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CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Bastian Kronenbitter. CP-Verletzung im Kaonen-System Gliederung. Diskrete Symmetrien Kaonen Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Erster Nachweis der CP-Verletzung

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CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

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Presentation Transcript

  1. CP-Verletzung im Kaonen-System Im Hauptseminar: Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Bastian Kronenbitter

  2. CP-Verletzung im Kaonen-System Gliederung • Diskrete Symmetrien • Kaonen • Zeitentwicklung der neutralen Kaonen • Erster Nachweis der CP-Verletzung • Nachweis der direkten CP-Verletzung

  3. CP-Verletzung im Kaonen-System 1. Diskrete Symmetrien 1. Diskrete Symmetrien In der Quantenmechanik dargestellt durch Operatoren: • Elektron im Potential eines Protons:

  4. CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen 2. Kaonen Mesonen, bestehend aus einem s-Quark und einem leichten Quark (u,d)

  5. p Λ p p π- π+ CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung: Beispiele

  6. π- π+ π+ K0 π- K0 π0 CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenzerfall:Beispiele

  7. π- π+ π+ K0 π- K0 π0 CP-Verletzung im Kaonen-System 2. Kaonen Kaonenerzeugung: Beispiele p Λ p p π- π+ Kaonenzerfall:Beispiele • Strange Quarks werden erzeugt in starker Wechselwirkung und zerfallen schwach • Lange Lebensdauer

  8. Kaonen werden erzeugt in starker Wechselwirkung: als K0 oder K0 Das Kaonen-System CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen

  9. CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen [1]

  10. K0 K0 CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Strangeness nicht erhalten: ΔS = 2

  11. CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Beschreibung der Zeitenwicklung in der Basis der CP- Eigenzustände Denn: Keine CP-Eigenzustände CP-Eigenzustände:

  12. CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen Zerfall von K1 und K2 Häufigste hadronische Zerfälle von neutralen Kaonen: 2 π und 3 π 2 π : π0π0, π+π-3 π : π0π0π0 , π+π-π0 K1 zerfällt in 2 π K2 zerfällt in 3 π K1 hat wesentlich kürzere Lebensdauer als K2 τ(K1) = 0,895 * 10-10 s τ(K2) = 0,512 * 10-8 s

  13. CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen [1]

  14. CP-Verletzung im Kaonen-System 3. Zeitentwicklung der neutralen Kaonen K1 – Regeneration Bei Propagation von K2 in Materie: Starke WW bestimmt Zeitentwicklung Projektion auf K0 und K0 Wirkungsquerschnitt von K0 und K0 mit Proton ist unterschiedlich Zahl ändert sich unterschiedlich stark Regeneration von K1

  15. CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung 27. Juli 1964: J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R.Turlay „Evidence for the 2πdecay of the K02 Meson“ Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch Ursprünglich Experiment zur Untersuchung der Regeneration von K2-Strahlen Untersuchung des Zerfalls: K1/2 geladene Pionen

  16. CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Versuchsaufbau [2]

  17. π1 K2 Θ1 Θ2 π2 CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Beobachtung nur von geladenen Teilchen Messung von: - Impuls und Energie der Zerfallsprodukte - Invariante Masse der Kaonen (unter der Voraussetzung, dass es sich bei den Zerfallsprodukten um Pionen handelt) - Summe der Winkel zwischen der Bahn der Zerfallsprodukte und des K-Strahls Für zwei-Körperzerfälle Θ = 0 Für drei-Körperzerfälle Θ≠ 0

  18. CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Kalibrierung mit K1, die durch Regeneration hergestellt wurden Möglich, da Impuls und Richtung durch Regeneration nicht geändert werden Messergebnisse Massenverteilung Winkelverteilung [2] [2]

  19. CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Im Gegensatz zu: Mittelwert der Masse für cosΘ > 0,99999 499,1 ± 0,9 MeV Für K1: 498,1 ± 0,4 MeV Winkelverteilung entspricht Gaußverteilung um 0 mit Standardabweichung: 4,0 ± 0.7 mrad Für K1: 3,4 ± 0.3 mrad

  20. CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung • Zwei-Körperzerfall von K2 • CP-Verletzung Erklärung: Damals: ε = 2,3 * 10-3 Heute: ε = (2,229 ± 0,010) * 10-3

  21. ??? superschwach ??? CP-Verletzung im Kaonen-System 4. Erster Nachweis der CP-Verletzung Also sind die Prozesse K0 K0 und K0 K0 CP-verletzend: ΔS = 2 Nur Mischung, kein Zerfall Mögliche Erklärung: Neue Wechselwirkung mit ΔS = 2 ist CP-verletzend CP wäre in schwacher Wechselwirkung erhalten  Suche nach CP-verletzendem Prozess mit ΔS = 1

