CP-Verletzung in Zerfällen von B-Mesonen

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1 K. R. Schubert, TU Dresden Kolloquium K. R. U Schubert, Karlsruhe, TU 17/1/3 Dresden CP-Verletzung in Zerfällen von B-Mesonen Was ist CP-Symmetrie und -Verletzung? Kosmologische Motivation für deren Untersuchung 1964: Entdeckung im Zerfall von K-Mesonen 37 Jahre später die zweite Evidenz: Zerfall von B-Mesonen Neueste Resultate von BABAR und BELLE Erklärung im Standardmodell der Teilchenphysik Konsequenzen für Kosmologie und Teilchenphysik 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 1

2 1. Was ist CP-Symmetrie? Eine der diskreten Symmetrien der Quantenphysik, P = Parität, C = Ladungskonjugation, T = Zeitumkehr. PH(1s)=+H(1s), Atome sind P-Eigenzustände, P[H(1s)]=+1. Grund: Bausteine sind P-Eigenzustände und elektrische Ww. ist P-symmetrisch. Gilt für Zustände und Übergänge, z. B. H(2p) H(1s)+γ, in allen Atom-Übergängen ist P erhalten. P π = - π, Hadronen & Kerne sind P-Eigenzst. P(π )= -1. Grund: Quarks sind P-Eigenzustände und starke Ww. ist P-symmetrisch. In allen Kern- und hadronischen Reaktionen ist P erhalten. Vorsicht: P e - L = e - R P = aber Q(e - L) = Q(e - R ). 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 2

3 e - L und e - R haben gleiche elektrische Ladung. Deshalb strenge P-Symmetrie der elektr. Ww. Ebenso bei der starken Ww: P u L = u R, aber Q s (u L )=Q s (u R ). Strenge P-Symmetrie der starken Ww, obwohl s(q)=1/2. Elektr. Ladung Q und starke Ladung Q s sind Kopplungen: e - L g e e - γ g e R γ g s d L g g s d R g e - L e - R d L d R Völlig verschieden verhält sich die schwache Ww.: g w ν L e - L W ν R e - R W Die schwache Ww. ist nicht P-symmetrisch, die Parität ist nicht erhalten. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 3

4 P-Verletzung 1957 im Zerfall von K-Mesonen gesehen: K + π + π, P=(-1) 2 und K + π + π + π -, P=(-1) 3. Erste direkte Evidenz für h (β - ) = -v/c: Bienlein Nun zum C-Operator. C e - = e +. Positron ist Antiteilchen des Elektrons, entdeckt 1933 von Anderson. m(e + )=m(e - ), Q(e + ) = - Q(e - ). Elektr. Ww. ist C-, P- und CP-symmetrisch: e - L e - R e + L e + R g e g γ e g γ e γ g e γ e - L e - R e + L e + R C u = u. m(u)=m(u), Q(u)=-Q(u), Q s (u)=-q s (u). Starke Ww.: d L d R d L d R g s g g s g g s g g s g d L d R d L d R 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 4

5 Schwache Ww. verletzt die C-Symmetrie Γ(µ - e - Lν er ν µl ) = 1 / 2µs, Γ(µ + e + Lν er ν µl ) =, verletzt die P- und erfüllt die CP-Symmetrie: Γ(µ - e - Rν el ν µr ) =, Γ(µ + e + Rν el ν µr ) = 1 / 2µs. Diese Eigenschaft der schwachen Ww., CP-symmetrisch zu sein wie die starke und elektrische, galt streng bis P C CP Starke Ww ja ja ja Elektr. Ww ja ja ja Schwache Ww nein nein ja 1964 : Nein! [Es gibt neutr.teilchen, die C-, P- und CP-Eigenzustände sind: C γ = - γ, P γ = - γ, CP(γ)=+1, Cπ =π, Pπ =-π, CP(π )=-1, und andere: P n = +n, C n = n, P K = - K, C K = K.] 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 5

6 CP-Symmetrie: Alle Reaktionen mit linkshändigen Teilchen laufen mit gleicher Rate ab wie die mit rechtshändigen Antiteilchen. 2. Bedeutung für die Kosmologie Kosmologie = Versuch, heutige Erscheinung des Universums damit zu erklären, dass das Universum eine Geschichte hat. Erstaunlich erfolgreicher Versuch, sogar mit der Zusatz- Hypothese, dass zu jeder Zeit heutige Naturgesetze galten. Problem: Universum besteht nur aus Materie, alle früher vorhandene Antimaterie wurde vernichtet: qq... e + e - +γ+νν, e + e - γ γ. heute N(q)=, aber N(q)/N(γ) 1-9 gemessen. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 6

