Physik mit Bottom-Teilchen

Transkript

1 Aachen, 12. Dezember 26 Phyik mit Bottom-Teilchen Seminarvortrag von Stefan Fliecher Betreuer: Dr. Arn Meyer

2 B Phyik Reultate v. SM Motivation Experimente er B-Phyik CP-Verletzung CKM-Matrix CP-Symmetrie CP-Verletzung Neutrale B-Meonen Stanarmoell CKM-Matrix 1

3 Baryogenee T γ T T T γ 2

4 Baryogenee T γ T T T γ nt nt nb 51 n + n n γ T T 1 3

5 Baryogenee Anrei Dmitrijewitch Sacharow: Frieennobelprei Erklärung er Materie-Aymmetrie urch ynamiche Erzeugung: Baryonzahl nicht erhalten CP-Verletzung Störung e thermichen Gleichgewichte n B n γ π m + + e p B kt B e

6 CP-Operation C: charge conjugation P: Raumpiegelung CT = T Ce = e ( ) ( ) + Pˆ T x = P T x P = + 1, 1 T T P C C&P 5

7 CP-Symmetrie π + u W + ν μ + μ P C CP Schwache Ww: nein nein ja nein 1964 nachgewieen: CP L K π + π + Br 1 3 CP = 1 CP 1 π + π =+ + CP K L CP 1 KL = K K 2 ( ) K W u u π + π 6

8 Übericht 2 Reultate v. SM Motivation Experimente er B-Phyik CP-Verletzung CKM-Matrix CP-Symmetrie CP-Verletzung Neutrale B-Meonen Stanarmoell CKM-Matrix 7

9 Stanarmoell Erte Vermutung: Übergänge nur innerhalb er Familie: π + u W + ν μ + μ aber : K + u W + ν μ + μ 8

10 Stanarmoell - Quarkübergänge bei 2 Familien u c u u = coθc + inθc c c = inθc + coθc inθc,22 coθc,97 coθc inθc = inθc coθ c K + u W + ν μ + μ 9

11 Stanarmoell - Quarkübergänge bei 3 Familien b? = coθ12 inθ12 1 c13 13 inθ coθ c c c 13 b allgemeine Überlegung: Phaentrafo u i u e ϕ U Mich komplex: 9 reelle un 9 komplexe Parameter 18 Parameter =? U Mich R e R e R e R e R e R e Re Re Re iϑu iϑu iϑub u u ub iϑc iϑc iϑcb c c cb iϑt iϑt iϑtb t t tb 1

12 Auf em Weg zur CKM-Matrix R e R e R e iϑ iϑ iϑ u u ub u u ub iϑc iϑc iϑ cb! = R e R e R e U Re Re Re c c cb Mich iϑt iϑt iϑtb t t tb 18 Parameter Drehmatrix U Mich U Mich 1 = Betimmunggleichungen 9 freie Parameter 11

13 Auf em Weg zur CKM-Matrix iϑu iϑu iϑub Rue Rue Rube = Re Re Re iϑc iϑc iϑcb R e R e R e U c c cb Mich iϑt iϑt iϑtb t t tb 9 freie Parameter Phaentrafo u u i u u e ϕ i e ϕ μ J ( u c t) UMich b -5 Phaentrafo b c t 4 freie Parameter 12

14 CKM-Matrix R e R e R e R e R e R e Re Re Re iϑu iϑu iϑub u u ub iϑc iϑc iϑcb c c cb iϑt iϑt iϑtb t t tb 4 Parameter + komplex v. 3 Parameter + real c c13 13 c c c c 13 = b c 1 c e iδ c12 c iδ 1 23 c 23 13e c 13 b V CKM 13

15 CKM-Matrix V V V c c c e iδ u u ub iδ iδ CKM = c c cb = i i Vt Vt V δ δ tb 1223 c12c2313e c c2313e c23c 13 V V V V c c e c c e c Wolfentein Parametriierung: λ λ Aλ ( ρ iη 2 ) VCKM 1 λ = λ Aλ O λ Aλ ( 1 ρ iη) Aλ 1 ( ) λ =, A=, ρ = inδ

16 Unitaritätreiecke λ λ Aλ ( ρ iη) V 2 u Vu Vub 2 2 VCKM = Vc Vc V cb 1 λ λ Aλ Vt Vt V tb Aλ ( 1 ρ iη) Aλ 1 V V CKM CKM V V CKM CKM = 1 = 1 Unitarität * * * Vu Vc Vt Vu Vu Vub 1 * * * Vu Vc Vt Vc Vc Vcb = 1 * * * Vub Vcb V tb Vt Vt V tb 1 VV + VV + VV = * * * ub u cb c tb t 15

