Neue Evidenz für CP-Verletzung:

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1 K. R. Schubert, TU Dresden K. R. U Schubert, Würzburg, TU 29/1/1 Dresden Neue Evidenz für CP-Verletzung: Erklären B-Mesonen die Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum? Was ist CP-Symmetrie und -Verletzung? Kosmologische Motivation für deren Untersuchung 1964: Entdeckung im Zerfall von K-Mesonen 37 Jahre danach die zweite Evidenz: Zerfall von B-Mesonen Erklärung im Standardmodell der Teilchenphysik Konsequenzen für Kosmologie und Teilchenphysik 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 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 ). 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 2

3 e - L und e- R haben gleiche Masse und 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. 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 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 γ g 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 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 4

5 Schwache Ww. verletzt die C-Symmetrie Γ(µ - e - L ν er ν µl ) = 1/2µs, Γ(µ+ e + L ν er ν µl ) =, verletzt die P- und erfüllt die CP-Symmetrie: Γ(µ - e - R ν el ν µr ) =, Γ(µ+ e + R ν 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 : Denkste! [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.] 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 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 - +g+nn, e + e - g g. g heute N(q)=, aber N(q)/N(g) 1-9 gemessen. 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 6

7 Hier vernichten sich Nukleonen und Antinukleonen bis auf 1-9? 1 32 K 1 19 GeV =m Planck?? 1 15 K 1 GeV Irgendwo hier Baryogenese 1 12 K 1 MeV 1 9 K,1 MeV Naturgesetze bekannt. 6 K,5 ev R. Kolb ( U Chicago), Rom 21 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 7

8 Baryogenese: Erzeugung des kleinen Unterschiedes N(q)/N(q)= Bedingungen von A.D.Sakharov 1967: JETP Lett. 5 (1967) Es gibt CP-verletztende 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, B(U) 1 8. (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. 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 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. 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 9

10 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 1 CP-Verletzung an neuerem Experiment demonstriert: CPLEAR 1999, pp K + π K, K - π + K ; K, K π + π Asymmetrie zwischen den p + p -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 im Standardmodell: s c d K W W K d c s Die beobachtete CP-Verletzung ist auch T-Verletzung, V. der Zeitumkehrinvarianz. Erklärung der CP-Verletzung 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 ) 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 11

12 37 Jahre war das K das einzige System der Teilchenphysik mit CP-Verletzung. 21 gelang der Nachweis im Zerfall von B -Mesonen: K π + π - B BABAR AR 29 fb 1 1 B -5 5 t(ps) Belle B B -4 4 t(ps) 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 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 bq 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 kurz danach 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 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 2β Γ S [ m ( t t )] 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 sin Zerfall g e e + e - γ g e b b Y(4S),1.56 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 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 14

15 Die B-Mesonen-Fabrik PEP-II: E [GeV] e - / e + I [ma] e - / e + L [cm -2 s -1 ] L int [pb -1 /Tag] Design 9. / / x Erreicht ja 925 / 162 4,2 x /1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 15

16 Linac Fixed Target Experimente BABAR SLD 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 16

17 Tägliche und Integrierte Luminosität, Okt.1999 Okt. 21 Design 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 17

18 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 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 18

19 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 19

20 BABAR-Kollaboration: 9 Länder, 73 Institute China [1/6] Inst. of High Energy Physics, Beijing Deutschland [3/21] 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 516 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 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 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 2

21 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 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 21

22 Ein vollständig rekonstruiertes Ereignis in BABAR: CP-Eigenzustand Flavour-Eigenzustand solche Ereignisse sind sehr selten, o(1-6 ) 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 22

23 Messung der B B -Mischung mit BABAR, 2 M Y(4S): bg =.56 ϒ(4S) B l - < z> = 25 µm A B l + A( t) = N ( l N( l + + l l )( )( t) t) + N( l N( l ± ± l l ± ± )( )( t ) t ) m B = (.499 ±.1 ±.12) h ps -1 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 23

24 A 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 = = sin 2 β Γ S S sin [ 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 tprod. ) ( t Zerf. ttag) =. B B t Integral von A über alle t ist null, zeitabhängige Messung notwendig. t/τ 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 24

25 Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie: Γ ( B J / Ψ K ) Γ ( B J / Ψ K ) S S ( B J / Ψ K ) + Γ ( B J / Ψ K ) A ~ ~ ~ ( t ) = = D sin 2 β sin( m t) r d Γ S S ( t - t ) t βγ=.56 U( ) e + 4: Flavour-Bestimmung des anderen B-Mesons (Markierung, tag ) 1, 2, 3: Rekonstruction des CP-Eigenzustands 6: Bestimmung von t = z/βγc 5: Bestimmung des Anteils w von falschen Tags Dilution D = (1-2w) redziert die beobachtete Asymmetrie. 8: sin2βfit an beide Zeitverteilungen 7: Bestimmung der z-auflösung 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 25

