Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

1. Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung Jan Fiete Große-Oetringhaus Seminar über Kern- und Teilchenphysik

2. Inhalt • Einführung • Symmetrien • P Verletzung • CP-Verletzung • Zerfall neutraler Kaonen • Historische Experimente • Aktuelle Experimente • Ursachen (theoretische Betrachtung) • Folgerungen & Aussichten Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

3. Symmetrien • Symmetrie: sehr wichtiges Konzept in der Physik • Vereinfachung vieler Problemez.B. gerade / ungerade Funktionen • Symmetrien sind verknüpft mit Erhaltungssätzen(Noether-Theorem) • Symmetrie unter Operator X heißt:System zeigt gleiches Verhalten nach Anwendung von X(bzw. Verhalten auf das X angewendet wurde) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

4. Parität (P) • Physikalische Prozesse symmetrisch (meistens)d.h. gespiegeltes System verhält sich wie ursprüngliches System • Elementarteilchenphysik: Prozess läuft im Spiegel „genauso“ ab (gleiche Wahrscheinlichkeiten, Produkte, Edukte, …) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

5. Parität (P) • Parität im Allgemeinen erhaltenz.B. starke Wechselwirkung: p + p  p+ + p + n • schwache Wechselwirkung verletzt(Untersuchung des b-Zerfall von 60Co [Wu 1957]) • nur linkshändige Neutrinosnur rechtshändige Antineutrinos • Def.: Helizität: • Helizität +1  RechtshändigHelizität –1  Linkshändig Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

6. Parität (P) • Mathematische BeschreibungOperator P: Raumspiegelung am Ursprung • P heißt Paritätstransformation • P dreht die Helizität • existiert nicht! P maximal verletzt Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

7. Ladungskonjugation (C) • Änderung der Vorzeichen aller elektrischen Ladungen • Änderung aller internen Quantenzahlen (q, B, L, S, …) • Ladungskonjugation verwandelt im Allgemeinen Teilchen in zugehöriges Antiteilchen z.B. e- e+ • für Reaktionen Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

8. Ladungskonjugation (C) • Mathematische BeschreibungOperator C • Ladungskonjugation oder Teilchen-/ Antiteilchenoperator • klassische Elektrodynamik invariant unter C • Symmetrie unter Ladungskonjugation heißt:gleiche Zerfallszeiten, Aufspaltungsverhältnisse, gleiche Teilcheneigenschaften … • z.B. • existiert nicht! C maximal verletzt Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

9. CP • In der Regel führt C Teilchen in Antiteilchen über, jedoch Ausnahmen vorhanden: z.B. Neutrino • Kombination von Paritätstransformation P und Ladungskonjugation C führt zu CP • CP führt Teilchen in Antiteilchen überz.B. • auch bei Neutrino Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

10. Zeitumkehr (T) • Umkehrung der Zeitrichtung eines Prozesses • Zeitinvarianz - also Symmetrie unter T - heißt Zeitrichtung eines Prozesses nicht erkennbarz.B. Bewegung im Schwerefeld • Elementarteilchenphysik: Zeitinvarianz in starker Wechselwirkungp + 27Al  a + 24Mg und a + 24Mg  p + 27Al Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

11. Wechselwirkungen • Starke und elektromagnetische Wechselwirkung erhalten C, P, und T einzeln • In schwacher Wechselwirkung ist C und P maximal verletzt • Kombination von CP scheint erhalten • Jedoch auch hier leichte Verletzung • CPT muss immer erhalten seinCPT Theorem: Jede relativistische lokale Feldtheorie muss unter CPT erhalten sein! • Aus CP-Verletzung folgt T-Verletzung Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

12. Kaonen • Kaonfamilie • M ~ 500 MeV • Kaonen sind die leichtesten seltsamen (S ≠ 0) Mesonen • Zerfall unter schwacher Wechselwirkung, da starke Wechselwirkung Seltsamkeit erhält Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

13. Erzeugung neutraler Kaonen • Prozesse • Erzeugung abhängig von Energie der Pionen • Reiner K0-Strahl durch 0.91 GeV ≤ E ≤ 1.5 GeV Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

14. Zerfall der neutralen Kaonen • Zerfallsprodukte • P(p+) = P(p–) = P(p0) = –1 • z.B. CP(p+p–) = +1, da Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

15. Zerfall der neutralen Kaonen • Kaon kein Eigenzustand von CP • Konstruiere CP-Eigenzustände • D.h. K1 zerfällt nur in 2-Pionen; K2 nur in 3-Pionen(wenn CP Erhaltung gilt) • Zerfallszeitent(K1) = 0,9 · 10-10 s t(K2) = 0,5 · 10-7 s Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

16. Zerfall der neutralen Kaonen • Zerfallszeit von K1 viel kleiner als von K2 • Nach hinreichend großer Zeit sind alle K1 zerfallen Reiner K2-Strahl • K2 ist Eigenzustand zu CP = –1 nur Zerfälle mit CP = –1 möglich (3-Pion-Zerfälle) • Es werden jedoch auch 2-Pion-Zerfälle beobachtet! CP-Verletzung! • Maß für Verletzung: Amplitudenverhältnis Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

17. Entdeckung der CP-Verletzung • 1964: Christenson, Fitch, Cronin, Turlay Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

