Beauty-ful Physics: Von den B-Fabriken zum LHC

Transkript

1 eauty-ful Physics: on den -Fabriken zum LHC Ulrich Uwer Universität Heidelberg Dresden, 12. Januar 21 1

2 Standardmodell asiert auf dem Prinzip lokaler Eichinvarianz: 12 Eichfelder I II III noch nicht direkt nachgewiesen 2

3 Quarks und Hadronen Mesonen qq> Antimesonen s + K = us K = ds K = ds K = us c D + = cd D = cuc u D = cu D = cd b + = ub = db = db = ub s = sb s = sb aryonen / Antibaryonen p= uud> / p= uud> 3

4 Schwache Wechselwirkung ν μ W d u s c b t c b D + μ W d s b d d D e ν ν ν μ ν e e ν e μ ν μ τ ν τ 4 ν μ

5 Quarkmischung N.Cabbibo, M.Kobayashi & T.Maskawa Schwache Eigenzustände: u d c s t b d' s' b' d s b Massen-Eigenzustände: u d u ud us ub d CKM = C s cd Matrix cs cb t td ts tb b CKM-Matrix: komplex und unitär c s t b 4 Parameter: 3 Eulerwinkel + 1 Phase 5

6 CP - Symmetrie Diskrete Symmetrien + e e Ladungskonjugation C + + μ μ Parität P μ L μ R ν L ν R Schwache Wechselwirkung verletzt C und P maximal: μ L ν μ, L + e L ν e, R C μ + + L ν μ, L + e L ν e, R P μ + + R ν μ, R + e R ν e, L 6

7 CP-erletzung 1964 J.Cronin,.Fitch et al. Zerfall langlebiger neutraler Kaonen: neben auch K L πππ + CP = 1 K π π CP = + 1 L Zerfallsverhältnis ~ Nobelpreis für Cronin und Fitch pp K π K K ππ K ππ is zum Nachweis der CP-erletzung in -Zerfällen (21) K einziges System mit CP-erletzung. ε K = (2.284 ± Δt / τ (K s).14) 1 3 7

8 CKM-Matrix und CP-erletzung weak mass d' s' b ' = ud cd td us cs ts ub cb tb d s b d td t d td t W CP W CP erletzung im Quarksektor nur wenn Phasen, π 8

9 Zahl der Quarkgenerationen CP erletzung im SM nur falls komplexe CKM Matrixelemente: mind. 3 Quarkgenerationen: M.Kobayashi & T.Maskawa (1973) u d c s t b Nobelpreis 28 "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature" M. Kobayashi T. Maskawa 9

10 Physik mit -Mesonen? Mesonen mit b-quarks: Schwerste Quark in gebundenen Zuständen (4.7 Ge/c 2 ). u d c s t b Zerfälle außerhalb 3. Generation. -Masse (5.2 Ge) viele Endzustände. d W ν μ μ + Lange Lebensdauer (~1.6 ps). Große CP-erletzung erwartet. b d c d D Schleifenkorrekturen ren wichtig: γ t b d d t b b t d s K 1

11 - Mischung d dt ( t ) i ( t ) = ( t ) M 2 Γ ( t ) i Massenzustände: L H = p + q with ml, Γ = p q with m H, L Γ H h = τ L h = τ H m = m H, m L ΔΓ = Γ Γ Δ, H L Γt P( ) = Γe 1 cosδmt 2 Γt Flavorzustände: P( ) = Γe ( 1+ cosδmt) ( ) Γ = ΓH Γ L 11

12 Oszillation 1.5 1,2 1.5,8,6 P( P ( P ( 1 ) = Γ) e 2 Γt P ( ( 1 + cos ) Δmt ) 2 ) + P ( ) 1987 erste eobachtung 1 Γe Γ t,4 P( ) = (1 cos Δmt ) -1 ~ cos Δmt, ARGUS (DESY) t τ / td tb t τ 2 G Fd 2t b * 2 2 m Δ = t m d m 2 η f tb td mt F 2 π m b t d v 6 W 2 tb td 12

