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Schlüsselexperimente der Kern- und Teilchenphysik

Messung der direkten CP Verletzung im Kaonzerfall

Jun Nian

01.06.2007

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Übersicht

Motivation Grundbegriffe Phänomenologische Beschreibung

(einschl. Experiment von Cronin und Fitch) Experimente (NA48, KTeV) Zusammenfassung und Referenzen

3

Materie-Antimaterie Asymmetrie Wo ist Antimaterie? Mögliche Erklärung:

CP Verletzung im Quark-Sektor

( , , )

Aber nicht genug ... CP Verletzung im Lepton-Sektor?

Motivation

K B D

4

Operatoren

P Operator:( ) ( )P x x

A A

C Operator:

CC A AA

A

CP Operator:( ) ( )CCP A x A x

Für ein Teilchen:

5

CP-Eigenwerte von 2 und 3

Für ein System A,B,... :

( , , ) ( ) ( ) ( 1)LCP CP CPA B A B

A, B, ... sind Eigenzustände von CP-Operator.

2 2CP

3 3CP

0 0( 0) 2 ( , )K L 0 0 0 0( 0) 2 ( , )K L

( ) 0PJ 0( ) 0PCJ

6

Eigenzustände von Kaonen

0 0S K K0K ds

0K ds 0 0S K KFlavor-Eigenzustände

0 0 0 0,CP K K CP K K

Zur Beschreibung des neutralen K-Systems:

0 01

1: ( )

2K K K CP-

Eigenzustände:0 0

2

1: ( )

2K K K

1CP

1CP

Frage: Sind und identisch mit beobachteten und ?1K 2K SK LK

7

KL = K2 ?

1( 1) 2 ( 1)K CP CP 2 ( 1) 3 ( 1)K CP CP

2 ( 1)SK CP 3 ( 1)LK CP

Frage: Sind und identisch mit beobachteten und ?1K 2K SK LK

Frage: Sind und auch CP-Eigenzustände?SK LK

Frage: Gibt es den Zerfall ?

2LK Suche man das!

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LK

Val Logsdon

Fitch

Experiment von Cronin & Fitch(1963, Brookhaven, AGS)

James Watson Cronin

(1980 Nobelpreisträger)

Prinzip:

LK CP Verletzung:

Nur zwei ProdukteLK

0 cos 1

LK

9

Experiment von Cronin & Fitch(Brookhaven, AGS, 1963)

Brookhaven: RHIC+AGS

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Aufbau des Experimentes von Cronin & Fitch

p(30GeV)

Target(Be)

Collimator-1

Magnet

Collimator-2

Pb

0, , , , , ,S Ln K K

, , ,Ln K

, Ln K

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Ergebnis des Experimentes von Cronin & Fitch

Ergebnis:

45 9 2 -Ereignisse

aus 22700 KL Zerfällen

494 MeV<m*(2 )<504 MeV3( 2 ) 10LK

KL kein CP-Eigenzustand

CP Verletzung in schwacher WW

12

Analyse des Zerfalls

2 12

1( ) 2 ( 1)

1LK K K CP

: Direkte CP Verletzung'

2 ( 1)CP 2 ( 1)CP

( 1)CP ( 1)CP

Frage: Wie misst man ?

'

Indirekte CP VerletzungDirekte CP Verletzung

' 0 0

: Indirekte CP Verletzungdominant in Cronin-Fitch-

Exp.

2LK

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Amplitude-Verhältnisse und Doppelverhältnis

:L

S

T K

T K

0 0

00 0 0:

L

S

T K

T K

Amplitude-

Verhältnisse:

Komplexe Größen Nicht zu messen!

Zu messende Größe:

Doppelverhältnis:

20 0 0 000( ) / ( )

:( ) / ( )

L S

L S

K KR

K K

14

20 0 0 000( ) / ( ) '

: 1 6 Re( )( ) / ( )

L S

L S

K KR

K K

Vereinfachungen

Zurück zur Frage: Wie misst man ?

'' 0 1R Direkte CP Verletzung

00 2 ' ' 1. Durch Isospin-Betrachtung:

2. 00( ) ( )Arg Arg ( ) ( ')Arg Arg

6 3 310 /10 10 Sehr genaue Messung!