7 Hier vernichten sich Protonen und Antiprotonen bis auf 1-9 Geschichte des Universums 1 32 K 1 19 GeV 1 27 K 1 15 K 1 GeV 1 12 K 1 MeV Irgendwann hier ist der kleine Unterschied q : q = (1+1-9 ) : 1 entstanden. Baryogenese 1 9 K,1 MeV 6 K,5 ev 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 7

8 Baryogenese: Erzeugung des kleinen Unterschiedes N(q)/N(q)= Bedingungen von A.D.Sakharov 1967: 1. Es gibt CP-verletzende Wechselwirkung, 2. Es gibt B-verletzende Wechselwirkung, 3. Beide sind in thermischem Nichtgleichgewicht wirksam. B=Baryonenzahl, B(p)=1, B(q)=1/3, B(q)=-1/3. JETP Lett. 5 (1967) 24 (3) ist wegen dr/dt > und dt/dt < erfüllt. (2) ist nicht beobachtet, aber Standardmodell der Teilchenphysik erlaubt Prozesse wie q e + q uud (B-L erhalten). (1) Thema dieses Kolloquiums, 1964 entdeckt. (1) und (2) braucht nicht die gleiche Ww zu sein, Beispiel: σ(ue + uuud) = σ(ue - uuud), CP ok, B verletzt, B-L ok. σ(µ - ν µ e - ν e ) < σ(µ + ν µ e + ν e ), B ok, L ok, CP verletzt. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 8

9 3. Entdeckung der CP-Verletzung: 1964 durch Christenson, Cronin, Fitch und Turlay im Zerfall neutraler K-Mesonen. K = 1 1 S sd, m = 497 MeV, τ = 1-1 s. Seltsames Teilchen: Zerfallsgesetz ist nichtexponentiell. ln N dominant π + π - Erklärung durch K K -Mischung, K = C K =1 1 S sd dominant π + π - π CP-Erhaltung: p = q CP-Verletzung: p q t K kohärente Mischung von K und K 2 spezielle Mischungen zerfallen exponentiell: K S = pk + qk, K L = pk -qk. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 9

10 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 1 CP-Verletzung an neuerem Experiment demonstriert: CPLEAR 1999, pp K + π K, K - π + K ; K, K π + π Asymmetrie zwischen den π + π -Zerfällen von markierten K und K als Funktion der Zeit zwischen Produktion und Zerfall. t t K t L S L S e e t m e K N K N K N K N t a Γ + Γ + +Γ Γ = + = 2 2 / ) ( ) cos( 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( η ϕ η π π π π π π π π ( ) ( ) o i e ± + ± = η ( ) ( ) ( ) S S L K K K m K m m Γ = π/ m K

11 Erklärung der Mischung m K im Standardmodell: s c d K W W K d c s Die beobachtete CP-Verletzung ist auch T-Verletzung, Verletzung der Zeitumkehrinvarianz. Erklärung der CP-Verletzung η +- im Standardmodell: s u,c,t d K W W K d u,c,t s Die 4x3 Kopplungen sind komplexe Zahlen. Ihre Interferenzen führen zu Γ(K K ) < Γ(K K ) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 11

12 37 Jahre war das K das einzige System der Teilchenphysik mit CP-Verletzung. Im Sommer 21 gelang der Nachweis im Zerfall von B -Mesonen: K π + π - B BABAR AR 29 fb 1 B -5 5 t(ps) Belle B B -4 4 t(ps) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 12

13 4. CP-Verletzung in B-Mesonen-Zerfällen: 1977 Entdeckung des b im Y(9.46) = 1 3 S 1 bb am FNAL 1978 Formation von Y(9.46) und Y(1.1) am DESY 198 Erste B-Mesonen 1 3 S 1 bd in Cornell, DESY B-Mesonen-Fabrik -Planung am PSI 1987 ARGUS-Entdeckung der B o B o -Oszillationen 1988 Beginn der PEP-II-Studien am SLAC 1993 Entscheidungen für PEP-II und KEK-B, TU Dresden beteiligt sich bei SLAC 1995 BABAR TDR & Genehmigung 7/98 Erste e + e - Kollisionen in PEP-II 5/99 Erste e + e - Ereignisse in BABAR 7/ Erste 15 Resultate auf der Osaka-Konferenz 1/ PEP-II erreicht Design-Lumi von /cm 2 /s 7/1 BABAR findet sin2β mit 4σ, BELLE gleichzeitig 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 13

