstanden Dieser Bereich sehr gut verstanden

13 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle13 Suche nach K S 0 ee Restlicher Untergrund: Zufällige Koinzidenzen: Signalfenster: | t| < 3 ns Datensatz mit erweitertem Zeitfenster: 3 ns < | t| < 50 ns K L ee 2001 Daten mit K L Fluss 10x grösser als 2002 NA48/1 Auch restlicher Untergrund «1 Ereignis

14 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle14 Suche nach K S 0 ee Untergrund Erwartung: QuelleEreignisse K L 0 D 0 D <0.01 K L ee 0.08 +0.03 - 0.02 Zuf. Koinz.0.07 +0.07 - 0.03 Summe0.15 +0.10 -0.04 NA48/1 7 Ereignisse beobachtet 7 Ereignisse beobachtet

15 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle15 Suche nach K S 0 Wichtigste Untergrundsquelle: Zufällige Koinzidenzen von K L und K S 0 0 Durch 50x Erweiterung (auf 150ns) des Zeitfensters gemessen QuelleEreignisse K L 0 0 +0.02 -0.00 K L 0.04±0.04 Zuf. Koinz.0.18 +0.18 -0.11 Summe0.22 +0.19 -0.12 erwarteter Untergrund NA48/1

16 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle16 Suche nach K S 0 Schnitte in m ausserhalb des kinematischen Bereichs bessere Akzeptanz als ee Kanal NA48/1 K L 0 6 Ereignisse im Signalbereich beobachtet 6 Ereignisse im Signalbereich beobachtet

17 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle17 K S 0 ll Verzweigungsverhältnisse BR(K S 0 ee) = (5.8 +2.8 -2.3 stat ± 0.8 syst ) x10 -9 BR(K S 0 ) = (2.9 +1.9 -1.4 stat ± 0.2 syst ) x10 -9 BR(K S 0 ee) mee>165MeV = (3.0 +1.5 -1.2 stat ± 0.2 syst ) x10 -9 Zentralwert extrapoliert mit Formfaktor W S (m ee )=1: =0.50±0.33 Kompatibel mit PT+VMD: 0.23 NA48/1 Bei 0 keine Extrapolierung notwendig: PLB 2003 prel. BR(K L 0 ee) CPV (17 IND ± 9 INT + 4 DIR ) x10 -12 BR(K L 0 ) CPV (9 IND ± 3 INT + 1 DIR ) x10 -12

18 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle18 PT: Bestimmung des Formfaktors W S W S ~a S +b S (m ll /m K ) 2 a S und b S können nur bedingt begrenzt werden durch hohe Korrelation der Ellipsen und grosse statistische Fehler Mit dem VMD Ansatz: |a S | ee =1.06 +0.26 -0.21 ±0.07 |a S | =1.55 +0.38 -0.32 ±0.05 Mit dem VMD Ansatz: |a S | ee =1.06 +0.26 -0.21 ±0.07 |a S | =1.55 +0.38 -0.32 ±0.05 NA48/1

19 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle19 Suche nach K L 0 ee KTeV: preliminary 1999 Daten 0.99±0.35 Untergrund- Ereignisse erwartet K L ( D D + acc 1 Ereignis beobachtet 1 Ereignis beobachtet KTeV K L ee

20 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle20 1997 Daten (PRL 2001): 2 Kandidaten bei 1.06±0.41 Untergrund BR( K L 0 ee ) < 5.1x10 -10 (90%CL) 1999 Daten (preliminary): 1 Kandidat bei 0.99±0.35 Untergrund BR( K L 0 ee ) < 3.5x10 -10 (90%CL) kombiniert BR( K L 0 ee ) < 2.8x10 -10 (90%CL) -1.3x10 -3 < Im t < 1.0x10 -3 Suche nach K L 0 ee KTeV oder | CKM |<3.3 (BDI: 2.6)

