Teilchenphysik mit h ¨ochstenergetischen Beschleunigern (Tevatron und LHC)

(1)

Beschleunigern (Tevatron und LHC)

V8: CP-Verletzung

4. Dezember 2007

Richard Nisius (MPP M ¨ unchen) nisius@mppmu.mpg.de

TU M ¨unchen, WS 07/08, S. Bethke und R. Nisius

(2)

Vorlesungsthemen

1. Einf ¨uhrung: Stand der Teilchenphysik 16.10.07 2. Teilchenphysik: offene Fragen und Projekte 23.10.07 3. Hadronenbeschleuniger: Tevatron und LHC 30.10.07 4. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (I) 06.11.07 5. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (II) 13.11.07 6. Trigger, Datennahme und Computing 20.11.07 7. Ereignisgeneratoren und Detektor Simulation 27.11.07

8. CP-Verletzung 04.12.07

9. QCD, Jets, Strukturfunktionen 11.12.07

10. Standard Modell Tests 18.12.07

. . .

11. Top-Quark Physik 08.01.08

12. Suche nach dem Higgs-Boson 15.01.08

13. Supersymmetrie 22.01.08

14. Andere Erweiterungen des Standard Modells 29.01.08 15. Ausblick & Zukunftsprojekte 05.02.08

(3)

Die C- und P-Transformationen - eine Erinnerung

−C und P sind die Operatoren der Ladungskonjugation und der Parit ¨atstransformation.

Sie ¨uberf ¨uhren Teilchen in Antiteilchen (C) und spiegeln die Ortskoordinaten (P).

−Die Operatoren C und P sind unit ¨ar, d.h. 1=UU^†mit U=C,P. Zweimalige Anwendung liefert den Ausgangszustand, U²|fi=|fi. Daraus folgt dann U⁻¹=U=U^†.

−Die Eigenwerte zu C und P sind multiplikative Quantenzahlen.

−F ¨ur Fermionen und Antifermionen definiert man: C|fi ≡ |¯fi und C|¯fi ≡ |fi.

−Un Zust ände ohne flavour-Quantenzahl k önnen Eigenzust ände zum Ladungs- operator sein, z.B. C|π⁺π⁻i= (−1)²|π⁻π⁺i und C|π⁰π⁰i=1²|π⁰π⁰i.

−F ¨ur Fermionen und Antifermionen definiert man: P|fi ≡ |fiund P|¯fi ≡ −|¯fi.

−F ¨ur Spin 0 Mesonen folgt: P|qq¯i=1·(−1)·(−1)^`|qq¯i=−|q¯qif ¨ur `=0.

−Wenn C und P Erhaltungsgr ¨oßen sind, gilt: [S,C] =0 , [S,P] =0 und [S,CP] =0.

−Die ¨Ubergangsamplitude ist:hf|S|ii=hf|(CP)^†(CP)S(CP)^†(CP)|ii.

BeiCP-ErhaltungundEigenzust ¨andenfolgt:hf|S|ii=η_CP(f)η_CP(i)hf|S|ii.

Das heisst, bei CP-Erhaltung haben entweder|iiund|fiidentische CP-Eigenwerte, oder die Amplitudehf|S|iimuss verschwinden.

S. Bethke, R. Nisius WS 07/08 V8 4. Dezember 2007 Richard Nisius 3

(4)

Der Cabibbo-Winkel

−Teilchen-Dubletts:

„ νe

e⁻

« ,

„ νµ

µ⁻

« und

„ u d

« ,

„ c s

« .

−Die W-Bosonen vermitteln die ¨Uberg ¨ange in den Familien, z.B.:

µ νµ

W

νe

e

−Das erkl ¨art den Zerfall π⁺→µ⁺νµals u→d Ubergang,¨

d¯ π⁺

u W

µ νµ

aber f ¨ur K⁺→µ⁺νµ

alsou→s ist dann kein Platz.

¯s K⁺

u W

µ νµ

−Der Ausweg: Die W-Bosonen koppeln nicht an die Flavour-Eigenzust ände, z.B. d , sondern an die Eigenzust ände zur schwachen WW, z.B. d⁰, die durch eine unit äre Transformation aus den Flavour-Eigenzust änden erzeugt werden:

„ d⁰ s⁰

«

=V

„ d s

«

=

„ cosθ_C sinθ_C

−sinθC cosθC

« „ d s

«

- 6

@

@ I

d

s d⁰

s⁰

θC

−Das gibt Kopplungen proportional zucosθCf ¨uru→dundsinθCf ¨uru→s, und damit

σ(K⁺→µ⁺νµ)

σ(π⁺→µ⁺ν_µ) ≈tanθC, was experimentell mit sinθC=0.2257±0.0021 gut best ¨atigt ist.

