Flavor-Physik bei CDF. Thomas Kuhr

Transkript

1 Flavor-Physik bei CDF Physikalisches Kolloquium Karlsruhe

2 Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 2

3 Historie Seltsame Teilchen Beobachtung von Teilchen mit seltsam langer Lebensdauer 1953, Gell-Mann: Erklärung durch neue Flavor-Quantenzahl Strangeness p π+ π- 0 π- Erhalten in starker und e.m. WW, Änderung nur durch schwache WW K0 p π- Ordnung des Teilchenzoos Seite 3

4 Historie Quarks S n p ½ udd 0 +½ +1 dds uud uds dss uus uss I3 Erklärung der Multiplets durch Quarkzusammensetzung Flavor-Physik = Physik der Quarksorten Drei bekannte Quark-Flavor: u (q=+2/3) und d, s (q=-1/3) Seite 4

5 Historie Vorhersage des vierten Flavor Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet Seite 5

6 Historie Vorhersage des vierten Flavor Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet 1970, Glashow-Iliopoulus-Maiani: Einführung einer vierten Quark-Sorte: Charm Destruktive Interferenz beider Diagramme (GIM-Mechanismus) Erklärt jedoch nicht CP-Verletzung im K0-System Seite 6

7 Parität p e- L L P p r p r e- p Raumspiegelung (P): Vektor - Vektor, Axialvektor Axialvektor Physikalische Gesetze invariant unter Raumspiegelung? Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW (1956, Wu) S p P p S Seite 7

8 Ladungskonjugation e- e+ C p p Ladungskonjugation (C): Teilchen Antiteilchen Physikalische Gesetze invariant unter Ladungskonjugation? C-Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW C-Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW S p C S p Seite 8

9 CP-Verletzung im K0-System Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen: K0S c = 2.7 cm K0L c = 15 m Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände: CP > = (+1) > CP > = (-1) > Wenn CP erhalten, folgt: CP K0S> = (+1) K0S> CP K0L> = (-1) K0L> Seite 9

10 CP-Verletzung im K0-System Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen: K0S c = 2.7 cm K0L c = 15 m Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände: CP > = (+1) > CP > = (-1) > Wenn CP erhalten, folgt: CP K0S> = (+1) K0S> CP K0L> = (-1) K0L> 1964, Cronin, Fitch, et al.: Beobachtung von K0L CP-Verletzung O(10-3) Seite 10

11 Baryon-Asymmetrie im Universum Urknall: Gleiche Anzahl Teilchen und Antiteilchen Heute: Nur Teilchen Erfordert Prozess, der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie bricht Bedingungen (1967, Sakharov): Verletzung der Baryonenzahl Thermisches Ungleichgewicht C- und CP-Verletzung Seite 11

12 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben Seite 12

13 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks Seite 13

14 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks Seite 14

15 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks Seite 15

16 Erklärung der CP-Verletzung 1972, Kobayashi, Maskawa: CP-Verletzung möglich, wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks 2001, BaBar/Belle: Nachweis von CP-Verletzung im B0-System Seite 16

17 2008: Nobelpreis Kobayashi Maskawa "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature" Seite 17

18 Die Quark-Familien top charm q [e] up +2/3-1/3 down strange bottom Seite 18

19 Flavor-ändernde Wechselwirkung Flavor-Änderung nur durch geladene Eichbosenen der schwachen WW: W±-Bosonen W± koppelt nicht direkt an Quark-Paare einer Familie, sondern an eine Mischung 95 % 5% % Beschreibung durch Quark-Mischungsmatrix Seite 19

20 (C)KM-Matrix Vud Vus Vub VCKM = Vcd Vcs Vcb Vtd Vts Vtb cos 12 cos 13 V CKM = sin 12 cos 23 cos 12 sin 23 sin 13 ei i sin 12 sin 23 cos 12 cos 23 sin 13 e Komplexe Elemente Vij 18 Parameter Unitarität (VV = 1) + Quark-Phasen 4 freie Par.: 3 Winkel + 1 Phase (CP) sin 12 cos 13 sin 13 e i cos 12 cos 23 sin 12 sin 23 sin 13 e i sin 23 cos 13 cos 12 sin 23 sin 12 cos 23 sin 13 e i cos 23 cos 13 Seite 20

21 Unitaritätsdreieck N>4 Messungen für 4 Parameter Überbestimmtes System Test der KM-Theorie Graphische Darstellung durch Unitaritätsdreieck Unitaritätsbedingung i V ij V ik = jk z.b. für j=1, k=3: V ud V ub V cd V cb V td V tb=0 V ud V ub V td V tb Fläche V cd V cb CP-Verletzung Seite 21

22 CKM-Messungen Normierung auf VcdVcb* Im 0 Re 1 Messung von Seitenlängen und Winkeln Unitarität Geschlossenes Dreieck Seite 22

