Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

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Zerfall neutraler Kaonen und CP-Verletzung

• Jan Fiete Große-Oetringhaus
• Seminar über Kern- und Teilchenphysik

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Inhalt

• Einführung
• Symmetrien
• P Verletzung
• CP-Verletzung
• Zerfall neutraler Kaonen
• Historische Experimente
• Aktuelle Experimente
• Ursachen (theoretische Betrachtung)
• Folgerungen Aussichten

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Symmetrien

• Symmetrie sehr wichtiges Konzept in der Physik
• Vereinfachung vieler Problemez.B. gerade /
  ungerade Funktionen
• Symmetrien sind verknüpft mit Erhaltungssätzen(No
  ether-Theorem)
• Symmetrie unter Operator X heißtSystem zeigt
  gleiches Verhalten nach Anwendung von X(bzw.
  Verhalten auf das X angewendet wurde)

Symmetrie unter Erhaltungssatz
zeitlicher Translation Energie
räumlicher Translation Impuls
Rotation Drehimpuls
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Parität (P)

• Physikalische Prozesse symmetrisch
  (meistens)d.h. gespiegeltes System verhält sich
  wie ursprüngliches System
• Elementarteilchenphysik Prozess läuft im Spiegel
  genauso ab (gleiche Wahrscheinlichkeiten,
  Produkte, Edukte, )

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Parität (P)

• Parität im Allgemeinen erhaltenz.B. starke
  Wechselwirkung p p ? p p n
• schwache Wechselwirkung verletzt(Untersuchung
  des b-Zerfall von 60Co Wu 1957)
• nur linkshändige Neutrinosnur rechtshändige
  Antineutrinos
• Def. Helizität
• Helizität 1 ? RechtshändigHelizität 1 ?
  Linkshändig

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Parität (P)

• Mathematische BeschreibungOperator P
  Raumspiegelung am Ursprung
• P heißt Paritätstransformation
• P dreht die Helizität
• existiert nicht!? P maximal verletzt

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Ladungskonjugation (C)

• Änderung der Vorzeichen aller elektrischen
  Ladungen
• Änderung aller internen Quantenzahlen (q, B, L,
  S, )
• Ladungskonjugation verwandelt im Allgemeinen
  Teilchen in zugehöriges Antiteilchen z.B. e- ?
  e
• für Reaktionen

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Ladungskonjugation (C)

• Mathematische BeschreibungOperator C
• Ladungskonjugation oder Teilchen-/
  Antiteilchenoperator
• klassische Elektrodynamik invariant unter C
• Symmetrie unter Ladungskonjugation heißtgleiche
  Zerfallszeiten, Aufspaltungsverhältnisse, gleiche
  Teilcheneigenschaften
• z.B.
• existiert nicht!? C maximal verletzt

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CP

• In der Regel führt C Teilchen in Antiteilchen
  über, jedoch Ausnahmen vorhanden z.B. Neutrino
• Kombination von Paritätstransformation P und
  Ladungskonjugation C führt zu CP
• CP führt Teilchen in Antiteilchen überz.B.
• auch bei Neutrino

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Zeitumkehr (T)

• Umkehrung der Zeitrichtung eines Prozesses
• Zeitinvarianz - also Symmetrie unter T - heißt
  Zeitrichtung eines Prozesses nicht erkennbarz.B.
  Bewegung im Schwerefeld
• Elementarteilchenphysik Zeitinvarianz in
  starker Wechselwirkungp 27Al ? a 24Mg und
  a 24Mg ? p 27Al

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Wechselwirkungen

• Starke und elektromagnetische Wechselwirkung
  erhalten C, P, und T einzeln
• In schwacher Wechselwirkung ist C und P maximal
  verletzt
• Kombination von CP scheint erhalten
• Jedoch auch hier leichte Verletzung
• CPT muss immer erhalten seinCPT Theorem Jede
  relativistische lokale Feldtheorie muss unter CPT
  erhalten sein!
• Aus CP-Verletzung folgt T-Verletzung

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Kaonen

• Kaonfamilie
• M 500 MeV
• Kaonen sind die leichtesten seltsamen (S ? 0)
  Mesonen
• Zerfall unter schwacher Wechselwirkung, da starke
  Wechselwirkung Seltsamkeit erhält

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Erzeugung neutraler Kaonen

• Prozesse
• Erzeugung abhängig von Energie der Pionen
• Reiner K0-Strahl durch 0.91 GeV E 1.5 GeV

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Zerfall der neutralen Kaonen

• Zerfallsprodukte
• P(p) P(p) P(p0) 1
• z.B. CP(pp) 1, da

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Zerfall der neutralen Kaonen

• Kaon kein Eigenzustand von CP
• Konstruiere CP-Eigenzustände
• D.h. K1 zerfällt nur in 2-Pionen K2 nur in
  3-Pionen(wenn CP Erhaltung gilt)
• Zerfallszeitent(K1) 0,9 10-10 s t(K2) 0,5
  10-7 s

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Zerfall der neutralen Kaonen

• Zerfallszeit von K1 viel kleiner als von K2
• Nach hinreichend großer Zeit sind alle K1
  zerfallen? Reiner K2-Strahl
• K2 ist Eigenzustand zu CP 1? nur Zerfälle mit
  CP 1 möglich (3-Pion-Zerfälle)
• Es werden jedoch auch 2-Pion-Zerfälle
  beobachtet!? CP-Verletzung!
• Maß für Verletzung Amplitudenverhältnis

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Entdeckung der CP-Verletzung

• 1964 Christenson, Fitch, Cronin, Turlay

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Entdeckung der CP-Verletzung