Die Mischung der Quarks erh ¨alt die Universalit ¨at der schwachen Wechselwirkung.

(5)

Die CP-Verletzung und die CKM-Matrix

−Die CKM-Matrix 0

@ d⁰ s⁰ b⁰

1 A=V·

0

@ d s b

1 A=

0

@

Vud Vus Vub

Vcd Vcs Vcb

Vtd Vts Vtb

1 A·

0

@ d s b

1 Arotiert

die down-type Quarks.

−Die CKM-Matrix hat 4 reelle Parameter, (4=18−9[V^†V =1]−5[Quarkphasen]), z.B.

sinθC=λ,A, ρ, η. Eine Rotation hat drei relle Winkel⇒Es gibt eine komplexe Phase.

−Es l ¨asst sich zeigen, dass im Standardmodell CP-verletzende Amplituden proportional zu JCP=|Im(VmoV_ml^∗V_ko^∗Vkl)|, mit m6=k,o6=l sein m ¨ussen.

−Dieses Produkt ist die doppelte Fl äche des Dreiecks mit den Seiten VmoV_ml^∗ und VkoV_kl^∗. CP-Verletzung ist also mit nicht verschwinden Fl ächen der Unitarit ätsdreiecke verbunden.

−In der Wolfenstein-Parametrisierung bedeutet dies, dassη6=0 sein muss.

−Die Dreiecke sehen sehr verschieden aus, haben aber alle die gleiche Fl ¨ache.

0=V_us^?Vud+V_cs^?Vcd +V_ts^?Vtd mit 0=O(λ¹) +O(λ¹) +O(λ⁵).

0=V_ub^?Vud+V_cb^?Vcd +V_tb^?Vtd mit 0=O(λ³) +O(λ³) +O(λ³).

0=V_ub^?Vus+V_cb^?Vcs+V_tb^?Vts mit 0=O(λ⁴) +O(λ²) +O(λ²).

Die verschiedenen Formen haben Auswirkungen auf die Gr ¨oße der CP-verletzenden Effekte.

(6)

Die Wolfenstein-Parametrisierung

−Da cosθ13≡c13sehr nahe an 1 ist, so dass 1−c13<10⁻⁵ergibt sich:

V = 0

@

c₁₂ s₁₂ s₁₃e^−iδ¹³

−s₁₂c₂₃−c₁₂s₂₃s₁₃eîδ¹³ c₁₂c₂₃−s₁₂s₂₃s₁₃eîδ¹³ s₂₃ s₁₂s₂₃−c₁₂c₂₃s₁₃eⁱ^δ¹³ −c₁₂s₂₃−s₁₂c₂₃s₁₃eîδ¹³ c₂₃

1 A

−Ansatz:sinθ12≡s₁₂=sinθC=λ, s₂₃=Aλ², s₁₃=Aλ³p ρ²+η², wobei tanδ13= ^η_ρ ist, und A=O(1)undp

ρ²+η²=O(1).

−Benutze: e^±iδ¹³=cosδ13±i sinδ13, cij =q

1−s²_ijund entwickle inλ:

p1−λ²=1−¹₂λ²−¹₈λ⁴, p

1−A²λ⁴=1−¹₂A²λ⁴

−e^−iδ¹³ =cosδ13(1−i tanδ13) = ^cos_ρ^δ¹³(ρ−iη)

−Aλ³p

ρ²+η²=Aλ³ρ q

1+tanδ²₁₃=Aλ³_cos^ρ_δ

13

ff

s₁₃·e^−iδ¹³ =Aλ³(ρ−iη)

−Entwickeln und Einsetzen der Terme liefert die Wolfenstein-Parametrisierung

V=

0 B

@

1−¹₂λ²−¹₈λ⁴ λ Aλ³(ρ−iη)

−λ+¹₂A²λ⁵[1−2(ρ+iη)] 1− ¹₂λ²− ¹₈λ⁴(1+4A²) Aλ² Aλ³[1−(1−¹₂λ²)(ρ+iη)] −Aλ²+¹₂Aλ⁴[1−2(ρ+iη)] 1−¹₂A²λ⁴

1 C A+O(λ⁶)

Bei der Analyse der CKM-Matrix wird diese Parametrisierung h ¨aufig verwendet.

(7)

Von der CKM-Matrix zum Unitarit ¨atsdreieck

−Unitarit ¨at: V^†V= 0

@

V_ud^? V_cd^? V_td^? V_us^? V_cs^? V_ts^? V_ub^? V_cb^? V_tb^?

1 A

0

@

Vud Vus Vub

V_cd Vcs V_cb Vtd Vts Vtb

1 A=

0

@

1 0 0

0 1 0

0 0 1

1 A

−Die Darstellung einer Unitarit ¨atsbedingung z.B.

V_3k^?Vk 1=0=V_ub^?Vud+V_cb^?Vcd+V_tb^?Vtd

in der komplexen Zahlenebene liefert ein

Unitarit ¨atsdreieck. C B

A

VudV *

ub V

tdV * tb

V_cdV *_cb α

β γ

−In der Wolfenstein-Parametrisierung, entwickelt bisO(λ⁵), lautet diese Unitarit ¨atsbedingung:

Aλ³( ¯ρ+iη)¯ −Aλ³+Aλ³(1−ρ¯−iη)¯ =0

−Normiert man V_cb^?Vcd =Aλ³auf 1 so folgt:

( ¯ρ+iη)¯ +(1−ρ¯−iη)¯ −1=0

¯

ρ=ρ(1− ¹₂λ²)

¯

η=η(1− ¹₂λ²)

H H H H

H H H j

C B A

VudV *

ub V

tdV * tb

VcdV * cb α

β γ

C =(0,0) A =(ρ,η)

B =(1,0) α

γ β Bei CP-Erhaltung sind die Dreiecksfl ¨achen Null.

(8)

Die drei m ¨ oglichen Arten von CP-Verletzung im Standardmodell

−Im Standardmodell gibt es drei M ¨oglichkeiten zum Auftreten von CP-verletzenden Phasen:

1) CP-Verletzung im Zerfall von Teilchen, z.B. im Zerfall K1→2π.

Dies wird auch direkte CP-Verletzung genannt,η_CP(K1)6=η_CP(2π).

2) CP-Verletzung in Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen z.B. in B⁰↔B⁰- Oszillationen.

Dies wird auch indirekte CP-Verletzung, oder CP-Verletzung in der Mischung, genannt.

3) CP-Verletzung durch eine Interferenz von Oszillations- und Zerfallsamplituden, z.B. in der Reaktion B⁰B⁰→J/ψK_S+Xflav.

−Historisch erfolgte zuerst die Entdeckung der CP-Verletzung im Kaon-System durch Christenson, Cronin, Fitch und Turlay (1964).

−Danach wurde das Kaon-System mit großer Pr ¨azision vermessen. Die Experimente NA48 am CERN und KTeV am FermiLab haben die CP-Verletzung sowohl in K⁰↔K⁰Oszillationenals auchin der Interferenzeindeutig nachgewiesen.

−Heute konzentriert man sich auf das System der neutralen B-Mesonen, bei dem die CP-verletzenden Effekte wesentlich gr ¨oßer sind.

−Die Experimente BaBar am SLAC und Belle bei KEK haben die CP-Verletzung im B⁰B⁰- Systemin der Interferenz B⁰→J/ψK_Sundim Zerfall B⁰→Kπnachgewiesen.

−Die Tevatron Experimente CDF und D0 untersuchen die CP-Verletzung im B⁰_sB_s⁰-System.

Die Verifizierung der CKM-Phase als Hauptquelle der CP-Verletzung dauerte etwa 30 Jahre.

(9)

CP-Verletzung und pseudoskalare Mesonen

f_CP

−Man studiert die ¨Uberg ¨ange pseudoskalarer Mesonen P⁰in CP-Eigenzust ¨ande f_CP.

−Die Transformationseigenschaften sind:

CP|P⁰i=−|P⁰i und CP|P⁰i=−|P⁰i.

−Das bedeutet, dass weder|P⁰inoch|P⁰i ein CP-Eigenzustand ist.

−Die Linearkombinationen:

|P1i= ^√¹

2

“p|P⁰i+q|P⁰i”

und |P2i= ^√¹

2

“p|P⁰i −q|P⁰i”

mit p,q∈C sind CP-Eigenzust ¨ande falls p=q=1⇒ CP|P1i=−|P1i, und CP|P2i=|P2i.