13 Oszillation π Δm d Δm d =. 57 ±. 5 h -1 ps (Weltmittelwert PDG 28) 13

14 s Oszillation 5σ Messung ts tb obachtung: Anfang 26 s s b t t b s s tb ts Δt [ps] Δm s = ±. 1(stat.) ±. 7(syst.) h -1 ps (CDF Kollaboration, September 26) 14

15 -Mesonen und CKM-Matrix Elemente aufgrund der Unitarität miteinander verknüpft. 15

16 Unitarität der CKM-Matrix = 1 1 ub us ud td cd ud = 1 1 tb ts td cb cs cd tb cb ub ts cs us tb td cb cd ub ud = + + b u CKM Phasen 1 1 iγ e iβ γ e 16 t d 1 1 iβ e

17 Unitaritätsdreieck aus -Zerfällen Im α & b u γ β Re b c 17

18 Unitaritätsdreieck aus -Zerfällen Im CP: ππ, ρπ, ρρ R ~1-6 α γ β Re CP: DK CP: ψ K S R ~1-5 Sehr seltene -Zerfälle - große Zahl produzierter ( > 1 8 ) notwendig. 18

19 Produktion von -Mesonen e + e - - Speicherringe E CMS = 1.58 Ge e + e - Υ(4s) / + - CESR, DORIS, PEP-II, KEK- -Fabriken e + e - LEP, SLC Z b b LEP, SLC Hadronspeicherringe p + p b b + X Tevatron, LHC p p b b 19

20 -Fabriken e + e + ϒ(4s) SLAC KEK + -Rate: 19 Hz Ereignisse: 78 Mio. etriebsdauer: 1999 Q1/21 Strahlströme: e + /e - ~ 3.2/2.3 A Luminosität: Rate: 13 Hz Ereignisse: 47 Mio. etriebsdauer:

21 AAR Detektor 1.5 T Magnet Kristall-Kalorimeter DIRC K/π Trennung e + (3.1Ge) e - (9 Ge) Dift-Kammer 6 m Instrumentiertes Eisenjoch Silizium ertex Detektor 21

22 AAR Kollaboration AAR Kollaboration 11 Länder 8 Institute 6 Physiker Aus Deutschland: ochum, Dortmund, Dresden, Heidelberg Karlsruhe/Mainz, Rostock 22

23 23

24 CP-erletzung in -Zerfällen f f = ψ Ks td i 2β b d td t t d b = td e Γ( td e i β f )( t) ~ e Γt [ 1 sin2β sin( Δmt) ] [ 1 + sin2 β sin( Δmt ) ] Γt Γ ( f )( t ) ~ e 2 mt A CP Γ ( f )( t ) Γ ( f )( t ) ( t ) = = sin 2 β sin( Δmt ) Γ( f )( t) + Γ( f )( t) 24

25 Prinzip der CP- Messung t 1 v 1 t Δt v 2 Υ(4s) 1 v 2 ψ + l tag K s tag Ereignisse tag = CP( Δt = ) = = ( Δt = ) = tag CP A CP ( t) = sin2β sin( Δmt) 25

26 ollständig rekonstruiertes Ereignis tag D* + π - fast D π + soft K - π + CP (Δt) ψ(2s) K s μ + μ - π + π - 26

27 CP erletzung in ψk s 465 Mio. Ereignisse PRD 79, 729 (29) 7% 8377 Ereignisse ~ sin2β sin Δmt sin 2 β =. 687 ±. 28 ± Mio. PRL 79, 3182 (27) sin 2 β =. 642 ±. 31±

28 Trigonometrie β β = o 21. ±. 9 o sin2 β =. 672 ±. 23 ( ± 3. 5%) α ( + 4 ) o γ α = γ = ( 19 ) Mit AAR/ELLE schwierig: o Weltmittelwerte 28

