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CP-Verletzung in Zerfallenvon neutralen B-MesonenAm 5. Februar 1999 prasentierte dieCDF-Kollaboration am Fermilabbei Chicago Evidenz fur CP-Verlet-zung in Zerfallen von neutralen B-Mesonen (B°) [1]. CP ist die kombi-nierte Symmetrieoperation von La-dungskonjugation C und Paritat P,wobei C Teilchen und Antiteilchenvertauscht und P alle Koordinatenam Ursprung spiegelt. Schon in denfunfziger Jahren wurde entdeckt,daR die schwache Wechselwirkungweder unter C noch unter P erhal-ten ist, wohl aber unter der kombi-nierten Symmetrieoperation CP.CP-Verletzung wurde zum erstenMai 1964 im Zerfall K£ -> n+f ent-deckt und ist seitdem ausschlieRlichin Zerfallen neutraler K-Mesonenbeobachtet worden.

CP-Verletzung bedeutet, daR diemikroskopischen Gesetze nicht vol-lig symmetrisch sind und daR es ei-ne Asymmetrie im Verhalten vonMaterie und Antimaterie gibt. ImFalle des K-Systems, so zeigtenM. Kobayashi und T. Maskawa imJahre 1972, laRt sich die CP-Verlet-zung sehr elegant und vollstandigim Rahmen des Standardmodellsder Teilchenphysik erklaren, wennman die Existenz von drei Genera-tionen von Quarks und Leptonenannimmt. Die schwache Wechsel-wirkung der Quarks untereinanderwird durch eine unitare MatrixVCKM parametrisiert. Die Unitaritatfiihrt zu Beziehungen zwischen denElementen der Matrix, die Wichtig-ste davon laRt sich geometrischdurch ein Dreieck in der komple-xen Ebene veranschaulichen. EinMaR fiir die CP-Asymmetrie ist ei-ner der Winkel dieses Dreieckssin2|S.

Tatsachlich lieR die Entdeckungvon Teilchen der damals noch nichtentdeckten dritten Generation nichtlange auf sich warten. So wurde imJahre 1975 das r-Lepton von MartinPerl und seinen Mitarbeitern ent-deckt. Im Jahre 1977 folgte die Ent-deckung des b-Quarks durch Leder-man und Kollegen am Fermilab,und 1995 wiesen die CDF- und DO-Kollaborationen das Top-Quarknach [2]. Damit sind heutzutagealle Teilchen der dritten Generationbis auf das r-Neutrino nachgewie-sen.

Das heutige Universum bestehtnur aus Materie, wahrend im Friih-stadium des Urknalls ein Gleich-

gewicht zwischen Materie undAntimaterie herrschte. Fiir dieseEntwicklung ist CP-Verletzung einenotwendige Voraussetzung. Aller-dings sind die bei K-Mesonen beob-achteten und vom Standardmodellerwarteten CP-Effekte zu klein, umdiese Asymmetrie erklaren zu kon-nen. Dies wird als ein Hinweis aufneue Physik jenseits des Standard-modells angesehen.

Das Standardmodell sagt starkeCP-verletzende Effekte in einigenseltenen Zerfallen von B-Mesonen,d. h. Mesonen, die b-Quarks enthal-ten, vorher. Zur experimentellenUberpriifung dieser Vorhersagenwurden in den vergangenen Jahrenam SLAC in den USA und am KEKin Japan neue e+e~-Beschleuniger,die sogenannten B-Fabriken, unddazugehorige Experimente aufge-baut, die im Laufe diesen Jahres mitder Datennahme beginnen werden[3]. Auch das am DESY im Bau be-findliche Experiment HERA-B hatdie gleiche Zielsetzung.

