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Seltene K-Zerfälle

Seltene K-Zerfälle. Ivan Mikulec HEPHY Wien 31. März 2004 - DPG Tagung, Mainz. Übersicht. Phys. Fragestellung der seltenen K-Zerfälle Aktive Experimente Die Zerfälle K L,S  p 0 ll Der Zerfall K +  p + nn Die Zerfälle K L  gg, K L  g * g (*) Andere aktuelle Resultate

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Seltene K-Zerfälle

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

  2. Übersicht • Phys. Fragestellung der seltenen K-Zerfälle • Aktive Experimente • Die Zerfälle KL,Sp0ll • Der Zerfall K+p+nn • Die Zerfälle KLgg, KLg*g(*) • Andere aktuelle Resultate • Geplante Experimente • Zusammenfassung I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  3. 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 (cPT) I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  4. Landkarte der seltenen K-Zerfälle • Einzige Quelle der CP-Verletzung (CPV) in SM: JCP = 2x CKM D Fläche = Im(Vud*VusVts*Vtd)~ cosqc sinqcIm lt I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  5. Fermilab: KTeV 1997,99 KL CERN: NA48 1997-2001 KL NA48/1 2000,02 KS NA48/2 2003,04 K± AktiveExperimente BNL: E787 1995-99 K+ E949 >2002 K+ Frascati (Daphne): KLOE >2000 KS,KL, K± I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