18. Entdeckung der CP-Verletzung • Reiner K2-Strahl läuft ein • Zwei Detektionssysteme messen Viererimpuls der Produkte • 3-Pion-Zerfälle (p+p–p0):p0 wird nicht gemessenGesamtimpuls in beliebiger RichtungMasse des p0 fehlt • 2-Pion-Zerfälle (p+p–):Gesamtimpuls in Richtung des K2-StrahlsMassen gleich der Masse des K2-Strahls Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

19. Entdeckung der CP-Verletzung • Im Massenbereich von 2-Pion-Zerfällen ist deutlicher Peak bei q = 0° zu erkennen • Außerhalb dieses Bereiches: gleich-mäßiger Hintergrund • Verbotener Zerfall CP-Verletzung Amplitudenverhältnis|h+–| = 2 · 10-3 • Zerfall ändert CP-Wert direkte CP-Verletzung Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

20. Zustandsmischung • Umwandlung von und • gemeinsame Zerfallszustände • Umwandlung durch virtuelle Pionzustände • Boxdiagram Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

21. Seltsamkeitsoszillationen • Betrachte: Zeitentwicklung der Zustände a2 analog I. II. • I.) Zeitentwicklung  PhaseII.) Zerfall nach radioaktiven Zerfallsgesetz • relative Phase zwischen K1 und K2 wenn E1 ≠ E2 (entspricht m1 ≠ m2) • Amplitude für K0 • Intensität Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

22. Seltsamkeitsoszillationen • Intensitäten von und oszillieren mit Dm • Intensität nimmt nicht nur ab! • entsteht(Regeneration) • Oszillation der p+p– Zerfallsrate (da hauptsächlich Produkt von K0) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

23. Seltsamkeitsoszillationen • 1974: Geweniger et al. • Messung von K0 p–p+ Zerfällen • untersuchte Lebensdauer: 3.5 · 10-10 s – 30 · 10-10 s Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

24. Seltsamkeitsoszillationen Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

25. Seltsamkeitsoszillationen Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

26. Seltsamkeitsoszillationen • Umwandlung zwischen undindirekte CP-Verletzung • |h+–|= (2,30 ± 0,035) · 10-3f+- = (49,4 ± 1,0) °Dm = 0,53 · 1010 ћs-1 = 3,49 · 10-6 eV (Dm aus späterem Experiment) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

27. CP-Verletzung • real beobachtbare Zustände • CP-Verletzung auch im p0p0-Zerfall • e beschreibt indirekte CP-Verletzunge‘ beschreibt direkte CP-Verletzung • Aktuelle Bestrebungen: Messung von • Messung von allen vier Zerfallsraten notwendig Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

28. NA48 Experiment • 1999: CERN • Gleichzeitige Messung aller Zerfallsraten Fehlerminimierung Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

29. NA48 Experiment • Protonenbeschuss von Beryllium erzeugt Kaonen • KL-Target 126 m vor Zerfallsregion • KS-Target 6 m vor Zerfallsregion • Unterscheidung von Zerfall aus KL / KSdurch Protonen-Tagging • Untersuchung von 12 · 109 Kaonzerfällen(entspricht 170 TB Rohdaten) • Re(e‘/e) = (15,22 ± 3,87) · 10-4 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

30. Ursachen der CP-Verletzung • Superschwache Theorie: Kürzlich widerlegt! • Idee: Quarks mischen • Analogie: Leptonenzahlerhaltung pro Familie • Keine Quarkfamilienerhaltung in der schwachen Wechselwirkung • Umwandlungen außerhalb der Familien möglich! Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

31. Ursachen der CP-Verletzung • Konstruiere Familien, so dass Erhaltung pro Familie gilt • Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

32. Ursachen der CP-Verletzung • Komplexe Elemente in VCKM erlauben CP-Verletzung • T-Verletzung impliziert CPT erhalten • bisher Konsistenz CP-Verletzung ist mit dem Standardmodell verträglich • Vorhersage der dritten Quarkfamilie, da CP-Verletzung bei nur 2 Familien nicht erlaubt wäre Vtd* Vtd Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

33. Folgerungen • Baryogenese im Universum: Menge der Materie viel größer als Menge der Antimaterie • CP-Verletzung gibt Umwandlungsrichtung vor • Reicht jedoch als alleinige Erklärung nicht aus • Erlaubt eindeutige Definition der Ladung:„Die positive Ladung ist die Ladung des Leptons welches beim KL-Zerfall häufiger entsteht“ Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

34. Aussichten • Ähnliches Experiment zu NA48: KTeV am Fermilab Diskrepanz der Ergebnisse (außerhalb der Messungenauigkeiten)Aber: Beide messen CP-Verletzung • Zerfall von B-Mesonen:Masse (~ 5,3 GeV) 10x größer als Kaonen Massendifferenz (Dm) größer Oszillation besser zu beobachten • BELLE @ KEK (Tsukuba) • BABAR @ SLAC (Stanford) • LHCb @ CERN (Genf) Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

35. Quellen • Einführung in die ElementarteilchenphysikDavid Griffiths, Akademie Verlag • A new determination of the K0 p+p- decay parametersGeweniger et. al.; Physics Letters 48B, 5, S. 487 • Measurement of the charge asymmetry in the decays…Geweniger et. al.; Physics Letters 48B, 5, S. 483 • HochenergiephysikDonald H. Perkins, Addison-Wesley • Messung der direkten CP-Verletzung im System neutraler KaonenAndreas Peters, Universität Mainz, Dissertation 2002 • Violation of Particle Anti-particle SymmetryTatsuya Nakada, CERN Summer Student Lectures 2003 • CP-ViolationAndreas Meyer, DESY Summer Student Lectures 2003 Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung