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25.1.2001 K. R. Schubert, Kolloquium U Rostock 1
K. R. Schubert, TU DresdenKolloquium U Rostock, 25/1/01
Erste Ergebnissedes BABAR-Experimentes
zur Verletzung der CP-Symmetrie
CP-Verletzung im Standard-ModellErwartungen an Experimente mit B-MesonenPEP-II und BABARErste BABAR-ErgebnisseHoffnungen
25.1.2001 K. R. Schubert, Kolloquium U Rostock 2
Paul Adrien Maurice Dirac(1902 – 1984)
Standardmodell derElementarteilchenphysik
= Erweiterung der Diracgleichungdurch das Eichprinzip.
Dirac 1928:
Weyl 1929:
),,,()(
;
++−−==
−∂=
RLRL eeeexee
eemeieL µµγ
µµµ
α
Aqii
exexe xi
−∂→∂⇒⋅→ )()()(
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 3
Glashow 1961:
Eichinvarianzen der Diracgl. unter lokaler SU(2) und U(1)
ergibt schwache und elektr ische Wechselwirkung durchAustausch von W+ , W -, γ und Zo.
Diese Invarianzen erfordern aber
µµµµ
α
σ
νν
ν
BygWgii
exe
xxU
xe
x
estatteunde
aa
xi
L
L
L
L
RL
L
'2
)(
)()(
)(
)(
,
)(
−−∂→∂⇒
→
.0)()()()()( ===== νγ memZmWmm
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 4
Higgs 1964: Einführung eines Spin-0-Dubletts Φund spontane Symmertr iebrechung
Higgs gibt Dirac die von Glashow weggenommene
Elektronenmasse wieder.
Glashow, Weinberg, Salam 1968:
Gleicher Higgs-Mechanismus erzeugt Massen für µ undQuarks udcs und erzeugt Quark-Mischung bei W-Austausch.
( ) ( )
( )
( ) eemeeeecv
ehLeeeecvLLxhvx
x
eee
ecLL
RLLR
RLLR
RLLL
LR
=+
++−→⇒
+
→
ΦΦ
ΦΦ
+
ΦΦ−→
),()(
0
)(
)(int
2
1
2
1*2
*1 ν
ν
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 5
Kobayashi, Maskawa 1973: Erweiterung 2 → 3 Familien(das τ-Lepton wird 1975 entdeckt, c-Quark 1974, b 1977)
Um Eichinvarianz zu erfüllen, können Matrizen C beliebig komplex sein. C(u) durch Drehen im Quark-Raum diagonal:
.].
[
)3,3,3,3(
)(
)()(
321
chd
uuC
d
udC
llC
LdulLL
L
LTR
u
L
LR
d
L
LR
l
SUSUUDirac
+
Φ+
Φ+
Φ−
+=
++
⊗⊗
β
βααβ
β
βααβ
β
βααβ
ε
ν
ν
→
→
→
'''
)(
3
2
1
;
00
00
00
;
L
L
L
L
L
L
t
c
uu
b
t
s
c
d
u
Dubletts
m
m
m
Cv
t
c
u
u
u
u
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 6
.,, '''LLLLLL bWtsWcdWu +++ ↔↔↔W-Austausch:
Dublett-Partner von u c t sind keine Masseneigenzustände.Weil (ui d i) ein Objekt ist, das im Quarkraum gedreht wird,können C(u) und C(d) nicht simultan diagonalisiert werden.
Ins Standardmodell eingeführt von K. und M. 1973,
Phänomenologie für 2 Famil ien bereits Cabibbo 1963.
Eigenschaften der CKM-Matrix:
.1;'
'
'
==
=
+VVmitVV
b
s
d
V
b
s
d
CKM
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 7
bVsVdVb
bVsVdVs
bVsVdVd
tbtstd
cbcscd
ubusud
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
'
'
'
Die Matrix V ik ist komplex. Aus CPT-Theorem folgt:
Higgs mischt Antiquarks anders als Quarks. Dies ist Ursache der CP-Verletzung im Standardmodell.
V i k*≠ Vik notwendig, aber nicht hinreichend.