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

  7. Die Zerfälle KL,Sp0ll I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  8. Analyse des Zerfalls KLp0ll Neue Analyse des ee Kanals: Buchalla, D’Ambrosio, Isidori, NPB 2003. (BDI) Kurzdistanz-Prozess: Direkte CPV: CP-verletzender Zerfall: ADCPV~hCKM~Im lt KLp0ll BDI: BRDCPV(ee)≈4.4x10-12 Interferenz Indirekte CPV: 3 Amplituden - AICPV~eA(KSp0ll) K0-K0 mixing CP-erhaltend: ACPC~A(KLp0gg)mgg<110MeV I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  9. CP-erhaltende Amplitude von KLp0ll • In der chiralen Störungsentwicklung haben KLp0gg und KSggkeinen Beitrag in O(p2). • Die O(p4) Amplituden können genau (±5%) berechnet werden. • Die lokalen O(p6) Beiträge bestimmen die CP-erhaltende Amplitude von KLp0ll und müssen gemessen werden. ~2.1x10-6 ~0.6x10-6 cPT-O(p4): Der O(p6)Beitrag zu G(KLp0gg) bei niedringenmgg mgg I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  10. CP-erhaltende Amplitude von KLp0ll • Der O(p6) Beitrag in KLp0ggwird durch Vektor-Meson Austausch (Vector Meson Dominanz Modell: VMD) dominiert. • Die O(p6) Amplitude von KSggbestimmt den nicht-VMD Beitrag (klein). NA48 KTeV (PRL 1999) hat signifikant höhere mgg<110MeV Raten gemessen  muss überprüft werden BR(KLp0gg)30<mgg<110MeV < 0.6x10-8 PLB 2002 BDI 2003:BR(KLp0ee)CPC < 3x10-12 (konservativ) => vernachlässigbar klein NA48/1 BR(KSgg) = (2.78±0.07)x10-6 PLB 2003 Bester Test der chiralen Störungsentwicklung: mK2/(4pFp)2≈20% I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  11. Suche nach KSp0ll • Ziel: Bestimmung der indirekt-CPV Amplitude des Zerfalls KLp0ll • Theorie(cPT): BR(KSp0ll)~ ?x10-9 Unbekannter Formfaktor: WS~aS+bS(mll/mK)2 Von der Messung von ee und mm im Prinzip aS und bSunabhängig messbar (4 Lösungen) • cPT+VMD Modell: aS/bS=0.4 BR(KSp0ee)/BR(KSp0mm)=0.23 • Experimenteller Hinweis:BR(K+p+ee)/BR(K+p+ mm)=0.167±0.036 KS~K1+eK2 KL~K2+eK1  BR(KLp0ll )ICPV~e2BR(KSp0ll) K1, K2 - CP Eigenzustände I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  12. Suche nach KSp0ee NA48/1 Wichtiger Untergrund: KSp0p0mitp0eeg (Dalitz oder Konversion) Signalbereich Blinde Analyse Dieser Bereich sehr gut verstanden Benötigt einen Schnitt: mee>0.165 GeV/c2 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  13. Suche nach KSp0ee NA48/1 Restlicher Untergrund: Zufällige Koinzidenzen: Signalfenster: |Dt| < 3 ns Datensatz mit erweitertem Zeitfenster: 3 ns < |Dt| < 50 ns KLeegg: 2001 Daten mit KL Fluss 10x grösser als 2002 Auch restlicher Untergrund «1 Ereignis I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  14. Suche nach KSp0ee NA48/1 Untergrund Erwartung: 7 Ereignisse beobachtet I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  15. Suche nach KSp0mm NA48/1 • Wichtigste Untergrundsquelle: Zufällige Koinzidenzen von KLpmn und KSp0p0 • Durch 50x Erweiterung (auf 150ns) des Zeitfensters gemessen erwarteter Untergrund I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  16. Suche nach KSp0mm NA48/1 KLp+p-p0 Schnitte in mmm ausserhalb des kinematischen Bereichs bessere Akzeptanz als ee Kanal 6 Ereignisse im Signalbereich beobachtet I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  17. KSp0ll Verzweigungsverhältnisse BR(KSp0ee)mee>165MeV = (3.0 +1.5-1.2 stat ± 0.2syst) x10-9 Zentralwert extrapoliert mit Formfaktor WS(mee)=1: BR(KSp0ee) = (5.8+2.8-2.3stat ± 0.8syst) x10-9 PLB 2003 BR(KLp0ee)CPV ≈ (17IND ± 9INT + 4DIR) x10-12 NA48/1 Bei p0mm keine Extrapolierung notwendig: BR(KSp0mm) = (2.9 +1.9-1.4 stat ± 0.2syst) x10-9 prel. BR(KLp0mm)CPV ≈ (9IND ± 3INT + 1DIR) x10-12 Kompatibel mit cPT+VMD: 0.23 =0.50±0.33 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  18. cPT: Bestimmung des Formfaktors WS WS~aS+bS(mll/mK)2 aS und bS können nur bedingt begrenzt werden durch hohe Korrelation der Ellipsen und grosse statistische Fehler Mit dem VMD Ansatz: |aS|ee=1.06+0.26-0.21±0.07 |aS|mm=1.55+0.38-0.32±0.05 NA48/1 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  19. KTeV Suche nach KLp0ee • KTeV: preliminary • 1999 Daten • 0.99±0.35 Untergrund- Ereignisse erwartet KL(p0 )p0D p0D+p0acc KLeegg 1 Ereignis beobachtet I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  20. KTeV Suche nach KLp0ee • 1997 Daten (PRL 2001): 2 Kandidaten bei 1.06±0.41 Untergrund BR(KLp0ee) < 5.1x10-10(90%CL) • 1999 Daten (preliminary): 1 Kandidat bei 0.99±0.35 Untergrund BR(KLp0ee) < 3.5x10-10(90%CL) • kombiniert BR(KLp0ee) < 2.8x10-10(90%CL) -1.3x10-3 < Imlt < 1.0x10-3 oder |hCKM|<3.3 (BDI: 2.6) I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  21. KTeV Suche nach KLp0mm • 1997 Daten (PRL 2000) 2 Kandidaten bei 0.87±0.15 Untergrund BR(KLp0mm) < 3.8x10-10(90%CL) |hCKM|<7 KLmmgg Hauptuntergrund I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  22. Zusammenfassung KLp0ll Von NA48/1 KS Messungen und BDI 2003 (konstruktive Interferenz angenommen): • Zur Zeit KTeV Obergrenzen eine Grössenordnung höher als im SM erwartet • Sensitivität auf Imlt nur im Fall einer konstruktiven Interferenz zwischen dir. und indir. CPV Amplituden • Benötigt wesentlich höhere Statistik sowohl in KS als auch in KL  KLeeggUntergrund kritisch I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  23. Der Zerfall K+p+nn I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  24. Suche nach K+p+nn E787 • Reine Kurzdistanz Physik: BR(K+p+nn)~(r-r0)2+(sh)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 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  25. Suche nach K+p+nn E787  Region I BR(K+p+nn)=(15.7+17.5-8.3)x10-11 0.29 < | lt |/10-3 < 1.2 68% CL  Region II BR(K+p+nn) < 22x10-10 90%CL I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