29 Semileptonische -Zerfälle b xb e q c, u p X u X ν e ν e u c t d s b Γ ( X c(u ) lν ) = 2 GFm 192π 5 b 3 2 [ 1+ A c( u) b ew ] A QCD b c b u ±stat ±theo cb incl = (41.5 ±.4 ±.6) 1-3 ub incl = (4.3 ±.15 ±.23) 1-3 cb excl = (38.8 ±.5 ± 1.) 1-3 ub excl = (3.62 ± ) 1-3 ±1.7 % ±3 % ± 7% ±15 % 29

30 Unitaritätsdreieck 3

31 Unitaritätsdreieck Quarkmischungsmechanismus hervorragend bestätigt. Nobelpreis für M.Kobayashi und T.Maskawa in

32 Standardmodell und Neue Physik Standardmodell: Durch ielzahl präziser Messungen bestätigt. Quantenkorrekturen in vielen Prozessen getestet. Eindrucksvoller Test des CKM-Mechanismus in -Zerfällen Probleme der Theorie: Experimentell: Neutrino-Sektor aryogenese Dunkle Materie Konzeptionell: Keine Theorie der Flavorstruktur ereinheitlichung der Wechselwirkungen Fine tuning für Higgs-Masse Standardmodell = Effektive Theorie einer erweiterten Theorie mit neuen physikalischen Phänomenen nahe der elektroschw. Skala. Zukünftige -Physik = Suche nach möglichen neuen Phänomenen. 32

33 Neue Physik in -Zerfällen q b W b + q Y b u, c, t q b X q b Standardmodell + Neue Physik u, c, t s b X s Y A SM c SM c S = + NP A 2 2 mw Λ Präzisonsmessungen ngen von unterdrückten Schleifenprozessen. essen Dediziertes -Experiment am Large Hadron Collider 33

34 Large Hadron Collider p (7 Te) p (7 Te) ATLAS Produktion am LHC: 14 Te 5 KHz bb (LHCb) 34

35 Produktion am LHC LHCb pp collisions i at s = 7, 1, 14 T Te σ inel ~ (.89,.95, 1 ) 1 mb σ bb ~ (.44,.67, 1) 5 μb Gluon-Gluon-Fusion: b p x1 x2 p b ±,, s, c, Λ b L ~ 2 x 1 32 cm -2 s -1 (tuned) ~ 1 12 bb Paare / Jahr (2 fb -1 ) n =.7 IA / X (ATLAS 5 25) bb Produktion θ b θ b 35

36 Typisches Ereignis Simulíertes Ereignis pp interaction (primary vertex) π + π L 7 mm b-hadron Κ π + l π + Exzellente Primär- und Sekundärvertexrekonstr. Spurrekonstruktion für Impulse p ~ 1 1 Ge 2m K/π Identifikation Alle 25 ns 36

37 LHCb-Detektor TU Dortmund Uni Heidelberg MPI-K Heidelberg 37

38 LHCb-Detektor 38

39 ertex(siliziumstreifen)-detektor 21 Stationen mit Doppelseit. Si- Sensoren Geschlossner Zustand: 8 mm von Strahl eam 39

40 Spurkammern - Driftdetektoren 3 m Module 5 m 5mm cells 264 pitch straw 5.25 mm modules 5 m e e e Track 2.5 m Occupancy: max. 1 % aver. 6 % 4

41 ertex- und Massenauflösung s D s (K K π ) π π + 44 μm Simulation K + K - σ 47μm L = c βγ t σ 144 μm π ± Expected proper time resolution σ t ~ 4 fs t 41

42 Erste Spuren

43 Proton-Kollisionen bei 2.36 Te 43

44 Rekonstruierte Massen K π + π - K ππ Λ pπ 44

45 Ring-Cherenkov-Detektoren θ c cosθ c = 1 βn RICH-1 RICH-2 Radiator: Aerogel C 4 F 1 n= n=1.14 CF 4 n=1.5 45

46 Teilchenidentifikation Simulation ohne RICH Kπ K K ε = 96 % ππ π K ε = 4% mit RICH Impuls (Ge/c) 46

47 LHCb Schlüssel -Messungen CKM Winkel β s b s γ Pinguinzerfälle Sehr seltene Prozesse s s μ μ K d,s + μ μ A CP ( s ψφ) d K* μμ d,s μμ CKM Winkel γ DK ub D K 47