Wg. unbeobachtbarer Quarkphasen muss gelten:CP ist Interferenzphänomen.
bVsVdVb
bVsVdVs
bVsVdVd
tbtstd
cbcscd
ubusud
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
***'
***'
***'
.0)(Im ** ≠= jkjlilik VVVVJ
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 8
Wolfenstein 1984:
A, λ, ρ, η sind 4 der 18 „freien Parameter“ des Std. modells.6 Unitaritätsbedingungen
von V sind als Dreiecke darstellbar, z.B.:
.;
1)1(
2/1
)(2/162
23
22
32
ηλληρλ
λλλ
ηρλλλ
AJ
AiA
A
iA
V ≈
−−−−−
−−
≈
.1//
,0
33*
*3*
≈+
=+−
λλ
λ
AVAV
VVAVV
tdub
tbtdubud
ρ
η
10
Vub*/Aλ3
V td/Aλ3
β
Fläche dieser Dreiecke ist J/2.
Messungen von λ, A, ρ2+η2
und (1−ρ)2+η2 ergebenλ = 0.22 ± 1% , A = 0.83 ± 4%,
J ≈ 3 • 10 –5 . Im Standardmodellist die CP-Symmetrie verletzt.
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 9
ρ
η
1
B→ρlν
λ = Vus aus β-Zerfällen K→πlν, A = Vcb/λ2 aus β-Zerfällen B→D*lν,ρ2+η2 = Vub/λVcb 2 aus β-Zerfällen B→ρlν,(1−ρ)2+η2 = Vtd/λVcb 2 aus BoBo-Oszillationen, ∆m(Bo).J ≠ 0, d.h. CP folgt allein aus
CP-symmetrischen Beobachtungen.
∆m(Bo)Lässt sich
die seit 1964bekannte
CP-Verletzung
im Zerfallvon K-Mesonen
mit einem dieser
Wertepaare ρ,ηerklären?
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 10
CPLEAR 1999
Asymmetr ie zwischenden ππ +ππ -- Zerfällen
von K 0 und K 0 als
Funktion der Zeit
zwischen Produktionund Zerfall .
tt
Kt
LS
LS
ee
tme
KNKN
KNKNAta
Γ−−+
Γ−
−+Γ+Γ−
−+
−+−+
−+−+
−+
+
−⋅∆=
→+→
→−→=−=
2
2/)(
00
00
)( cos2
)()(
)()()(
η
ϕη
ππππ
ππππ
)(
)(
)(
0
0
−+−+
−+
−+
−+
=
→
→=
ηϕϕ
ππ
ππη
S
L
KA
KA
oie 443103.2 ⋅⋅= −−+η
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 11
Erklärung von im Std. modell benötigt (1) KoKo-Oszil lationenund (2) Ko-Zerfall
s
sd
dW W
c,t
c,t
V ts* V td
V td V ts*
(1)
sd d
u
u
d
(2)WVus*
Vud
( )( ) 2
*2*2*0
2*22**0
)(
)(
udustdtsudus
udustdtsudus
VVtfVVVVkK
VVtfVVVVkK
+⋅=→Γ
+⋅=→Γ
ππ
ππ
Raten sind verschieden wenn ( ) .0Im ** ≠= JVVVV tstdudus
η+- wird quantitativ erklärt wenn .103 5−⋅+=J
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 12
η
1B→ρlν
η+-(Ko)
ββρ
Erwartungen an neue B- Mesonen-Experimente
CDF, D0, HERAB; BABAR, BELLE; ATLAS, CMS, LHCB:Verbesserung von Vcb und Vub, d.h. A und ρ2+η2,
Vcb aus B→D*lν, B→Dlν und HQET,
Vubaus B →ρlν, B→πlν, B→ωlν und versch. Theorien,Vts/ V tdaus BsBs-Oszillationen,sin2β β aus CP in Bo,Bo →J/Ψ KS und in anderen Moden.
Best immung von α und γ aus CP (Bo).