17 Unitaritätreiecke λ λ Aλ ( ρ iη) V 2 u Vu Vub 2 2 VCKM = Vc Vc V cb 1 λ λ Aλ Vt Vt V tb Aλ ( 1 ρ iη) Aλ 1 V V CKM CKM V V CKM CKM = 1 = 1 Unitarität η ( ρ, η ) VV + VV + VV = * * * ub u cb c tb t VV VV * ub * cb u c α VV VV * tb * cb t c * * VV ub u VV tb t + 1+ = * * VV cb c VV cb c ( ρ iη) + γ β 1 ρ 16

18 CP-Verletzung in er CKM-Matrix Vu Vu Vub VCKM = Vc Vc Vcb Vt Vt V tb λ λ Aλ Aλ ( 1 ρ iη) Aλ 1 ( i ) 2 λ 3 λ Aλ ρ η u ( ) CKM ( b) V CKM c μ J u c t V b b V ub u b V ub t u W W * VCKM komplex Vij Vij unterchieliche Verhalten von Teilchen un Antiteilchen, wenn Interferrenz von Amplituen auftritt! 17

20 Wo kann man CP-Verletzung beobachten? Sytem ozillierener Meonen : A B A B A B Beingungen an ieteilchen für Ozillation : Energieerhaltung Teilchen Antiteilchen Laungerhaltung neutrale Teilchen Baryonzahlerhaltung nur Meonen ( B = ) 19

21 Welche Meonen können ozillieren? u c t b u c t b ( ) ( ) = = K K ( ) ( ) = = D cu D cu ( ) ( ) B = b B = b ( ) ( ) B = b B = b Energieerhaltung Laungerhaltung Baryonzahlerhaltung 2

22 Wir wollen bechreiben : Phänomenologie er Ozillation ( ) ( ) ( ) ( ) B = b B = b Zeitentwicklung B = b B = b aber : CP B = B un CP B = B keine CP Eigenzutäne Kontruiere ehalb : pb + qb = BL CPBL = BL = = p B q B BH CP BH BH eren Zeitentwicklung : ( ) = L( ) () = ( ) im Lt B t B e e L H B t B e e H H Γ 2t im t Γ 2t reubtituieren... 21

23 Zeitentwicklung er Amplitue... e folgt : imt Γ 2t ΔMt q ΔMt B () t = e e co B ( ) + i in B ( ) 2 p 2 Δ M = M M H L M = ( M + M ) H 2 L bile nun Wahrcheinlichkeiten : ( ) Γt () () 1 co( ) 2 1 PB B t = B B t = e + ΔMt ( ) Γt () () 1 co( ) P t = B B t = e ΔMt B B 2 22

24 Zeitentwicklung einer Obervablen 1 PB B t = e + ΔMt 2 1 Γt P t = e 1 co ΔMt B B 2 ( ) Γt () 1 co( ) ( ) () ( ) Ozillationfrequenz : f ΔM = 2π B B Einhüllene e Γt Δ M = MH M L 1 Verhältni! Γ= τ 23

25 Vergleich Ozillation im un Sytem = ( ) = ( ) B = ( b) B = ( b) B b B b B 1 PB B t = e + ΔMt 2 ( ) Γt () 1 co( ) B B B B B f ΔM = 2π ΔM τ = 1 Γ 17 p 1, 5 p 1 ΔM τ,5 p 1, 5 p ,3 1 ev 24

26 Übericht 4 Reultate v. SM Motivation B Experimente er B-Phyik CP-Verletzung CKM-Matrix CP-Symmetrie CP-Verletzung Neutrale B-Meonen Stanarmoell CKM-Matrix 25

27 Michung im B Sytem: 1987 am Argu Detektor 26

28 Babar Aktuell: BaBar un Belle Ee ( ) = 9GeV Ee ( ) 3,1GeV βγ = + =,56 e + aymmetricher Aufbau gebootete Schwerpunktytem e Belle e + Ee ( ) = 8GeV Ee ( ) 3,5GeV βγ = + =, 42 e 27

29 Erzeugung von B B mit Y(4S) Y = ( bb) my ( (4 S)) 1,579GeV Y b b b b B B mb B GeV ( + ) 1,558 Y(4 ) BB Br 5% Iee für eine Meung: l + l l B B B B B t l + l + + B l ν + X B l ν + X l l 28

