Flavor-Physik bei CDF Physikalisches Kolloquium Karlsruhe 07.11.2008
Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 2
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
Historie Quarks S n p 0 - -1 -½ + -1-2 + 0 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
Historie Vorhersage des vierten Flavor Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet Seite 5
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Die Quark-Familien top charm q [e] up +2/3-1/3 down strange bottom Seite 18
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% 0.002 % Beschreibung durch Quark-Mischungsmatrix Seite 19
(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
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
CKM-Messungen Normierung auf VcdVcb* Im 0 Re 1 Messung von Seitenlängen und Winkeln Unitarität Geschlossenes Dreieck Seite 22
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
Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 24
Tevatron p CDF s = 1.96 TeV p 1 Kollision / 400 ns 1.7 Mio Ereignisse pro Sekunde Seite 25
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
CDF (Collider Detector at Fermilab) Myon-Kammern Magnet hadr. Kalorimeter e.m. Kalorimeter Flugzeit-Detektor SiliziumVertexdetektor Driftkammer Seite 27
Detektorkomponenten Seite 28
Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 29
B0s-Oszillationen Teilchen-Antiteilchen-Oszillation Eigenzustände mit definierter Masse und Lebensdauer: Oszillationsfrequenz: m = mh-ml f ~ 3 Thz! Seite 30
Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Seite 31
Messung von B0s-Oszillationen Messung der zeitabhängigen Asymmetrie: Anforderungen B0s Ds Selektion von B0s-Mesonen π Seite 32
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
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
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
B0s-Selektion Goldener Kanal: Bs Ds Ds KK K B0s Ds K π π Seite 36
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
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
Tagging-Leistung Effizienz: Dilution: Dilution reduziert effektiv messbare Asymmetrie: ct = 87 fs D = 0.2 ct = 87 fs Seite 39
Mixing-Fit Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Flavor-Tag Signifikanz: 3 (Evidenz, aber noch keine Beobachtung) Seite 40
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
Mixing-Fit Reloaded Analyse desselben Datensatzes mit verbesserten Methoden Signifikanz >5 Beobachtung von B0s-Oszillationen! Seite 42
Ergebnis Δms = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1 XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10% Seite 43
Ergebnis Δms = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1 XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10% XBs / XB0 genauer berechenbar, Unsicherheit 3-4% Vtd / Vts = 0.2060 ± 0.0007(exp) +0.0081-0.0060 (theor) Seite 44
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
Übersicht Entwicklung des Flavor-Konzepts CDF-Detektor B0s-Oszillationen CP-Verletzung im B0s-System Seite 46
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
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
Winkelanalyse S-, D-Welle CP gerade P-Welle CP ungerade Ruhesystem J/ Ruhesystem Seite 49
Likelihood-Fit MaximumLikelihoodFit in Masse, Lebensdauer, Winkel Seite 50
Ergebnis 4-fach Ambiguität Unter Annahme von CP-Erhaltung: s = 0.076 +0.059 (stat) -0.063 ± 0.006 (syst) ps-1 c s = 456 ± 13 (stat) ± 7 (syst) µm Konsistent mit SM (p-wert = 22%) Seite 51
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
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
Neue Physik? (Noch?) keine Evidenz für neue Physik Seite 54
Ausblick Falls s ssm Realistische Chance für Evidenz oder sogar Beobachtung von neuer Physik am Tevatron Seite 55
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
Backup Seite 57
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
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
Lebensdauer-Auflösung Seite 60
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
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
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
Amplituden-Scan Seite 64
Δms-Signifikanz Null-Hypothese Δms = Seite 65
B0s-Ereignis Seite 66
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
Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = Ak ei, 0 := 0 Mittere Zerfallsbreite: = ( L H) / 2 k Seite 68
Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit CP-gerade CP-ungerade Interferenz Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = Ak ei, 0 := 0 Mittere Zerfallsbreite: = ( L H) / 2 k Seite 69
4-fach Ambiguität Invarianz unter Transformationen: Seite 70
Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit B0s: = +1 B0s: = -1 Ambiguität reduziert von 4- auf 2-fach Seite 71
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 4 2 2 = O 1 /2 A 3 2 A 1 i A 1 0.22, A 0.82 0.22, 0.34 Seite 72