Man misst nicht !

'

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Experimente zur direkten CP Verletzung

NA31(CERN, 1988):

4Re( '/ ) (23.0 6.5) 10 4Re( '/ ) (7.4 5.9) 10

Neue Experimente:

CERN: NA48; FNAL: KTeV

Direkte CP Verletzung: oder1R Re( '/ ) 0

E731(FNAL, 1989):

stimmen nicht überein!

um Fehler zu verringern

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NA48(CERN, SPS, 1997-1999)

CERN: LHC/LEP+SPS

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Prinzip der Strahlen-Erzeugung

Gleichzeitig erzeugt

Gleiche ZerfallsregionKS und KL Strahlen

0 0 0 0( ) / ( ):

( ) / ( )L S

L S

K KR

K K

NA48:

p

KS

p

KL

KS

KL Detektor

KL-Target KS-Target

Zerfallsregion

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Proton~1.51012 Proto

nen / Puls

Strahlen-Erzeugung von NA48

KristallTaggerAKS

19

Rekonstruktion von & KS Anti-Counter (AKS)

Rekonstruktion von

KS Anti-Counter

(AKS)

3 Szintillator

4

e

e

Photon-Converter (Iridium Kristall)

0 0 SK

20

Prinzip des Detektors

LK0 0

SK

4: Spektrometer ( )

MagnetDrift-Chamber

Drift-Chamber

p

: Elektromagnetischer Calorimeter ( E )

El.mg.-Calorimeter

, Hadron-Calorimeter ( E )

Hadron-Calorimeter

Muon-Anticounter

, Muon-Anticounter ( )LK Außerdem: Hodoscope ( t )

Hodoscope

21

Detektor von NA48

Detektor (3-dim)

22

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

SK

SK

LK

LK

Untergrund-Korrekturen

Kollimator

Rekonstruktion von

0 0 LK e LK

Untergrund-Korrekturen

" "SK

" "LKSehr gering

1. Untergrund

2. Untergrund

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Korrekturen und

Zur Bestimmung von und :

SL LS

00 4: (4.3 1.8) 10LS LS LS

4(1.63 0.03) 10SL (10.649 0.008)%LS

00 4: (0.0 0.5) 10SL SL SL

SL : Wahrscheinlichkeit, KS als KL misidentifiziertLS : Wahrscheinlichkeit, KL als KS misidentifiziert

SL LS

Aus dem Diagramm kann man bestimmen:

Mit anderen Methoden kann man bestimmen:

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Korrekturen und Ergebnis von NA48

Korrekturen und Fehler von R R als eine Funktion von Kaonenergie

4Re( '/ ) (15.0 1.7( ) 2.1( )) 10stat sys

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KTeV(FNAL, Tevatron, 1996-1997)

KTeV (Kaon Experiment at Tev

atron):

E799 + E832

Tevatron

Main Injector

26

Zerfallsregion und Magnet von KTeV

Zerfallsregion Magnet

27

Detektor und Ergebnis von KTeVDetektor (2-dim)

4Re( '/ ) (23.2 3.0( ) 3.2( ) 0.7( )) 10stat sys MC

28

Drei Basen vom Kaon-System:

, , Zwei Arten von CP Verletzung:

Indirekte CP Verletzung

Direkte CP Verletzung Drei Experimente:

Indirekte CP Verletzung: Cronin, Fitch, 1963

Direkte CP Verletzung: NA48 & KTeV

Zusammenfassung

0 0{ , }K K 1 2{ , }K K { , }S LK K

' 0 0

29

CP Violation and Decays, K.Kleinknecht, 1976. Ann. Rev. Nul. Sci. 26:1-50

A Precise Measurement of the Direct CP Violation Parameter Re( ), A.Lai et al., hep-ex/0110019v1

Measurements of Direct CP Violation, CPT Symmetry, and Other Parameters in the Neutral Kaon System, A. Alavi-Harati et al., hep-ex/0208007v1

Webseite von NA48: http://na48.web.cern.ch/NA48/ Webseite von KTeV: http://kpasa.fnal.gov:8080/public/ktev.html

Referenzen0K

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