26 Ereignis-Selektion in B J/ψK S 2. K Rekonstruktion 1. J/ψ Rekonstruction π + π - J/ψ e + e - J/ψ µ + µ - N N π π 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 26

27 3. B Rekonstruktion: Hier: J/ψ e + e - K π + π - 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 : 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 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 27

28 Alle K s Moden: S ( includesj/ ψk { K π }) (einschliesslich B J/ψ K L : Nur K L-Richtung wird im EMC oder IFR gemessen, Energie aus der m(b )-Bedingung: 728 events purity 94% 273 events, ev. purity 51% 51% 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 28

29 4. Flavour-Tagging des CP-Eigenzustands bei t= durch flavour-spezifische Zerfälle des anderen B: Elektronen, Myonen, geladene Kaonen, oder Combi. Ereigniszahlen nach dem Tagging (und Reinheit): 38 J/ψ K s (97%), 67 ψ(2s)k s (98%), 33 χ c1 K s (97%), 5 J/ψ K * (74%), 273 J/ψ K L (51%). Summe 83 (8%). 5. Anteil w der Mistags wird aus dem Flavour Sample bestimmt. B J/ψK * (K + π ), D ( * )- π +,D ( * )- ρ +... N B / B purity 94 83% 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 29

30 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 R i ( ~ t t ) an Flavour- und CP-Daten fitten Perfekte Zeitauflösung Reale Zeitauflösung Flavour- Ereignisse mit 1 cosdmt t t CP-Ereignisse mit 1 sin2b sindmt t t 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 3

31 8. sin2βfit an die t-verteilungen: N BABAR AR 29 fb 1 1 A ~ ~ A D sin 2 β sin m t sin 2β = (stat) (3) B J/ψ K * : sin 2β = Dt in ps sin 2β =.7.34 (stat) sin2b = /1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 31

32 Ergebnisse für sin2β (S. Olsen, Belle) 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 32

33 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 g w d s b e - L ' ' ' = = = V V W V ud cd td d + V d + V d + V us cs ts g w d L W s + V s + V s + V ub cb tb b b b g w s L W d s b ' ' = = = V V V g w * ud * cd * td b L W d d d + V + V + V * us * cs * ts s + V s + V s + V CKM-Matrix V ij beschreibt Quarkmischung als Ursache von Higgs-Kopplung an Quarks. Wenn V ij V ij *, dann koppelt H verschieden an Quarks und Antiquarks und erzeugt CP. ' * ub * cb * tb b b b 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 33

34 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 34 V ist unitär, V V + = 1. CP. ) Im ( * * = jk jl il ik V V V V J A, λ, ρ, η sind 4 der 18 freien Parameter des St.modells. 6 Unitaritätsbedingungen können als Dreiecke gezeichnet werden:. ; 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 1. / /, 3 3 * * 3 * + = + λ λ λ A V A V V V A V V td ub tb td ub ud ρ η 1 V ub* /Aλ 3 V td /Aλ 3 β Fläche dieses Dreiecks ist J/2. Messungen von λ und A: λ =.22 ± 1%, A =.83 ± 5%.

35 Messungen von ρ und η: η lv td l aus m(b ) und m(b s ) lv ub l aus B ρlν und b ulν Fit η +- (K ) b ±1σ ±2σ 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 35

36 mit sin2ß: η sin2β Fit mit sin2β, lv ub l, lv td l, ε(k ) λ =.22 ±.2 A =.85 ±.4 ρ =.22 ±.12 η =.34 ±.6 J = (2.8 ±.6) /1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 36

37 6. Kosmologische Konsequenzen: Alle bisher im Labor beobachtete CP-Verletzung ist eine Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung. Damit erfüllt St.modell alle Sakharov-Bedingungen. Mögliches Szenario scheint heute nicht mehr zu arbeiten. Gründe: Expansion zu langsam. Mit m H <2 GeV kein Phasenübergang 1. Art mehr. N(B)/n(γ) 1-2 statt N(B)/n(γ) /1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 37

38 Die Standardmodell-Baryogenese scheint Faktor 1 11 zu schwach zu sein, um Materiedichte im Universum zu erklären. Fehlende Details (??) oder Notwendigkeit für zusätzliche B- und CP-Verletzung in den Naturgesetzen. Erfolgversprechende Möglichkeiten: Supersymmetrie bringt zusätzliche CP-Verletzung dto. mit mehreren Higgs-Bosonen L-Verletzung durch Majorana-Neutrinos dto. mit CP-Verletzung in Neutrino-Oszillationen Vom Standardmodell abweichende CP-Verletzung (, ) in verschiedenen B-Mesonen-Zerfällen bleibt Hauptmotivation für weiteres 1- bis 15-jähriges BABAR-Programm. 29/1 / 1 K. R. Schubert, Kolloquium U Würzburg 38