Das CDF-Experiment hat in denJahren 1992 - 1995 am Tevatron-Collider Daten von Proton-Antipro-ton-Kollisionen bei einer Schwer-punktsenergie von 1,8 TeV aufge-nommen, darunter auch eine sehrgroRe Zahl von Ereignissen mit B-Hadronen. Insgesamt sind mehr als5 x 109 B-Hadronen erzeugt wor-den, aber nur ein kleiner Bruchteilkonnte anhand von charakteristi-schen Zerfallen vom groRen Unter-grund getrennt werden. Das Ver-haltnis des Produktionswirkungs-querschnittes von bb-Quark-Paarenzum totalen Wirkungsquerschnittam Tevatron betragt ca. 8 x 10~4. Zuden aufgenommen Ereignissengehort auch der Zerfall B°(B°) -^J/^Ks, wobei die beiden geladenenMyonen (fi+n~) vom Zerfall des }lyden Trigger des CDF-Detektors aus-losen. Dieser Endzustand ist einCP-Eigenzustand: CP |J/^Kg> =- |J/^K|}. Dieser Zerfall ist von be-sonderem Interesse, weil es fiir innmoglich ist, die GroRe der CP-Asymmetrie theoretisch zu berech-,nen und auf fundamentale GroRendes Standardmodells zuriickzu-fuhren. Allerdings ist der Zerfall B°—>J/VKg relativ selten, er findet nureinmal in 50000 Zerfallen des B°-Mesons statt. Mit den ca. 400 vonCDF gefundenen Ereignissen gelangaber eine erste CP-Analyse. CP-Ver-letzung manifestiert sich darin, daRein unterschiedlicher Anteil von B°im Vergleich zu B° in diesen End-zustand zerfallt und dieser Unter-

schied zudem von der Zeit abhangt,zu der das B°-Meson zerfallt:

dN odt

dt '

Die Zerfallszeit wird aus derDistanz des Zerfallsvertex vomprimaren Kollisionspunkt mit Hilfeeines hochauflosenden Silizium-streifendetektors ermittelt. Aller-dings ist die exakte Vertexinforma-tion nur bei 50 % der 400 Ereignis-sen vorhanden.

Falls vorhanden, wird dieVertexinformation benutzt und zurOptimierung der Asymmetriemes-

Abb. 1:Der CDF-Detektor, mit dem CP-Verletzung im Zerfall von B-Mesonen beobachtet wurde, gebffnet in der Wartungshalle. ImZentrum des zylindrisch aufgebauten Systems befinden sich derVertexdetektor sowie die Spurenkammer, durch die wahrendder Datennahme die Strahlen in einem Vakuumrohr laufen.

sung verwendet. Sie ist aber nichtzwingend erforderlich, da man aucheinen Effekt beobachtet, wenn maniiber die Zeit integriert. Um dieAsymmetrie zu messen, muR manfeststellen, ob der beobachtete Zer-fall urspriinglich von einem B° oderB° stammt. Dies bezeichnet man alsFlavor Tagging (Tagging zu deutschMarkierung). Bei CDF wurden hier-zu drei verschiedene Methoden an-gewandt. Die ersten beiden gehenvon der Annahme aus, daR zu je-dem B-Hadron im Ereignis auch einAnti-B-Hadron zu finden ist, dadiese fast ausschlieRlich in starkerWechselwirkung paarweise erzeugtwerden. So sucht man entwedernach einem Lepton (Elektron oderMyon) aus dem semi-leptonischenZerfall des zweiten B-Hadrons oderman bestimmt die Ladung der Ha-dronen, die vom Zerfall des zweitenB-Hadrons herriihren (Jet Charge,s. Abb. 2). Aus der Ladung des Lep-tons oder des Jets ergibt sich, ob esurspriinglich ein B° oder ein B° war,welches letztendlich in ein J/V KS