30 Cartoon: Meung er Maenifferenz Y(4 ) BB B l + ( ν l + ) Br B l X 1% ( ) Br B l ν l + X Y(4 S) e e + B 29

31 Y(4 ) BB Y(4 S) e e + Cartoon: Meung er Maenifferenz + Br ( B l ν l + X ) B l 1% ( ) Br B l ν l + X B l oer l + A ( t) Δ = Δ t = + ± ± Nll ( )( Δt) Nll ( )( Δt) + ± ± Nll ( )( Δ t) + Nll ( )( Δt) Δz βγ c 3

32 Meung er Maenifferenz B l + Y (4 S) e e + B l oer l + τ 1, 5 p Δ t = Δz β γ c A ( t) Δ = + ± ± Nll ( )( Δt) Nll ( )( Δt) + ± ± Nll ( )( Δ t) + Nll ( )( Δt) 1 PB B t = e + ΔMt 2 ( ) Γt () 1 co( ) Δz 21μm Δt perioe ΔM 12,32 p,51p Δ M =,57 ±, 5 p 1 f oz 1 = = Δt perioe 1 31 ΔM 2π

33 ΔM im Unitaritätreieck Δ M =,57 ±, 5p 1 η α VV VV * tb * cb t c ΔM ~ V V *2 2 tb t γ β ρ 32

34 Aymmetrie al Maß für CP-Verletzung A N = ( ) () ( () ) ( ) () + ( () ) N B t f N B t f N B t f N B t f f TB q ftb q ftb 2Im 1 p f T B p f T B = in Δ Δ 2 2 q f T B q f T B p f T B p f T B ( Mt) co( Mt) 2 f TB ftb f = J ψ K CPJ ψ K = 1 = 1 ftb 33

35 Aymmetrie al Maß für CP-Verletzung A N = ( ) () ( () ) ( ) () + ( () ) N B t f N B t f N B t f N B t f f TB f TB ( β ) ( ) = in 2 in ΔM Δt ftb f = J ψ K CPJ ψ K = 1 = 1 ftb 34

36 Aymmetrie al Maß für CP-Verletzung A N = ( ) () ( () ) ( ) () + ( () ) N B t f N B t f N B t f N B t f f TB f TB ( β ) ( ) = in 2 in ΔM Δt η ( ρ, η ) α γ β ρ ftb f = J ψ K CPJ ψ K = 1 = 1 ftb 35

37 Cartoon: Meung er Aymmetrie Y(4 S) e e + B l + tag A N = ( () ) ( () ) ( () ) + ( () ) N B t f N B t f N B t f N B t f ( β ) ( ) = in 2 in ΔM Δt B + μ μ J ψ t tag Δ t = Δz βγ c + π π K S 36

38 Y(4 S) e e + B B l + tag Δ t = CP-Verletzung im Sytem Δz βγ c B A N = ( () ) ( () ) ( () ) + ( () ) N B t f N B t f N B t f N B t f ( β ) ( ) = in 2 in ΔM Δt ( ) in 2β =, 722 ±, 4( tat) ±, 23( y) η α γ β ρ 37

39 Anere Nachweimöglichkeiten er CP-Verletzung B K π, B K π + + Interferenz mit Pinguin: B b V ub u π W u K + B b t g t π u u K + mehr Zerfälle B al B K K π + π + W 38

40 Anere Nachweimöglichkeiten er CP-Verletzung B K π, B K π + + Interferenz mit Pinguin: B b V ub u π W u K + John Elli 1977: W B b t g t π u u K + b t t W g 39

42 Meungen im B Sytem B B B Factorie my ( (4 S)) 1,579GeV aber mb ( + B) 1,738GeV Erzeugung z. Z. nur am Tevatron, bal am LHC 41

43 B Aktuelle Meungen im Sytem: CDF un D Tevatron : pp Bechleuniger 1TeV Strahlenergie 42

44 Vergleiche mit: CMS un Atla Lhc : pp Bechleuniger 7TeV Strahlenergie 43

45 Speziell für B Phyik: LHCb un BTeV LHC Tevatron 44

46 B Prouktion mit Protonkolliionen Fragmentierung: B Factorie LHC Tevatron : : : σ bb σ tot

47 Meung er Eigenzeit + Δz 1 B Factorie( e e ): Δ t = βγ =,56/,42 c βγ LXY Tevatron ( pp): τ = c 1 = βγ L c XY M p B pp kein wohlefinierter Anfangzutan βγ = 2..4 genaue Impulmeung erforerlich emileptoniche Zerfälle nicht verwertbar, σ p a Neutrino nicht mebar : ont = O 15% p ( ) nutze z. B. Zerfall : B Dπ ( D Φπ, Φ KK ) 46

