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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
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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:
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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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