• Reiner K2-Strahl läuft ein
• Zwei Detektionssysteme messen Viererimpuls der
  Produkte
• 3-Pion-Zerfälle (ppp0)p0 wird nicht
  gemessenGesamtimpuls in beliebiger
  RichtungMasse des p0 fehlt
• 2-Pion-Zerfälle (pp)Gesamtimpuls in Richtung
  des K2-StrahlsMassen gleich der Masse des
  K2-Strahls

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Entdeckung der CP-Verletzung

• Im Massenbereich von 2-Pion-Zerfällen ist
  deutlicher Peak bei q 0 zu erkennen
• Außerhalb dieses Bereiches gleich-mäßiger
  Hintergrund
• Verbotener Zerfall? CP-Verletzung
  Amplitudenverhältnish 2 10-3
• Zerfall ändert CP-Wert? direkte CP-Verletzung

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Zustandsmischung

• Umwandlung von und
• gemeinsame Zerfallszustände
• Umwandlung durch virtuelle Pionzustände
• Boxdiagram

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Seltsamkeitsoszillationen

• Betrachte Zeitentwicklung der Zustände
• a2 analog I. II.
• I.) Zeitentwicklung ? PhaseII.) Zerfall nach
  radioaktiven Zerfallsgesetz
• relative Phase zwischen K1 und K2 wenn E1 ? E2
  (entspricht m1 ? m2)
• Amplitude für K0
• Intensität

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Seltsamkeitsoszillationen

• Intensitäten von und oszillieren
  mit Dm
• Intensität nimmt nicht nur ab!
• entsteht(Regeneration)
• Oszillation der pp Zerfallsrate (da
  hauptsächlich Produkt von K0)

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Seltsamkeitsoszillationen

• 1974 Geweniger et al.
• Messung von K0 ? pp Zerfällen
• untersuchte Lebensdauer 3.5 10-10 s 30
  10-10 s

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Seltsamkeitsoszillationen
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Seltsamkeitsoszillationen
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Seltsamkeitsoszillationen

• Umwandlung zwischen und? indirekte
  CP-Verletzung
• h (2,30 0,035) 10-3f- (49,4 1,0)
  Dm 0,53 1010 ?s-1 3,49 10-6 eV
  (Dm aus späterem Experiment)

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CP-Verletzung

• real beobachtbare Zustände
• CP-Verletzung auch im p0p0-Zerfall
• e beschreibt indirekte CP-Verletzung e
  beschreibt direkte CP-Verletzung
• Aktuelle Bestrebungen Messung von
• Messung von allen vier Zerfallsraten notwendig

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NA48 Experiment

• 1999 CERN
• Gleichzeitige Messung aller Zerfallsraten?
  Fehlerminimierung

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NA48 Experiment

• Protonenbeschuss von Beryllium erzeugt Kaonen
• KL-Target 126 m vor Zerfallsregion
• KS-Target 6 m vor Zerfallsregion
• Unterscheidung von Zerfall aus KL / KS durch
  Protonen-Tagging
• Untersuchung von 12 109 Kaonzerfällen(entsprich
  t 170 TB Rohdaten)
• Re(e/e) (15,22 3,87) 10-4

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Ursachen der CP-Verletzung

• Superschwache Theorie Kürzlich widerlegt!
• Idee Quarks mischen
• Analogie Leptonenzahlerhaltung pro Familie
• Keine Quarkfamilienerhaltung in der schwachen
  Wechselwirkung
• Umwandlungen außerhalb der Familien möglich!

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Ursachen der CP-Verletzung

• Konstruiere Familien, so dass Erhaltung pro
  Familie gilt
• Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix (CKM)

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Ursachen der CP-Verletzung

• Komplexe Elemente in VCKM erlauben
  CP-Verletzung
• T-Verletzung impliziert? CPT erhalten
• bisher Konsistenz? CP-Verletzung ist mit dem
  Standardmodell verträglich
• Vorhersage der dritten Quarkfamilie, da
  CP-Verletzung bei nur 2 Familien nicht erlaubt
  wäre

Vtd
Vtd
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Folgerungen

• Baryogenese im Universum Menge der Materie viel
  größer als Menge der Antimaterie
• CP-Verletzung gibt Umwandlungsrichtung vor
• Reicht jedoch als alleinige Erklärung nicht aus
• Erlaubt eindeutige Definition der LadungDie
  positive Ladung ist die Ladung des Leptons
  welches beim KL-Zerfall häufiger entsteht

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Aussichten

• Ähnliches Experiment zu NA48 KTeV am Fermilab?
  Diskrepanz der Ergebnisse (außerhalb der
  Messungenauigkeiten)Aber Beide messen
  CP-Verletzung
• Zerfall von B-MesonenMasse ( 5,3 GeV) 10x
  größer als Kaonen? Massendifferenz (Dm) größer?
  Oszillation besser zu beobachten
• BELLE _at_ KEK (Tsukuba)
• BABAR _at_ SLAC (Stanford)
• LHCb _at_ CERN (Genf)

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Quellen

• Einführung in die ElementarteilchenphysikDavid
  Griffiths, Akademie Verlag
• A new determination of the K0 ? pp- decay
  parametersGeweniger et. al. Physics Letters
  48B, 5, S. 487
• Measurement of the charge asymmetry in the
  decaysGeweniger et. al. Physics Letters 48B,
  5, S. 483
• HochenergiephysikDonald H. Perkins,
  Addison-Wesley
• Messung der direkten CP-Verletzung im System
  neutraler KaonenAndreas Peters, Universität
  Mainz, Dissertation 2002
• Violation of Particle Anti-particle
  SymmetryTatsuya Nakada, CERN Summer Student
  Lectures 2003
• CP-ViolationAndreas Meyer, DESY Summer Student
  Lectures 2003