14 Suche nach CP(B) war gezielt; keine Zufallsentdeckung. Standardmodell erwartet: ( ) ( ) B J / ψ K Γ B J / ψ K S S ( ) ( ) B J / ψ K + Γ B J / ψ K Γ A = = sin 2 β sin Γ S [ m ( t t )] Zerfall Pr od. sin2β ist Parameter des Standardmodells; aus CP-symmetrischen B-Zerfällen geschlossen:,5 -,8. Trotz Größe des Effekts: Etwa B-Mesonen notwendig! Erfolgversprechendste Produktionsmethode: S g e e + e - γ g e b b Y(4S),1.58 GeV Alternativen: Z bb (LEP nur 1 6 ), hadronische Produktion (viel Untergrund). g s g g s B B d d g w W c g w K c s J/ψ 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 14

15 Die B-Mesonen-Fabrik PEP-II: E [GeV] e - / e + I [A] e - / e + L [cm -2 s -1 ] L int [pb -1 /Tag] Plan 9. / 3.1,6 / 2,1 3 x erreicht ja 1,2 / 1,7 6,6 x / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 15

16 Linac Fixed-Target -Experimente BABAR SLD 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 16

17 Tägliche und Integrierte Luminosität, Okt.1999 Okt. 23 Design 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 17

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19 Der BABAR Detektor: (4) Elektromagnetisches Kalorimeter (3) Cerenkov- Detektor (5) 1.5 T Solenoid (6) Instrumentiertes Eisenjoch e + e - (2) Driftkammer (1) Silizium-Vertex-Detektor 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 19

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21 BABAR-Kollaboration: 1 Länder, 75 Institute China [1/6] Inst. of High Energy Physics, Beijing Deutschland [4/21] U Heidelberg U Rostock Ruhr U Bochum Technische U Dresden Frankreich [5/5] LAPP, Annecy LAL Orsay LPNHE des Universités Paris 6/7 Ecole Polytechnique CEA, DAPNIA, CE-Saclay Großbritannien [1/8] U of Birmingham U of Bristol Brunel University U of Edinburgh U of Liverpool Imperial College Queen Mary & Westfield College Royal Holloway, University of London U of Manchester Rutherford Appleton Laboratory 52 Physiker Italien [12/89] INFN Bari INFN Ferrara INFN Frascati INFN Genova INFN Milano INFN Napoli INFN Padova INFN Pavia INFN Pisa INFN Roma INFN Torino INFN Trieste Kanada [4/16] U of British Columbia McGill U U de Montréal U of Victoria Niederlande [1/4] NIKHEF Amsterdam Norwegen [1/3] U of Bergen Russland [1/13] Budker Inst., Novosibirsk USA [35/276] Caltech, Pasadena UC, Irvine UC, Los Angeles UC, San Diego UC, Santa Barbara UC, Santa Cruz U of Cincinnati U of Colorado Colorado State Florida A&M U of Iowa Iowa State U LBNL LLNL U of Louisville U of Maryland U of Massachusets MIT U of Mississippi Mount Holyoke College Northern Kentucky U U of Notre Dame ORNL/Y-12 U of Oregon U of Pennsylvania Prairie View A&M Princeton SLAC U of South Carolina Stanford U U of Tennessee U of Texas at Dallas Vanderbilt U of Wisconsin Yale U 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 21

22 Dresdner Beiträge zum Kalorimeter: 1 % der 658 CsI(Tl)-Kristalle Alle Photodioden Optimierung der Lichtausbeute Mechanik der Auslese-Elektronik Lichtpulsersystem zur Monitorierung Bhabha-Eichung π o -Eichung e-identifizierung 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 22

23 Ein vollständig rekonstruiertes Ereignis in BABAR: CP-Eigenzustand Y Flavour-Eigenzustand solche Ereignisse sind sehr selten, o(1-6 ) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 23