48 Zutaten für ein gute B Phyik Experiment i Auflöung er Eigenzeit.. h Vertexauflöung + Impulmeung σ τ MPD LHCb σ 1 f 4 f τ iteilchen Ientifikation Trennung von K un π z. B. urch RICH i Maenauflöung Ientifikation von B itrigger Finen er B im Untergrun σ M B Atla / CMS LHCb 4MeV 15MeV 47

49 Amplitue Scan ( ) Γt () () 1 co( ) 2 1 B B = = + Δ P t B B t e M t 2 veruche nun ie Daten zu fitten mit : 1+ Aco( ΔM t) Fouriertranformierte er Daten abei A( Δ M ) = " Amplitue" erwartete Signalhöhe im Frequenzpektrum probiere alle ΔM au " cannen", ann : A =, wenn ΔM nicht mit er Ozillationfrequenz übereintimmt A = 1, wenn ΔM zu en Daten pat 48

50 Ergebni zu ΔM von CDF Δ M = 17,31 ( tat) ±,7( yt) p +,33 1,18 σ A A = 3, 7 Stan : Juli 26 1 ΔM [ ] p September 26 : Δ M = 17, 77 ±.1( tat) ±, 7( yt) p 5σ Signifikanz 1 49

51 Ergebni zu ΔM von CDF Δ M = 17,31 ( tat) ±,7( yt) p +,33 1,18 σ A A = 3, 7 Stan : Juli 26 1 ΔM [ ] p September 26 : Δ M = 17, 77 ±.1( tat) ±, 7( yt) p 5σ Signifikanz 1 Stan : September 26 5

52 Δm im Unitaritätreieck in(2 β ) Δm Δm 17,31p 1 Δm Δm V V t t 2 (( 1 ρ ) η ) 2 51

53 Δm im Unitaritätreieck η in(2 β ) Δm Δm 17,31p 1 Δm Δm V V t t 2 (( 1 ρ ) η ) 2 ρ 52

54 Δm im Unitaritätreieck inkluive Tevatron Tevatron Δm 17,31p 1 η η ρ ρ 53

56 e bleibt noch viel zu tun CP-Verletzung im SM erklärt nicht ie Materie Aymmetrie Seltene Zerfälle er B könnten neue Phyik liefern: 55

57 Ene 56

58 Literatur K.R. Schubert: Neue Experimente zur Aymmetrie zwichen Materie un Antimaterie, Kolloquium Hu Berlin 13. Dezember 25 F. Beechi: Lecture 1: b quark at Haron Collier, CTEQ Summer School Juli 26 Lecture 2: CPV in B ytem, CTEQ Summer School Juli 26 M. Hernon: B Phyic at the Tevatron: Phyic of the B Meon, SLAC Summer Intitute, Juli 26 C. Pau: B Phyic at the Tevatron an Firt B Mixing Reult, New Englan Particle Phyic Stuent Retreat, Augut 25 G. Raven: Rare B ecay (at the LHC) a a probe of b tranition, ITEP Meeting on The Future of Heavy Flavour Phyic, Juli 26 L. Fel: Warum e un nach em Stanarmoell nicht geben ürfte, CP-Verletzung un er Urprung er Materie, Antrittvorleung, 27. Januar 23 M.Vyotky: CKM matrix an CP violation in B-meon, hep-ph/37218 v2, 25. September 23 C. Berger: Elementarteilchenphyik, Springer, 22 B.R. Martin & G.Shaw: Particle Phyic, John Wiley & Son, 1997 K. Anikeev et al.: B Phyic at the Tevatron: Run II an Beyon, hep-ph/2171, 6. Februar 21 CDF Collaboration: Obervation of B B Ocillation, hep-ex/694 v1, 22. September 26 H.-G. Moer, A. Rouari: Mathematical metho for B B ocillation analyi, NIM A 384, , 1997 Zu John Elli: J. Elli: T.E. Brower: Rare B Meon Decay, Abchnitt 2.1, XXX SLAC Summer Intitute Augut 22 57