−Variablen sind:∆m=m_P₁−m_P₂ >0, ∆Γ = ΓP₁−ΓP₂ und Γ = ¹₂(ΓP₁+ ΓP₂).

−Zum Auftreten der CP-Verletzung braucht man die Interferenz zweier ¨Ubergangs- Amplituden: 1) Im Zerfall: |^A

A| ≡ |^A¹^+A²

A₁+A₂| 6=1, mit Ai ≡ hfCP|S_i|P⁰i.

2) In der Oszillation: |^p_q| 6=1.

3) Interferenz zwischen Oszillation und Zerfall: Im[Λ] =Imh_p

q A A

i6=0.

Alle drei Spielarten der CP-Verletzung wurden experimentell untersucht.

(10)

Die Entdeckung der CP-Verletzung - das Experiment

−Am Brookhaven AGS Beschleuniger wurde 1964 ein 30 GeV p Strahl auf ein Be-Target geschossen. Der Strahl neutraler Kaonen wurde unter 30^◦zum p-Beam extrahiert.

−Im Experiment von Cronin, Fitch et al.

wurde der Zerfall KL→π⁺π⁻mit einer Rate von(2.0±0.4)·10⁻³gemessen.

|K⁰i=|u¯si

−Dies ist die CP-Verletzung in der Mischung:

|K_Li= √ ¹

2(1+||²)

h

(1+)|K⁰i+ (1−)|K⁰ii

|KSi= √ ¹

2(1+||²)

h

(1+)|K⁰i −(1−)|K⁰ii

−Dies bedeutet, dass das KLmit einem kleinen Anteilin 2πzerfallen darf. Die zwei Amplituden sind 2π(I =0)und 2π(I =2).

−Der Preis 1980

Dies war der Start zu 30 Jahren Messung der CP-Verletzung.

(11)

Der asymmetrische e

⁺

e

⁻

Beschleuniger PEPII am SLAC

9.44 9.46

Mass (GeV/c²)

0 5 10 15 20 25

σ (e+e-→ Hadrons)(nb)

ϒ(1S)

10.00 10.02 0

5 10 15 20 25

ϒ(2S)

10.34 10.37 0

5 10 15 20 25

ϒ(3S)

10.54 10.58 10.62 0

5 10 15 20 25

ϒ(4S) MB⁰+B⁰ =10.559GeV

-

PEP-II KEK-B E_e+[GeV] 3.1 3.5 E_e−[GeV] 9.0 8.0 L_int[fb⁻¹] 460 710 B⁰B⁰[10⁶] 380 535

(12)

CP-Verletzung im B-System

J/ψ→e⁺e⁻, µ⁺µ⁻ KS→2π η_CP(J/ψK_S) =−1 B⁰=|¯bdi

−Im Zerfall B⁰(B⁰)→f mit f = J/ψK_Sgibt es nur eine Zerfallsamplitude ⇒|^A_A|=1und nur eine Oszillationsamplitude ⇒|^p_q|=1, also ist |Λ|=|^p_q^A_A|=1, und nur die Interferenz Im[Λ] =Imh_p

q A A

i6=0 induziert die CP-Verletzung.

−Dies f ¨uhrt zu einer zeitabh ¨angigen Asymmetrie: Af(t) = ^Γ

“ B⁰→f”

−Γ“ B⁰→f” Γ“

B⁰→f”

+Γ(^B⁰^→f)

−Af(t) = ^2Im[Λ]_1+|Λ|₂sin(∆mdt)−^1−|Λ|²

1+|Λ|² cos(∆mdt) =Im[Λ]sin(∆mdt), f ¨ur|Λ|=1.

−Da Λ =η_CP(f)“_V? tbV_td V_td^?V_tb

” “_V? cdV_cb V_cb^?V_cd

”

=η_CP(f)e^−2iβ folgt Im[Λ] =−η_CP(f)sin 2β

A_f(t) =−η_CP(f)sin 2βsin(∆mdt)

−In der Wolfenstein-P. gilt: sin 2β= ^2¯^η^(1−¯^ρ)

¯

η²+(1−¯ρ)².

C B A

VudV *

ub V

tdV * tb

VcdV * cb α

γ β

−Aus ∆md=3.3·10⁻⁴eV folgt Tosz=12.4 ps.

Ein klarer Kanal mit geringer theoretischer Unsicherheit.