∆m(Bo)
αα
γγ
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 13
Kurze Historie :
1977 Entdeckung des b im Y(9.46) = 13S1bb am FNAL1978 Formation von Y(9.46) und Y(10.01) am DESY
1980 Erste B-Mesonen 13S1bq in Cornell1985-89 „B- Mesonen-Fabrik“-Planung am PSI1987 ARGUS-Entdeckung der BoBo-Oszil lationen
1988 Beginn der PEP-II-Studien am SLAC1993 Entscheidungen für PEP-II und KEK-B,
TU Dresden beteil igt sich bei SLAC
1995 BABAR „TDR“ & Genehmigung, U Bochum dazu7/98 Erste e+ e - Koll isionen in PEP-II5/99 Erste e+ e - Ereignisse in BABAR
7/00 Erste 15 Resultate auf der Osaka-Konferenz10/00 PEP-II erreicht Design-Lumi von 3 • 1033 / cm2/s
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 14
Die BABAR-Kollaboration:
China [1/6]I n s t . o f H i g h E n e r g y P h y s i c s , B e i j i n g
Deutschland [3/21]U R o s t o c k
R u h r U B o c h u m
T e c h n i s c h e U D r e s d e n
Frankreich [5/50]L A P P , A n n e c y
L A L O r s a y
L P N H E d e s U n i v e r s i t é s P a r i s 6 / 7
E c o l e P o l y t e c h n i q u e
C E A , D A P N I A , C E -S a c l a y
Großbritannien [10/80]U o f B i r m i n g h a m
U of Br i s to l
B r u n e l U n i v e r s i t y
U o f E d i n b u r g h
U of L ive rpoo l
I m p e r i a l C o l l e g e
Q u e e n M a r y & W e s t f i e l d C o l l e g e
R o y a l H o l l o w a y , U n i v e r s i t y o f
L o n d o n
U o f M a n c h e s t e r
R u t h e r f o r d A p p l e t o n L a b o r a t o r y
Italien [12/89]INFN, Ba r i
I N F N , F e r r a r a
I N F N F r a s c a t i
I N F N , G e n o v a
I N F N , M i l a n o
I N F N , N a p o l i
Norwegen [1/3]U o f B e r g e n
Russland [1/13]B u d k e r I n s t . , N o v o s i b i r s k
I N F N , P a d o v a
I N F N , P a v i a
I N F , P i s a
I N F N N , R o m a
I N F N , T o r i n o
I N F N , T r i e s t e
USA [35/276]C a l t e c h , P a s a d e n a
U C , I r v i n e
U C , L o s A n g e l e s
U C , S a n D i e g o
U C , S a n t a B a r b a r a
U C , S a n t a C r u z
U o f C i n c i n n a t i
U o f C o l o r a d o
C o l o r a d o S t a t e
F l o r i d a A & M
U o f I o w a
I o w a S t a t e U
L B N L
L L N L
U of Louisv i l l e
U o f Mary l and
U o f M a s s a c h u s e t s
M I T
U of Miss i s s ipp i
M o u n t H o l y o k e C o l l e g e
N o r t h e r n K e n t u c k y U
U o f N o t r e D a m e
O R N L / Y - 12
U o f O r e g o n
U o f P e n n s y l v a n i a
P r a i r i e V i e w A & M
P r i n c e t o n
S L A C
U o f S o u t h C a r o l i n a
S t a n f o r d U
U o f T e n n e s s e e
U of Texas a t Dal las
V a n d e r b i l t
U o f W i s c o n s i n
Y a l e U
Kanada [4/16]U o f B r i t i s h C o l u m b i a
M c G i l l U
U de Mont réa l
U of Vic to r ia
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 15
← L i n a c
←F i x e d T a r g e t
E x p e r i m e n t e
← B A B A R
← S L D
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 16
Die B- Mesonen-Fabrik PEP-II:
ja9.0 / 3.1E [GeV] e- / e+
170135Lint [pb- 1/Tag]
3,1 x 10333 x 1033L [cm-2 s- 1]
742 / 1010610 / 2140I [mA] e- / e+
ErreichtDesign
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 17
Bisher integrierte Luminosität,Juni 1999 bis Oktober 2000
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 18
Luminosität und Effizienz:
Design
Vakuum-leck
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 19
Der BABAR – Detektor:
(4) E lektromagnet isches
Kalor imeter (6) Instrument ier-tes Eisenjoch
(3) Cerenkov-
Detektor
(5) 1.5 T Solenoid
(2) Dr i f tkammer
(1) Si l iz ium-Vertex-Detektore-
e+
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 20
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 21
10 % der 6580
CsI (Tl) -Kristal le
Al le Photodioden
Optimierung der L ichtausbeute
Mechanik der
Aus lese-Elektronik
L ichtpulsersystem
zur Monitor ierung
Bhabha-E ichung
πo-E ichung
Dresdner Bei t räge zum Kalor imeter:
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 22
Elektronenidentif izierung
γγ invariante Masse
Effizienz
Miss-Identif izierung geladener P ionen
π0-Rekonstruktion
Kalorimetereigenschaften mit jetziger Eichung:
σ(x) = 1 cm, σ(E)/E = 0.020 bei 2 – 5 GeV
σ(m)/m = 0.049
e-Impuls
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 23
CP-Asymmetrie im Zerfall neutraler B-MesonenEinfachster Fall: Bo und Bo in CP-Eigenzustand fCP
Für fCP = J/Ψ KS sagt Std. modellohne theoret. Fehler voraus:
Auf der Y(4S)-Resonanz wird
Kohärenter 2-Teilchen-Zustand(BoBo-BoBo)/√2 erzeugt:
Integral von A über alle ∆t ist null,zeitabhängige Messung notwendig.