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

  27. Die Zerfälle KLgg, KLg*g(*) I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  28. Analyse des Zerfalls KLmm Kurzdistanz Physik: - ASD~(r0-rCKM) +… KLmm SM: BRSD≈(0.8±0.3)x10-9 Interferenz Dispersiv: E871 2000: BR= (7.18±0.17)x10-9 Adisp~aK* BMS Modell(83) ~a,bDIP Modell(98) Langdistanz: Absorptiv: Aabs~A(KLgg) dominant I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  29. KTeV KLg*g(*) -Verzweigungsverhältnisse Untergrund unterdrückt mit Hilfe des TRD Vergleich der BR(KLeeg) Messungen • BR(KLeeg)(prel.) (10.19 ± 0.04 ± 0.07 ± 0.29) x 10-6 • BR(KLeeee)(prel.) (4.16 ± 0.13 ± 0.13 ± 0.17) x 10-8 • BR(KLeemm)(PRL 2003) (2.69 ± 0.24 ± 0.12) x 10-9 Ke3 eeg Kp3 stat syst norm stat syst norm stat syst I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  30. KTeV KLg*g(*) - Formfaktoren 2.6s Diskrepanz zwischen NA48 und KTeV eeg Resultaten aK* aK*(eeg )= -0.186±0.011±0.009 aK*(eeee )= -0.03±0.13±0.04 aK*(eemm )= -0.19±0.11 a(DIP)=-1.611±0.044 Keine Sensitivität zu b(DIP) I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  31. Messung des Zerfalls KLgg Neue Messung von KLOE: (PLB 2003) (KL)/(KL)= (2.79 ± 0.02stat ± 0.02syst)  10-3 stimmt gut überein mit NA48: (PLB 2003) (KL)/(KL)= (2.81 ± 0.01stat ± 0.02syst)  10-3 KLOE Schlussfolgerung für KLmm (Isidori, Unterdorfer 2003): -0.5 < rCKM < 2.1 (2.9) - I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

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

  33. Andere aktuelle Resultate I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  34. NA48 Der Zerfall KLp0pen • Interessant für cPT: z.B. pp Streuung • Formfaktoren: 5 Cabibbo-Maksymowicz Variablen gefittet: fS= 0.052 ± 0.006 ± 0.002 fP= -0.051 ± 0.011 ± 0.005 lg= 0.087 ± 0.019 ± 0.006 h = -0.32 ± 0.012 ± 0.07  2.5x bessere Genauigkeit - - - NA48 preliminary BR(KLp0pen) = (5.21 ± 0.07stat ± 0.09syst)x10-5 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  35. KLOE Der Zerfall KSp0p0p0 Dafne: e+e- f  KS KL KS identifiziertdurch KLp+p- 4 Signalereignisse bei 3±1.3±0.2 Untergrund E. CP-Verletzender Zerfall: KLOE preliminary: 90% CL BR(KSp0p0p0) < 2.1x10-7 NA48/1 prel.: BR < 3x10-7 SM Erwartung 3x10-9 |h000| < 2.4x10-2 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  36. E865 K L O E P R E L I M I N A R Y Vus KLOE E865 KLOE E865 KLOE PDG fit PDG PDG cPT –p4 cPT –p6 KLOE Der Zerfall KSpen CPT Test: Erste Messung der Ladungsasymmetrie in KS: KLOE preliminary (Moriond 2004): BR(p-e+n) = (3.54±0.05stat±0.05syst)x10-4 BR(p+e-n) = (3.54±0.05stat±0.04syst)x10-4 BR(p e n) = (7.09±0.07stat±0.08syst)x10-4 dS(e) = (-2±9±6) x10-3 dL(e) = (3.32±0.07) x10-3 CKM Unitaritätstest: |Vud|2+|Vus|2 +|Vub|2 = 1 PDG2002: ~2s Abweichung Neue Resultate in besserer Übereinstimmung mit Unitarität (theoretische Unklarheiten) I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  37. NA48 Messung des BR(KLpeng) • Bisherige Situation: signifikanter Unterschied zwischen KTeV und Theorie • Radiative Korrekturen wichtig • Versuch einer modellunabhängigen Messung: MC gewichtet mit K-Energie und qeg* aus Daten NA48 preliminär: G(KLpeng)/G(KLpen) = (9.60 ± 0.07 +0.12-0.11) x10-3 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  38. geplante Experimente Fermilab: CKM K+p+nn BNL: KOPIO KLp0nn KEK: E391a KLp0nn Stufe II geplant mit J-PARK CERN: NA48/3 ? K+p+nn I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

  39. Zusammenfassung • Die neuen NA48/1 Messungen von KSp0ll haben die Verhältnisse zwischen Kurzdistanz- und Langdistanz-Amplituden in KLp0llgeklärt. Die direkte CP-Verletzung ist nur durch positive Interferenz mit der indirekten CPV-Amplitude erreichbar. • E787+E949 haben 3 K+p+nnEreignisse 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pnn - frei von Langdistanz-Prozessen und hoch sensitiv für einige Modelle jenseits des Standard-Modells I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle

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