Schlüsselexperimente der Kern- und Teilchenphysik Messung der direkten CP Verletzung im Kaonzerfall
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Transcript Schlüsselexperimente der Kern- und Teilchenphysik Messung der direkten CP Verletzung im Kaonzerfall
Schlüsselexperimente der
Kern- und Teilchenphysik
Messung der direkten CP
Verletzung im Kaonzerfall
Jun Nian
01.06.2007
1
Übersicht
Motivation
Grundbegriffe
Phänomenologische Beschreibung
(einschl. Experiment von Cronin und Fitch)
Experimente (NA48, KTeV)
Zusammenfassung und Referenzen
2
Motivation
Materie-Antimaterie Asymmetrie
Wo ist Antimaterie?
Mögliche Erklärung:
CP Verletzung im Quark-Sektor
(K ,B , D )
Aber nicht genug ...
CP Verletzung im Lepton-Sektor?
3
Operatoren
Für ein Teilchen:
P Operator:
P ( x ) ( x )
A
A
A
A
C Operator:
C A C A
CP Operator:
CP A( x ) C A( x )
4
CP-Eigenwerte von 2 und 3
Für ein System A,B,... :
A, B, ... sind Eigenzustände von CP-Operator.
CP ( A, B, ) CP ( A) CP ( B)
J P ( ) 0
( 1) L
J PC ( 0 ) 0
K ( L 0) 2 ( 0 0 , )
K ( L 0) 2 ( 0 0 0 , 0 )
CP 2 2
CP 3 3
5
Eigenzustände von Kaonen
Zur Beschreibung des neutralen K-Systems:
Flavor-Eigenzustände
K 0 ds
S K0 K0
K 0 ds
S K0 K0
CP K 0 K 0 , CP K 0 K 0
CP-Eigenzustände:
1
K1 :
( K0 K0 )
2
1
K 2 :
( K0 K0 )
2
CP 1
CP 1
Frage: Sind K1 und K 2 identisch mit beobachteten K S und K L ?
6
KL = K2 ?
Frage: Sind K1 und K 2 identisch mit beobachteten K S und K L ?
Frage: Sind K S und K L auch CP-Eigenzustände?
K1 (CP 1) 2 (CP 1)
K2 (CP 1) 3 (CP 1)
K S 2 (CP 1)
K L 3 (CP 1)
Frage: Gibt es den Zerfall
K L 2 ?
Suche man
das!
7
Experiment von Cronin & Fitch
(1963, Brookhaven, AGS)
Prinzip:
KL
James Watson
Cronin
Val Logsdon
Fitch
(1980 Nobelpreisträger)
CP Verletzung:
K L
KL
K L
0
Nur zwei Produkte
cos 1
8
Experiment von Cronin & Fitch
(Brookhaven, AGS, 1963)
Brookhaven: RHIC+AGS
9
Aufbau des Experimentes von
Cronin & Fitch
, n, K L ,
p(30GeV)
Collimator-1
Target(Be)
Pb
, 0 , , n, K S , K L ,
Collimator-2
Magnet
n, K L
10
Ergebnis des Experimentes von
Cronin & Fitch
Ergebnis:
45 9 2 -Ereignisse
aus 22700 KL Zerfällen
494 MeV<m*(2 )<504 MeV
( K L 2 ) 103
KL kein CP-Eigenzustand
CP Verletzung in
schwacher WW
11
Analyse des Zerfalls K L 2
(CP 1)
KL
1
1
2
( K 2 K1 ) 2 (CP 1)
' : Direkte CP Verletzung
2 (CP 1)
0
'0
(CP 1)
: Indirekte CP Verletzung
dominant in Cronin-Fitch-Exp.
2 (CP 1)
Indirekte CP Verletzung
Direkte CP Verletzung
Frage: Wie misst man
'?
12
Amplitude-Verhältnisse und
Doppelverhältnis
AmplitudeVerhältnisse:
00 :
0 0 T K L
:
T KS
0
0
Komplexe Größen
T K L
T K S
Nicht zu messen!
Zu messende Größe:
Doppelverhältnis:
( K L ) / ( K S ) 00
R :
( K L ) / ( K S )
0
0
0
0
2
13
Vereinfachungen
1. Durch Isospin-Betrachtung: 00 2 ' '
2.