48 CKM Winkel γ Pionierarbeiten durch -Fabriken γ = 19 ( 73 ) + o 24 Präzise estimmung von γ mit unterschiedlichen Methoden 48

49 Erwartungen für CKM Winkel Kombination: = ± D K ± D K * erschiedene Methoden η Mit LHCb Daten* ) L = 1 fb -1 (5 J) 1 β Δm d Δm s.5 γ Δmd δγ stat = 2 3 o für L = 1 fb -1 (5 J) ε K ub cb δ(sin2β) stat.1 δα 45 1fb -1 stat 4.5 o für L = α ρ *) +erbesserung von Gitterrechnungen. 49

50 CP-erletzung in s ψφ ts s ψφ CP s b s t t s b s i s e 2β s ts ts = ts e iβ s β s.2 Im Standardmodell sehr geringe CP erletzung: Nulltest ( ) ~ sin2β s sin Δm s t Experimentell schwierig. 5

51 Experimenteller Status EPS 29 s W New Physics s oder # s (CDF) ~ 32 (2.8 fb -1 ) statistische Fluktuation? 51

52 LHCb Sensitivität A. ien, Heidelberg 117k s ψφ ( 2fb -2 ) L (fb -1 ) MC Studie für 5 pb -1 σ stat(β s )

53 Pinguin-Prozesse A.Lenz 53

54 b s γ Prozesse b t d s K Modelle mit 2. Higgs-Dublett SUSY Modelle Weltmittel: Theorie: R( X s γ) = (3.57 ±.24) 1-4 R( X s γ) = (3.15 ±.23) 1-4 Übereinstimmung: Einschränkungen für Modelle Neuer Physik! 54

55 Zerfall K*μμ μ μ b t d s K Winke elasymme etrie A F SM SUSY m 2 μμ [Ge 2 ] Winkelasymmetrie A F (μμ) 55

56 K*μμ - Experimenteller Status ELLE arxiv: M K*μμ Ereignisse: ~35 evts 384 M AAR PR D79:3112 Fehler erlauben bisher keine klare Aussage. LHCb Erwartung für 2 fb -1 ~7 Ereignisse mit /S~ Ereignisse i für 1 pb -1 56

57 K*μμ - LHCb Sensitivität eispiel: LHCb Sensitivität für 21 Daten 1 pb -1 2 fb -1 σ ( s) = ±.5 Ge 2 57

58 Sehr seltene Zerfälle - d,s μμ + d, s μ μ Experimenteller Status: CDF 29 R( s μ + μ - ) < % CL R( d μ + μ - ) < % CL SM: R( s μ + μ - ) = (3.2±.2) x 1-9 R( =(1± 1)x1 d μ + μ - ) (1.±.1) -1 R (x x1 9 ) 5σ observation SM prediction Große SUSY eiträge möglich 3σ evidence 5 L (fb -1 ) 1 58

59 Zusammenfassung & Ausblick AAR und ELLE konnten den Quarkmischungsmechanismus des Standardmodells in beindruckender Weise bestätigen: Im Quarksektor sind neue Phänomene nur als Korrekturen zu unterdrückten Schleifenprozessen möglich. LHCb ist ein -Experiment der nächsten Generation und versucht mögliche Korrekturen durch neue Teilchen aufzuspüren. Es wird so in -Zerfällen indirekt nach Neuer Physik suchen. Diese Suche ist komplementär zur Physik bei ATLAS/CMS. LHCb Detektor hat erfolgreich die ersten LHC-Kollisionen in 29 aufzeichnen können und ist für die Datennahme in 21 bereit. Es wird spannend! Experimentelle Programm im Quarkflavorsektor wird ergänzt durch Kaon-Programm und eine mögliche Super- Fabrik. 59