23 CKM-Messungen B0-System genau vermessen von B-Fabriken (BaBar/Belle) B0s-System kann (zur Zeit) nur am Tevatron studiert werden Oszillation + CP-Verletzung Seite 23

24 Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 24

25 Tevatron p CDF s = 1.96 TeV p 1 Kollision / 400 ns 1.7 Mio Ereignisse pro Sekunde Seite 25

26 B0s-Produktion am Tevatron Hohe Produktionsrate von bb-paaren in Prozessen der starken WW q b Produktion von B0s-Mesonen in Fragmentation q b Aber Produktionsrate von leichten Quarks ~103 mal größer als bb) Belle Trigger Untergrundspuren aus Fragmentation Hoher kombinatorischer Untergrund CDF Seite 26

27 CDF (Collider Detector at Fermilab) Myon-Kammern Magnet hadr. Kalorimeter e.m. Kalorimeter Flugzeit-Detektor SiliziumVertexdetektor Driftkammer Seite 27

28 Detektorkomponenten Seite 28

29 Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 29

30 B0s-Oszillationen Teilchen-Antiteilchen-Oszillation Eigenzustände mit definierter Masse und Lebensdauer: Oszillationsfrequenz: m = mh-ml f ~ 3 Thz! Seite 30

31 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Seite 31

32 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen B0s Ds Selektion von B0s-Mesonen π Seite 32

33 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen B 0 s Ds+ Selektion von B0s-Mesonen Bestimmung des Flavors beim Zerfall π- Seite 33

34 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen B 0 s Ds+ Selektion von B0s-Mesonen Bestimmung des Flavors beim Zerfall Messung der Lebensdauer π- Seite 34

35 Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: B0s Anforderungen B 0 s Ds+ Selektion von B0s-Mesonen Bestimmung des Flavors beim Zerfall Messung der Lebensdauer Bestimmung des Flavors bei der Produktion π- Seite 35

36 B0s-Selektion Goldener Kanal: Bs Ds Ds KK K B0s Ds K π π Seite 36

37 Lebensdauer-Messung Lebensdauer t wird gemessen über Zerfallslänge L und Impuls p B0s L ct-auflösung reduziert effektiv messbare Asymmetrie: p ct = 87 fs Seite 37

38 Flavor-Tagging Opposite Side Same Side Tag (SST): Same Side Teilchen aus b-quark-fragmentation Opposite Side Tag (OST): Ladung des Jets vom OS-b-Quark Leptonen und Kaonen aus Zerfall des OS-B-Hadrons Seite 38

39 Tagging-Leistung Effizienz: Dilution: Dilution reduziert effektiv messbare Asymmetrie: ct = 87 fs D = 0.2 ct = 87 fs Seite 39

40 Mixing-Fit Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Flavor-Tag Signifikanz: 3 (Evidenz, aber noch keine Beobachtung) Seite 40

41 Verbesserungen Neuronales Netz Bisherige Analyse Selektion von B0s-Kandidaten durch Neuronales Netz Hinzunahme von Zusätzlich durch NN selektiert Vom NN verworfen weiteren (part. rek.) Zerfallskanälen Kombination der OS-Tagger mit einem Neuronalen Netz: D2 = 1.5% 1.8% Seite 41

42 Mixing-Fit Reloaded Analyse desselben Datensatzes mit verbesserten Methoden Signifikanz >5 Beobachtung von B0s-Oszillationen! Seite 42

43 Ergebnis Δms = ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1 XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10% Seite 43

44 Ergebnis Δms = ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1 XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10% XBs / XB0 genauer berechenbar, Unsicherheit 3-4% Vtd / Vts = ± (exp) (theor) Seite 44

45 Auswirkungen auf Unitaritätsdreieck Ohne Δms-Messung Mit Δms-Messung Bestimmung der Seitenlänge gegenüber Winkel Konsistent mit anderen Messung SM bestätigt, Parameterraum für neue Physik eingeschränkt Seite 45

46 Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 46

47 CP-Verletzung in B0s J/ Gemeinsamer Zerfallskanal: B0s/B0s J/, J/ + -, K+K- CP-verletzende Phase in Interferenz: V us V ub V ts V tb s V cs V cb Seite 47

48 CP-Eigenzustände Falls CP erhalten: Massen-Eigenzustände = CP-Eigenzustände: Identifizierung der Massen-Eigenzustände anhand der Lebensdauer, falls = = 1/ 1/ 0 L H L H Identifizierung der CP-Eigenzustände anhand der Zerfallsprodukte: JPC (J/ ) = JPC( ) = 1-- J(B0s) = 0 CP(J/ ) = (-1)L L=0,1,2 S-, D-Welle CP gerade P-Welle CP ungerade Seite 48