(13)

Die Rekonstruktion der Ereignisse

−Auf derΥ(4S)Resonanz wird zur Zeit t=0 ein koh ¨arenter B⁰B⁰-Zustand erzeugt.

−Falls zur Zeit t ein B-Meson als B⁰ erkannt wirdmussdas andere B- Meson ein B⁰sein, und umgekehrt.

−Zur Zeit t=ttagwird die flavour eines B-Mesons im Zerfall be- stimmt, z.B. als B⁰durch Leptonen aus¯b→c W¯ ⁺und W⁺→`⁺ν.

@

−Zur Zeit t=trecwird der Zerfall des anderen B-Mesons in einen CP-Eigenzustand, z.B.J/ψK_S, vollst ¨andig rekonstruiert.

βγ=0.56

τB=1.548±0.03 ps

−Die r ¨aumliche Differenz: ∆z=βγc∆t (∆z≈250µm, f ¨ur ∆t=τB), wird in eine Zeitdifferenz ∆t=ttag−trec= _βγc^∆z umgerechnet, die mit einer Genauigkeit von etwaσ∆t =1.1 ps gemessen wird.

Durch den asymmetrischen Beschleuniger wird die Zerfallsl ¨ange im Detektor gestreckt.

(14)

Das B

_s⁰

B

_s⁰

-System an Hadronbeschleunigern

−Das B⁰_sB_s⁰-System ist zu schwer, um bei KEK/SLAC produziert zu werden.

Dies ist eine Dom ¨ane der Hadronbeschleuniger.

−Dort untersucht man das B_s⁰B⁰_s-System auf Oszillationen und CP-Verletzung. Analog zum B⁰B⁰-System muss man die Flavour bei der Erzeugung und beim Zerfall bestimmen.

B⁰_s





























B¯⁰_s





























b s

t,c,u t,c,u

s b

W

Vts Vts^?

B⁰_s





























B¯⁰_s





























b ^t,c,u s

t,c,u

s b

W W

Vts

V^?ts −Die Oszillationen sind proportional zu:

cos(∆m t) =cos(2π_T^t

Osz)

PDG 2007 K⁰ B⁰ B⁰_s

m [MeV] 497.648±0.022 5279.5±0.5 5364.4±1.1

∆m [~/ps] 0.005290±0.000015 0.507±0.005 17.77±0.12

∆m/m [10⁻⁹] 6.99 63.2 2180

T_Osz[ps] 1188 12.39 0.35

¯

τ[ps] 25500±210 1.530±0.009 1.425±0.0041

∆τ[ps] 50900±210 - 0.173

∆τ /¯τ 1.996 - 0.12

Das Prinzip ist gleich, die Ph ¨anomenologie aber sehr stark verschieden.

(15)

Messung der verschiedenen Zerfallskan ¨ale in CDF

Der semileptonische Kanal

2] mass [GeV/c -l-

π+

φ

3 4 5

2candidates per 35 MeV/c

0 500 1000 1500 2000 data

fit signal 0 Bs

false lepton & physics comb. bkg.

2] mass [GeV/c -l-

π+

φ

3 4 5

2] mass [GeV/c π+ φ1.94 1.96 1.98 2.00 2cand. per 1 MeV/c

0 1000 2000 3000 4000

2] mass [GeV/c π+ φ1.94 1.96 1.98 2.00

−Im Zerfall B⁰_s→D_s⁺(Φπ⁺)`⁻ν`tr ägt das Neutrino Information davon. Das f ührt zu einer schlechten Massen- und Impulsaufl ösung

Die hadronischen Kan ¨ale

2] mass [GeV/c π-

+- π φ

5.2 5.4 5.6 5.8

2 candidates per 10 MeV/c

0 100 200 300 400

data fit

/K- π- + Ds

→ 0 Bs

/K- π-

*+

Ds

→ 0 Bs

ρ- + Ds

→ 0 Bs

+X Ds

→ b

π- D+

→ B0

π- + Λc

→ 0 Λb comb. bkg.

2] mass [GeV/c π-

+- π φ

5.2 5.4 5.6 5.8

CDF Run II Preliminary L = 1.0 fb-1

−Der vollst ¨andige Vermessung der hadronischen Zerf ¨alle mit D⁺_s →Φπ⁺ist wesentlich genauer.

Die hadronischen Kan ¨ale sind wesentlich besser gemessen.