B0
B0
∆t/τ
( ) ( )( ) ( )CPCP
CPCP
fBfB
fBfBA
→Γ+→Γ
→Γ−→Γ=
00
00
)](sin[2sin .Pr. odZerf ttmA −∆⋅−= β
ttttt TagZerfodZerf ∆=−⇒− )()( ..Pr.
Γ
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 24
2. Best immung des Flavourdes anderen B-Mesons (“tag”)
1. B-Rekonstruktion inCP-Eigenzustand
3. Messung von ∆z:∆t = ∆z/βγc
ΥΥ( )
Best immung des Bruchtei ls wvon Fehltags
Dilution D = (1-2w) reduziert beobachtete Asymmetr ie
( ) ( )( ) ( ) t) msin( • )(-sin2 • D
/B/B
/B/BA
0000
0000
∆∆=Ψ→Γ+Ψ→Γ
Ψ→Γ−Ψ→Γ= β
SS
SS
KJKJ
KJKJ
Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie:
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 25
Ereignisselektion mit 9/ fb,
Juli 2000:
J/ψ → e+e - J/ψ → µ+µ -
1. J/ψ Rekonstruktion
π0π0
π+π-
2. K0 Rekonstruktion
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 26
B0→J/ψKs(π+π-) B0→J/ψK s(π0π0) B0→ψ(2S)K s(π+π-)
124 ±12 EreignisseReinheit 96%
18 ±14 EreignisseReinheit 91%
27 ± 6 EreignisseReinheit 93%
Zusätzlich zur Kontrolle (keine CP-Verletzung erwartet):7517 B0 → D*lν, 2438 B0 → D*π,D*ρ…, 251B0 → J/ψK*0(K+π-)
3. B0 Rekonstruktion: ∆E = E*(J/ψ)+E*(K0)-ECMS /2mes
2 = (ECMS /2)2 – [p(J/ψ)+p(K)]2
m es(GeV/c2) m es(GeV/c2) m es(GeV/c2)
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 27
B0
B0
4. Tagging mit Leptonen, Kaonen und Neural Net:von den 169 Ereignissen
haben 70 B0 tag und 50 B0 tag
5. Bestimmung von ∆t = tψK-tTag:
6. Kontrolle der Tag-efficiency ηund Bestimmung der Mistag-Rate w
aus Tags und Mistags
der Kontrollereignisse: η = 0.76, w = 0.21
7. Fit der zwei ∆t-Verteilungen mit D = 1-2w:
sin2β = 0.12 ± 0.37 ± 0.09
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 28
Kontrolle für die ∆t-Auflösung:BB-Oszillationen mit 8/fb: BABAR-CONF-00/10
))(())((
))(())(()(
tNtN
tNtNtA
∆+∆
∆−∆=∆
±±−+
±±−+
llll
llllA
P r e l i m i n a r y
βγβγ=0.56 ϒ(4S)
<∆z> = 250 µm
B0
l+
l-
B0
∆∆mB = (0.507 ± 0.015 ± 0.022) hh ps-1
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 29
Zusammenstel lung al ler bisherigen Messungen von sin2β:
* = preliminary
Mittelwert
25.1.2001 K. R. Schubert , Kol loquium U Rostock 30
Hoffnungen:
Weder vorläufiges Resultat von BABAR, sin2β = 0.12 ± 0.38,noch derzeitiges Weltmittel, sin2β = 0.49 ± 0.23,
sind signifikant:• Keine CP-Verletzung in B-Zerfällen etabliert, sin2β ≠ 0,• Kein Widerspruch zum Standardmodell, sin2β ≠ 0.7 ± 0.2.
BABAR hat jetzt 20/fb zu analysieren. Ereignisgewinn größerals 20/9; höhere Spureffizienz, mehr Zerfallsmoden wie
J/ψKL J/ψK*(K0π0) χc(J/ψγ)KS …Neues & erstes publiziertes Resultat vermutlich Feb/Mrz 01.
Datennahme geht weiter, PEP-II wurde 3 Monate verbessert, im Jahr 01 etwa weitere 40/fb. Dann auch ersteSuchen nach CP in B→ππ, πππ, ππππ; sensitiv auf sin2α.