21 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle21 Suche nach K L 0 Hauptuntergrund 1997 Daten (PRL 2000) 2 Kandidaten bei 0.87±0.15 Untergrund BR( K L 0 ) < 3.8x10 -10 (90%CL) | CKM |<7 KTeV K L

22 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle22 Zusammenfassung K L 0 ll Zur Zeit KTeV Obergrenzen eine Grössenordnung höher als im SM erwartet Sensitivität auf Im t nur im Fall einer konstruktiven Interferenz zwischen dir. und indir. CPV Amplituden Benötigt wesentlich höhere Statistik sowohl in K S als auch in K L K L ee Untergrund kritisch Von NA48/1 K S Messungen und BDI 2003 (konstruktive Interferenz angenommen):

23 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle23 Der Zerfall K +

24 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle24 Suche nach K + Reine Kurzdistanz Physik: BR(K + )~( - 0 ) 2 +( 2 Von SM: BR=(8.0±1.1)x10 -11 Experiment E787 auf AGS BNL Daten 1995-99 2 Signalbereiche: –Region I: voll analysiert –Region II: mehr Untergrund Region I Region II E787

25 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle25 Suche nach K + E787 BR(K + )=(15.7 +17.5 -8.3 )x10 -11 DatenRegSig.Untergr. 95-99I20.15±0.05PRL 2002 1996 II 10.7±0.2PLB 2002 199700.5±0.2Prelimin. Region I BR(K + ) < 22x10 -10 90%CL Region II 0.29 < | t |/10 -3 < 1.2 68% CL

26 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle26 Suche nach K + E949 1 Ereigniss dazugekommen! 1 Ereigniss dazugekommen! neu! E949: Nachfolge-Experiment von E787 Erste Daten im 2002 Resultat von Region I wurde letzte Woche angekündigt E787+E949 kombiniert: BR(K + ) = (14.7 +13.0 -8.9 ) x10 -11 BR(K + ) > 4.2x10 -11 90%CL oder Vergleich SM: BR=(8.0±1.1)x10 -11

27 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle27 Die Zerfälle K L K L

28 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle28 Analyse des Zerfalls K L K L A SD ~( CKM ) A disp ~ K* BMS Modell(83) ~ DIP Modell(98) A disp ~ K* BMS Modell(83) ~ DIP Modell(98) SM: BR SD(0.8±0.3)x10 -9 Absorptiv: Dispersiv: Kurzdistanz Physik: Interferenz - +… dominant E871 2000: BR= (7.18±0.17)x10 -9 Langdistanz: A abs ~A(K L )

29 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle29 K L Verzweigungsverhältnisse K 3 Untergrund unterdrückt mit Hilfe des TRD Ke3 ee BR(K L ee ) (prel.) (10.19 ± 0.04 ± 0.07 ± 0.29 ) x 10 -6 BR(K L eeee) (prel.) (4.16 ± 0.13 ± 0.13 ± 0.17 ) x 10 -8 BR(K L ee ) (PRL 2003) (2.69 ± 0.24 ± 0.12 ) x 10 -9 KTeV stat syst norm stat syst Vergleich der BR(K L ee ) Messungen

30 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle30 K L Formfaktoren KTeV K* 2.6 Diskrepanz zwischen NA48 und KTeV ee Resultaten K* ( ee )= -0.186±0.011±0.009 K* ( eeee )= -0.03±0.13±0.04 K* ( ee )= -0.19±0.11 (DIP)=-1.611 ±0.044 Keine Sensitivität zu (DIP)

31 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle31 Messung des Zerfalls K L KLOE Neue Messung von KLOE: (PLB 2003) (K L )/ (K L ) = (2.79 ± 0.02 stat ± 0.02 syst ) 10 -3 stimmt gut überein mit NA48: (PLB 2003) (K L )/ (K L ) = (2.81 ± 0.01 stat ± 0.02 syst ) 10 -3 Schlussfolgerung für K L (Isidori, Unterdorfer 2003): -0.5 < CKM < 2.1 (2.9) -