49 Winkelanalyse S-, D-Welle CP gerade P-Welle CP ungerade Ruhesystem J/ Ruhesystem Seite 49

50 Likelihood-Fit MaximumLikelihoodFit in Masse, Lebensdauer, Winkel Seite 50

51 Ergebnis 4-fach Ambiguität Unter Annahme von CP-Erhaltung: s = (stat) ± (syst) ps-1 c s = 456 ± 13 (stat) ± 7 (syst) µm Konsistent mit SM (p-wert = 22%) Seite 51

52 B0s J/ mit Tagging B0s-Zerfall in CP-Eigenzustand fcp: Oszillation muss aufgelöst werden Produktionsflavor muss bestimmt werden Auch sensitiv auf CP-Verletzung für =0 Seite 52

53 Ergebnis Einschränkung des Parameterraums für neue Physik Noch konsistent mit SM p-wert = 7% (1.8 ) Hinweis auf neue Physik? 2-fach Ambiguität Seite 53

54 Neue Physik? (Noch?) keine Evidenz für neue Physik Seite 54

55 Ausblick Falls s ssm Realistische Chance für Evidenz oder sogar Beobachtung von neuer Physik am Tevatron Seite 55

56 Zusammenfassung Interaktion der Quark-Flavor und CP-Verletzung wird im SM durch die CKM-Matrix beschrieben Erfolgreich bestätigt im B0-System Auch gültig für B0s-System? Vermessung des B0s-Sytems am Tevatron B0s-Oszillationen werden gut vom SM beschrieben CP-Verletzung im B0s-System (noch) verträglich mit dem SM Entdeckung einer neuen Quelle von CP-Verletzung am Tevatron möglich Seite 56

57 Backup Seite 57

58 Two-Track-Trigger Auswahl von Spuren von sekundären Vertices Rekonstruktion von Spuren in der Driftkammer in 5 µs Selektion von Spurpaaren mit pt > 2 GeV/c Hinzufügen von Hits im SiliziumVertex-Detektor in 20 µs d0(1) 2 B0s d0(2) 1 Selektion von Spuren mit d0 > 100 µm Reduktion der Ereignisrate: 2.5 Mhz <100 Hz Seite 58

59 Weitere B0s-Zerfallskanäle Bs Ds und Bs Ds mit N 1400 N 700 Ds, KK Ds K*K, K* K Ds N 700 N 600 N 200 Seite 59

60 Lebensdauer-Auflösung Seite 60

61 Verbesserung des OS-Tagging Kombination der Tagger mit Neuronalem Netz Benötige Datensatz für Netzwerktraining mit B-Hadronen Bekanntem B-Flavor Simulierte Daten beschreiben nicht alle Details der realen Daten BHa dr on Bisher hierarchische Entscheidung Erst Myon-Tag, dann Elektron-Tag, dann Jet-Tag OSB Training auf realen Daten OS-Tag Seite 61

62 Lepton+Sekudärvertexspur Statistische Subtraktion von Untergrundereignissen durch Ereignisse mit d0 < 0 Ladung des Leptons gibt Flavor an mit prichtig = 82% BHa dr on Datensatz angereichert mit semileptonisch zerfallenden langlebigen Teilchen SV-Spur Unterdrückung von CharmLepton Ereignissen durch Schnitt auf invariante Masse von Lepton+SV-Spur OSB Training des Taggers auf OS-B d0 OS-Tag Seite 62

63 NN-OS-Tagger Optimal trainiertes Netz: Netzausgabe o (skaliert auf [0,1]) = Signalwahrscheinlichkeit p Ereignisweiser Schätzwert der Dilution: Verbesserung durch NN-Komb.: D2 = 1.5% 1.8% Seite 63

64 Amplituden-Scan Seite 64

65 Δms-Signifikanz Null-Hypothese Δms = Seite 65

66 B0s-Ereignis Seite 66

67 Fit-Bias Parameter unbestimmt für 2 s=0 s und unbestimmt für =0 Reduzierte Anzahl Freiheitsgrade Bias weg von =0, 2 s=0 Seite 67

68 Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = Ak ei, 0 := 0 Mittere Zerfallsbreite: = ( L H) / 2 k Seite 68

69 Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit CP-gerade CP-ungerade Interferenz Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = Ak ei, 0 := 0 Mittere Zerfallsbreite: = ( L H) / 2 k Seite 69

70 4-fach Ambiguität Invarianz unter Transformationen: Seite 70

71 Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit B0s: = +1 B0s: = -1 Ambiguität reduziert von 4- auf 2-fach Seite 71

72 Wolfenstein-Parameterisierung V ub V us V ub V CKM = V cd V cs V cb V td V ts V tb 1 2 /2 A 3 i = O 1 /2 A 3 2 A 1 i A , A , 0.34 Seite 72