  22. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung

  23. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung NA48 [3] 1990 am CERN geplant1999 erste Resultate Bestätigung der Indizien auf direkte CP-Verletzung, die bei NA31 gefunden wurden Zog mehrere Folgeversuche nach sich (NA48-1; NA 48-2; NA48-3)

  24. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Versuchsaufbau [4] Kaonenerzeugung mit 450 GeV-Protonenstrahl Kaonen haben Energie von 70 – 170 GeV

  25. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Messung von: Geladenen Pionen: 4 Driftkammern um Magneten Ungeladenen Pionen: Kalorimeter, bestehend aus 10 m3 flüssigemKrypton, aufgeteilt in ≈ 13000 Zellen Zusätzlich: Hadronkalorimeter Myonenkammer Protonentagger, Zeitauflösung: 140 ps

  26. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Strahlrohr Krypton-Kalorimeter [6] [6]

  27. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Strahlengang-Halle [6]

  28. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung • Zwei wichtige Punkte: • Unterscheidung von KS und KL Zerfällen • Untersuchung des Untergrunds

  29. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung a) Unterscheidung von KS und KL Zerfällen Bei geladenen Zerfällen ist Ortsauflösung sehr gut:  Unterscheidung über Vertexposition [5]

  30. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Dann Verwendung des Protonentaggers Mistags werden mit α quantisiert α+- leicht zu bestimmen α00 über unterschiedliche Zeitinformation und Wahrscheinlichkeit von zufälligen KL - Tags ΔαLS = α00 – α+-≈ 10-4 [4]

  31. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung b) Untersuchung des Untergrunds Viel Untergrund unterdrückt durch Cuts Trigger Gesonderte Untersuchung des Untergrunds für Zerfall in geladene Teilchen ungeladene Teilchen

  32. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in ungeladenen Zerfällen: KL π0 π0π0 Rekonstruktion der Photonenbahnen aus den π0 Zerfällen Bestmögliche Kombination aus Bahnen wird als π0 identifiziert Wenn Abweichung der invarianten Masse zu groß  Wird verworfen

  33. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Primärer Hintergrund in geladenen Zerfällen: KL πμν KL π e ν Wegen nicht detektiertem Neutrino fehlt Transversalimpuls P‘2T Cut auf P‘2T < 0,0002 GeV2 [4]

  34. CP-Verletzung im Kaonen-System 5. Nachweis der direkten CP-Verletzung Ergebnisse: Erste Ergebnisse im Bereich von: Re(ε‘/ε) = 1,85 ± 0,73 * 10-3 Heute: Re(ε‘/ε) = 1,47 ± 0,22 * 10-3 Im PDB: Re(ε‘/ε) = 1,65 ± 0,26 * 10-3 Parallel Experiment am Fermilab: KTeV Erste Ergebnisse 1999: Re(ε‘/ε) = 2,80 ± 0,41 * 10-3 Vorher keine 5σ Unverträglichkeit mit 0

  35. CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss  Superschwache Wechselwirkung tot • Schwache Wechselwirkung ist CP-verletzend Im Unterschied zur P-Verletzung nicht maximal, sondern nur mit sehr kleinen Parametern Ursprung dieser Parameter ist unbekannt

  36. CP-Verletzung im Kaonen-System Schluss Heute ist CP-Verletzung im Standardmodell integriert Widergespiegelt in der CKM-Matrix Unitäre Matrix mit 4 unabhängigen Parametern

  37. CP-Verletzung im Kaonen-System Bildnachweis: • [1]: Introduction to High Energy Physics, Donald H. Perkins Cambridge University Press • [2]: Phys. Rev. Letters: 13, 1964 Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson • [3]: http://na48.web.cern.ch • [4]: Lydia Iconomidou-Fayard Restults on CP violation from the NA48 experiment at CERN • [5]: Dissertation, Harald Fox A Measurement of Direct CP Violation with the NA48 Detector • [6]: CERN Document Server: http://cdsweb.cern.ch

  38. CP-Verletzung im Kaonen-System Quellen: • Vorlesung: Teilchenphysik für Fortgeschrittene WS 2008/09 • David Griffiths Introduction to Elementary Particles • Phys. Rev. Letters: 13, 1964 Evidence for the 2 pi Decay of the k(2)0 Meson • Lydia Iconomidou-Fayard Restults on CP violation from the NA48 experiment at CERN • Particle Data Book: http://pdg.lbl.gov/

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