Physikalische Blatter55 (1999) Nr. 4 15

zerbllen kt. Die drltte Mathode @&me Side Tagging) hmthrnt db =dung'~ihes Eons, d& r M i & mit d m antefsuehtn B@ am rag-

k p ~ ~ l i e r t a h g m t r ~ t ="&. Bej eiwm d hanwt $s^siFfi urn ein nf, w&bre:nd sia ZiQ yon einem K- begleitek w i d Abbirduq 2 migt s&mtisch den ZmfdI 80 ~ J P V ~ m1 Bi verschidmm Bggi@-Me-

Abtr. 2 Fiir dle Uneieuchung der CP-Vmletzung bt der Z e a l voa neutralen &Hadconen von besonderam hierewe. I-Hadronea werden papwei& la Fr~t~Ant~pFdon-ICoU1sionen e m u p 91e bben elm9 rw1aatiu knge Lebenedaum von 1,6 pa und legen in diesw Z& im Mitt@ elwan mehr als einen mm Turlick Gezeicb- net id der XerfaU Ra h eln I/*. und eio @-Mw. DM J/p ralrd mschlie&nd iiber dmaa pMmpfen Z d a l l in zwej enhgm- g& gehdenc Myonan (&) nachgeuiesen. Das @ mit dner Lebenadauer van etwa 90 ps zerfllllt beupt1cbilcb In ewe1 entgegengegetet geldene Piosen (n+x-). Die Signatur ~ind aho vier geladene Spuren: m i Mgoaen, dwmn invahnte Munrsa der J/~-Mmss entsprrWt, and met Piwen, die sicb 2a a i m @ Bombinlerea b m s . DarUber hinaw deatui die Abbildung die verrschiedewn Methuden an, mit denen sieh W e n e n IWti(, ob ea arspriEnglich ein & oder eln B0 man d c h e s WfiendIicb in eh I/y- nnd ein @-Memo eerfallw Lt (Bwor mg, siebe Tat).

tboden. E a Giik einer T a r n - Methade wird durch zwei G r o h n charakterisiert: der EffiZkn~ &=

(Anzahl der markerten Ereignis- s e ) / ( A z d tlller EreipLe) lrna dm DilQiiaur (zu deutsch: Verw8sse- rung), einm MaR fik die Reinheit, der Tagging-Methade :

wobei N, die Anzahl der ,,richtigd markierten und Nf die Anzakl der falsth rnakkierten Efeibisse kt. D < 1 hedeutet, ctaR ejrte miigliche Asymmetric ,,verwaschm" wird.

Dr. Etanm W-4 as hod* aDz ist eia M 4 fiS In&htfirB+- die statistische Aussagekraft der mwMe Knnpbu- Messung . So besagt ein Wert van dk UAmF6iuit hr lmhe &D2 = 63 Oh, daB ein Datensatz von

400 Fireipisaen diesehe shtistische Aussagekraft hat w k 25 Breigrlissa mit peHekbm Taggibg.

Nachdem die Effekte berii&- sicbiigt wurden, erhiilt CDP das fob

pride Ergabnh: Wfi = 0,?9%% +at. + syst.), mbei der P&let hrtuptsiibhlieh &&&sCher NaW i&t. D%s& Eb:gebr& hi dna w&&t- J?&a.Vwh*Uflg biahe&er Me$- swgen und b&eute,t, d&:sin2B rnit

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Blick in den Pansistor Alle 18 Monate verdopqelt sich die L~istungsftihigk~it von Gomputer- chipa - so das ,Mooi-&dre GesetfL, das in den vergangenen Jahzehn- ten. imrner deder aufs Nene he- stiiiigt ururd.de. Oiese St~lgerung ist nur duFch immer &inere StPuktu- mn mBglich: Derzeit shd 180 nm g09e Strukturen ,,state of the art", innwhalb eines weiteren Jahrzehnts wefden Transistoren aus nur rmch einigen tausend Ahmen bestehm und urn die 100 m graB sein. Digs sebt trine bid- unerreichte Prii- zisian der eimelnes Partigungs- schitte uoraus, van denen die Dotierung ein gam wesentlicher is?

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