24 Messung der B B -Mischung mit BABAR, 2 M Y(4S): βγ =.55 A ϒ(4S) < z> = 25 µm B l - B l + A( t ) = N ( l N ( l + + l l )( t ) N ( l )( t ) + N ( l ± ± l l ± ± )( t ) )( t ) m B = (.499 ±.1 ±.12) h ps / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 24

25 Jetzt zur CP-Asymmetrie: ( ) ( ) B J / ψ K Γ B J / ψ K S S ( ) ( ) B J / ψ K + Γ B J / ψ K Γ A = = sin 2 β sin Γ S S [ m ( t t )] Zerfall Pr od. Auf der Y(4S)-Resonanz wird kohärenter 2-Teilchen-Zustand (B o B o -B o B o )/ 2 erzeugt: Γ ( tzerf tpr od. ) ( tzerf. ttag) = t. B B Integral von A über alle t ist null, zeitabhängige Messung notwendig. t/τ 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 25

26 Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie: ( B J / Ψ K ) Γ ( B J / Ψ K ) S S ( B J / Ψ K ) + Γ ( B J / Ψ K ) A ~ ( ~ Γ t ) = = D sin 2 β sin( m t) r d Γ S S ( ~ t - t ) t βγ =.55 Υ(4S) e + 4: Flavour-Bestimmung des anderen B-Mesons ( tag ) 1, 2, 3: Rekonstruktion des CP-Eigenzustands 6: Bestimmung von t = z/βγc 5: Bestimmung des Anteils w von falschen Tags Dilution D = (1-2w) reduziert die beobachtete Asymmetrie. 8: sin2β Fit an beide Zeitverteilungen 7: Bestimmung der z-auflösung 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 26

27 Ereignis-Selektion in B J/ψK S 2. K Rekonstruktion 1. J/ψ Rekonstruktion π + π - J/ψ e + e - J/ψ µ + µ - N N π π 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 27

28 3. B Rekonstruktion: m ES E = E * (J/ψ)+E * (K ) E CMS /2 m ES2 =(E CMS /2) 2 [p(j/ψ)+p(k )] 2 Mehr CP-Moden Zusätzlich zu B J/ψ K S : E MeV J/ψ K S E B ψ(2s) K S B χ c1 K S alle mit CP = -1 und B J/ψ K L CP = +1 B J/ψ K * (K S π ) CP eff = +.65±.7 m ES GeV 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 28

29 Daten : 81/fb auf dem Y(4S), 9 M BB CP = -1 N = 156 (inkl. η c K S ) nach Tagging. Reinheit = S/(S+B) = 94% B J/ψ K L : Nur K L-Richtung wird im EMC oder IFR gemessen, Energie aus der m(b )-Bedingung N tot = 2641 (inkl. J/ψK * ) 78% rein 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 29

30 4. Flavour-Tagging des CP-Eigenzustands bei t= durch flavour-spezifische Zerfälle des anderen B: Elektronen, Myonen, geladene Kaonen, oder Combi. 5. Anteil w der Mistags wird aus dem Flavour Sample bestimmt. B J/ψK * (K + π ), D ( * )- π +,D ( * )- ρ / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 3

31 6. Bestimmung von t = z/βγc : z = z Zerfall z Tag, mit z tag aus Vertexfit mit zwei oder mehr Spuren mit kleinem χ 2 -Beitrag zu diesem Fit. 7: Bestimmung der Auflösung für z: ( ) Gleiche Funktion ~ t t an Flavour- und CP-Daten fitten R i Perfekte Zeitauflösung Reale Zeitauflösung Flavour- Ereignisse mit 1 ± cos mt t t CP-Ereignisse mit 1 ± sin2β sin mt t t 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 31

32 8. sin2β Fit an die t- Verteilungen sin2β =.741 ±.67 ±.33 Ergebnisse haben sich deutlicher verbessert als mit 1/ N σ(sin2β) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 32

33 Alle Ergebnisse für sin2β: OPAL 3.2 ±.5 ALEPH.84 ±.16 CDF BABAR ±.67 ±.33 BELLE ±.57 ±.28 Mittel.737 ±.48 (15 σ) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 33