Arg (00 ) Arg ( )
Arg ( ) Arg ( ')
( K L ) / ( K S ) 00
R :
( K L ) / ( K S )
0
0
0
0
2
'
1 6 Re( )
106 /103 103
Sehr genaue Messung!
Zurück zur Frage: Wie misst man
R 1
'0
'?
Man misst
' nicht !
Direkte CP Verletzung
14
Experimente zur direkten CP
Verletzung
Direkte CP Verletzung:
R 1 oder Re( '/ ) 0
NA31(CERN, 1988):
Re( '/ ) (23.0 6.5) 104
E731(FNAL, 1989):
Re( '/ ) (7.4 5.9) 10
4
stimmen nicht überein!
Neue Experimente:
CERN: NA48; FNAL: KTeV
um Fehler zu verringern
15
NA48(CERN, SPS, 1997-1999)
CERN: LHC/LEP+SPS
16
Prinzip der Strahlen-Erzeugung
( K L ) / ( K S )
R :
( K L ) / ( K S )
0
0
0
0
Gleichzeitig erzeugt
KS und KL Strahlen
Gleiche Zerfallsregion
Zerfallsregion
NA48:
KL
p
p
KS
KL-Target
KL
Detektor
KS
KS-Target
17
Strahlen-Erzeugung von NA48
Proton
~1.51012
Protonen / Puls
Kristall
Tagger
AKS
18
Rekonstruktion von
& KS Anti-Counter (AKS)
KS Anti-Counter
(AKS)
KS
0 0
e
4
e
Photon-Converter
(Iridium Kristall)
3 Szintillator
Rekonstruktion von
19
Prinzip des Detektors
KL
KS
0 0
4
: Elektromagnetischer Calorimeter ( E )
: Spektrometer (
p)
, Hadron-Calorimeter ( E )
Außerdem: Hodoscope ( t ) , Muon-Anticounter ( K L
)
Hodoscope
DriftChamber
Magnet
DriftChamber
El.mg.HadronCalorimeter Calorimeter
MuonAnticounter
20
Detektor von NA48
Detektor (3-dim)
21
Untergrund-Korrekturen
" KS "
KS
KL
" KL "
KS
KL
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
Kollimator
Sehr gering
0 0 0 0 0 0
Rekonstruktion
von
1. Untergrund
K L e
K L
0 0
2. Untergrund
Untergrund-Korrekturen
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Korrekturen SL und LS
SL : Wahrscheinlichkeit, K als K misidentifiziert
S
L
LS : Wahrscheinlichkeit, K als K misidentifiziert
L
S
Zur Bestimmung von
SL
und
LS
:
Aus dem Diagramm kann man bestimmen:
SL
(1.63 0.03) 104
LS
(10.649 0.008)%
Mit anderen Methoden kann man bestimmen:
00
LS : LS
LS
(4.3 1.8) 104
00
SL : SL
SL
(0.0 0.5) 104
23
Korrekturen und Ergebnis von NA48
Korrekturen und Fehler von R
R als eine Funktion von Kaonenergie
Re( '/ ) (15.0 1.7( stat ) 2.1( sys)) 104
24
KTeV(FNAL, Tevatron, 1996-1997)
Tevatron
KTeV (Kaon
Experiment at
Tevatron):
E799 + E832
Main
Injector
25
Zerfallsregion und Magnet von
KTeV
Zerfallsregion
Magnet
26
Detektor und Ergebnis von KTeV
Detektor (2-dim)
Re( '/ ) (23.2 3.0( stat ) 3.2( sys) 0.7( MC )) 104
27
Zusammenfassung
Drei Basen vom Kaon-System:
{ K 0 , K 0 } , { K1 , K2 }, { KS , KL }
Zwei Arten von CP Verletzung:
Indirekte CP Verletzung
0
Direkte CP Verletzung
'0
Drei Experimente:
Indirekte CP Verletzung: Cronin, Fitch, 1963
Direkte CP Verletzung: NA48 & KTeV
28
Referenzen
CP Violation and K 0 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
29