32 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle32 CKM-Unitaritätsdreieck heute Isidori, Unterdorfer 2003 E787+E949 68% CL nach Isidori Beliebige Ausgrenzung der roten Ellipse würde neue Physik signalisieren

33 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle33 Andere aktuelle Resultate

34 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle34 Der Zerfall K L 0 e Interessant für PT: z.B. Streuung Formfaktoren: 5 Cabibbo-Maksymowicz Variablen gefittet: f S = 0.052 ± 0.006 ± 0.002 f P = -0.051 ± 0.011 ± 0.005 g = 0.087 ± 0.019 ± 0.006 h = -0.32 ± 0.012 ± 0.07 BR(K L 0 e ) = (5.21 ± 0.07 stat ± 0.09 syst )x10 -5 NA48 2.5x bessere Genauigkeit - - - NA48 preliminary

35 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle35 Der Zerfall K S 0 0 0 Da ne: e + e - K S K L K S identifiziert durch K L + - KLOE 4 Signalereignisse bei 3±1.3±0.2 Untergrund E. BR( K S 0 0 0 ) < 2.1x10 -7 | 000 | < 2.4x10 -2 CP-Verletzender Zerfall: KLOE preliminary: 90% CL NA48/1 prel.: BR < 3x10 -7 SM Erwartung 3x10 -9

36 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle36 Der Zerfall K S e CPT Test: Erste Messung der Ladungsasymmetrie in K S : S (e) = (-2±9±6) x10 -3 KLOE KLOE preliminary (Moriond 2004): BR( - e + ) = (3.54 ±0.05 stat ±0.05 syst )x10 -4 BR( + e - ) = (3.54 ±0.05 stat ±0.04 syst )x10 -4 BR( e ) = (7.09 ±0.07 stat ±0.08 syst )x10 -4 CKM Unitaritätstest: |V ud | 2 +|V us | 2 +|V ub | 2 = 1 PDG2002: ~2 Abweichung Neue Resultate in besserer Übereinstimmung mit Unitarität (theoretische Unklarheiten) L (e) = (3.32±0.07) x10 -3 KLOE E865 PDG fit E865 KLOE E865 KLOE PT –p 4 PT –p 6 V us K L O E P R E L I M I N A R Y PDG

37 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle37 Messung des BR(K L e ) NA48 Bisherige Situation: signifikanter Unterschied zwischen KTeV und Theorie Radiative Korrekturen wichtig Versuch einer modellunabhängigen Messung: MC gewichtet mit K-Energie und e * aus Daten (K L e )/ (K L e ) = (9.60 ± 0.07 +0.12 -0.11 ) x10 -3 NA48 preliminär:

38 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle38 CERN: NA48/3 ? K + CERN: NA48/3 ? K + Fermilab: CKM K + Fermilab: CKM K + KEK: E391a K L Stufe II geplant mit J-PARK KEK: E391a K L Stufe II geplant mit J-PARK BNL: KOPIO K L BNL: KOPIO K L geplante Experimente geplante Experimente

39 31. März 2004I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle39 Zusammenfassung Die neuen NA48/1 Messungen von K S 0 ll haben die Verhältnisse zwischen Kurzdistanz- und Langdistanz- Amplituden in K L 0 ll geklärt. Die direkte CP-Verletzung ist nur durch positive Interferenz mit der indirekten CPV-Amplitude erreichbar. E787+E949 haben 3 K + Ereignisse beobachtet Vorgestellte experimentelle Ergebnisse können benützt werden, um Modelle jenseits des SM einzuschränken Projekte für neue Experimente im Bereich der seltenen K-Zerfälle existieren Schwerpunkt: die Zerfälle K frei von Langdistanz-Prozessen und hoch sensitiv für einige Modelle jenseits des Standard-Modells