34 5. Erklärung von CP(K) und CP(B): Messwerte von η +- und sin2β sind kompatibel miteinander und mit der Hypothese, dass sie von der schwachen Ww. des Standardmodells erzeugt werden. ν el u L c L t L d s b ' ' ' g w e - L = = = V V V ud cd td W d + V d + V d + V us cs ts g w s + V s + V s + V d L W ub cb tb b b b s L W b L W CKM-Matrix V ij beschreibt Quarkmischung als Ursache von Higgs-Kopplung an Quarks. Wenn V ij V ij *, dann koppelt Higgs verschieden an Quarks & Antiquarks und erzeugt CP. d s b ' ' ' g w = = = V V V * ud * cd * td d d d + V + V g w + V * us * cs * ts s + V s + V s + V * ub * cb * tb b b b 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 34

35 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 35 V ist unitär, V V + = 1. CP. ) Im ( * * = jk jl il ik V V V V J. ; 1 ) (1 2 / 1 ) ( 2 / η λ λ η ρ λ λ λ λ η ρ λ λ λ A J A i A A i A V A, λ, ρ, η sind 4 der 18 freien Parameter des St.modells. 6 Unitaritätsbedingungen können als Dreiecke gezeichnet werden, z.b.:. 1 / /, 3 3 * * 3 * + = + λ λ λ A V A V V V A V V td ub tb td ub ud É 1 V ub* /Aλ 3 V td /Aλ 3 β É=ρ(1-λ 2 /2), =η(1-λ 2 /2). Fläche dieses Unitartitätsdreiecks ist J/2. Messungen von λ und A: λ =.22 ± 1%, A =.83 ± 5%.

36 V ub -Messung mit Γ(B πlν,ρlν) und Γ(B X u lν): ckm Lfit Max L, ±1σ, ±2σ ckmlfit / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 36

37 V td -Messung mit m(b ) und m(b s ): ckm Lfit Max L, ±1σ, ±2σ m(b ), m(b s ) ckmlfit-37-9 Γ(b ulν) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 37

38 ckm Lfit É- -Fit: Max L, ±1σ, ±2σ m(b ), m(b s ) ckmlfit-37-1 Γ(b ulν) Allein aus Messungen der Dreiecksseiten (keine CP) geschlossen: Das Standard-Modell verletzt die CP-Symmetrie Aber der Punkt (É, ) = (,37;) ist mit nur 2 σ ausgeschlossen. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 38

39 Die CP-Verletzung η +- im Zerfall K π + π : ckm Lfit Max L, ±1σ, ±2σ m(b ), m(b s ) ckmlfit η +- Γ(b ulν) Der Messwert von η +- ist voll mit dem Punkt (É, ) aus den Messungen von V ub und V td kompatibel. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 39

40 Die CP-Verletzung sin2β im Zerfall B J/ψ K : ckm Lfit Max L, ±1σ, ±2σ m(b ), m(b s ) ckmlfit η +- sin2β Γ(b ulν) Der Messwert von sin2β ist ebenfalls kompatibel mit dem Standardmodell. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 4

41 ckm Lfit Gemeinsamer Fit: Max L, ±1σ, ±2σ m(b ), m(b s ) η +- Γ(b ulν) sin2β β λ =.2235 ±.33 ( ± 1.5 % ) A λ 2 =.415 ±.11 ( ± 2.7 % ) A λ 3 ρ 2 + η 2 =.38 ±.4 ( ± 1 % ) atan (η/ρ) = (58 ± 19) o ( ± 5 % of 36 o ) 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 41

42 6. Kosmologische Konsequenzen: Jede bisher im Labor beobachtete CP-Verletzung ist eine Eigenschaft der Higgs-Wechselwirkung, also des Standard- Modells. Damit erfüllt dieses beide Sakharov-Bedingungen an die Teilchenphysik. Aber Rechnungen mit Standardmodell-Annahmen ergeben N(B)/n(γ) 1-2 statt wie in der kosmischen Hintergrundstrahlung gesehen: N(B)/n(γ) 1-9. CP-Verletzung bleibt Problem für Teilchen- und Kosmophysik. Deshalb sind die Experimentatoren in BABAR und BELLE weiter motiviert, in B-Zerfällen nach neuer CP-Verletzung außerhalb des Standardmodells zu suchen. Bisher kein Effekt mit deutlich mehr als 2σ gefunden. 16 / 1 / 3 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium U Karlsruhe 42