(16)

Impuls- und Zerfallsl ¨angenmessung

Die G ¨ute der Impulsbestimmung

Bs

/pT Reconstructed

= pT

κ

0.4 0.6 0.8 1.0

probability density

5 10

ν

(*) l Ds

→

0

Bs

all

3.1 GeV/c2 l≤

Ds

2.0 < m

4.5 GeV/c2 l≤

Ds

4.3 < m

5.1 GeV/c2 l≤

Ds

4.9 < m π

*

Ds

→

0

Bs

ρ Ds

→

0

Bs

CDF Run II

Bs

/pT Reconstructed

= pT

κ

0.4 0.6 0.8 1.0

−Bei den semileptonischen Kan ¨alen ist, durch das Neutrino, h ¨aufig ein großer Teil des B_s⁰Impulses unsichtbar.

Die Zerfallszeitaufl ¨osung

Proper decay time [ps]

0 1 2 3

Proper decay time resolution [fs]

0 200 400 600 800

sπ

→ D 0 Bs

sρ π / D

* Ds

→ 0 Bs

5.1 GeV/c2 l≤ Ds

, 4.9 < m ν (*) l Ds

→ 0 Bs

4.5 GeV/c2 l≤ Ds

, 4.3 < m ν (*) l Ds

→ 0 Bs

3.1 GeV/c2 l≤ Ds

, 2.0 < m ν (*) l Ds

→ 0 Bs

CDF Run II

−Im besten Kanal D⁺_sπist die Aufl ¨osung etwa 100 fs und beinahe unabh ¨angig von der Zerfallszeit, ct = ^m(B⁰^s⁾

pt(B_s⁰). Die genaue Kontrolle der Impuls und Zeitaufl ¨osungen ist sehr wichtig.

(17)

Die Amplitudenanpassung

Amplitude als Funktion von∆ms

-1] s [ps

∆m

0 5 10 15 20 25 30 35

Amplitude

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

0.49

±

=17.75)=0.86 ms

∆ A(

CDF Run II Preliminary L = 1.0 fb^-1

semileptonisch

−Bestimme die Amplitude A f ¨ur festes∆ms.

−Falls vertr ¨aglich mit A=1 aber nicht mit A=0, ist dies ein klarer Hinweis auf Oszillationen.

-1] s [ps

∆m

0 5 10 15 20 25 30 35

Amplitude

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

σ

± 1 data

σ 1.645

± data

(stat. only) σ 1.645

± data

95% CL limit sensitivity

17.2 ps-1 31.3 ps-1

kombiniert

−Bester Fit f ¨ur:∆ms= (17.77±0.1±0.07)/ps

−Mit∆md = (0.507±0.005)/ps, m(B⁰)/m(B⁰_s)=0.8390 undξ=1.210^+0.047_−0.035folgt:

|^V_V^td

ts|=ξ r

∆m_d

∆m_s m(B_s⁰)

m(B⁰) =0.2060±0.0007⁺₋^0.0081_0.0060

-1] s [ps

∆m

0 5 10 15 20 25 30 35

likelihood ratio

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

combined semileptonic hadronic

σ 5

Die Signifikanz der Messung

−log“_L(A=0)

L(A=1)

”

=-15

⇔ P=5.7·10⁻⁷=5σ f ¨ur Zufallsergebnis ohne Oszillationen

B⁰_sB⁰_s-Oszillationen sind damit zweifelsfrei nachgewiesen .

(18)

Die Verifikation der Oszillation

[ps]

m

s

∆ π / Decay Time Modulo 2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Fitted Amplitude

-2 -1 0 1 2

data

cosine with A=1.28

−Die angepassten Amplituden in Inter- vallen der Zerfallszeit im Ruhsysytem der B⁰s(Bs⁰), modulo der gemessenen Periode von T = _∆m^2π

s, ergeben einen Kosinus-Verlauf.

Die Daten zeigen ein sehr klares Oszillationssignal.

(19)

Suche nach CP-Verletzung im Zerfall B

_s⁰

→ J/ψΦ

Signal und Untergrund

Mass (GeV) 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 2Candidates per 10.0 MeV/c

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Data Total Fit Prompt Bkg non-Prompt Bkg φ

ψ

→ J/

0

Bs

DØ , 1.1 fb-1

−Das Signal B_s⁰→J/ψ(µ⁺µ⁻)Φ(K⁺K⁻) hatηCP=1 undηCP=−1 Anteile.

−Der Untergrund kommt vonJ/ψvom prim ären Zerfallspunkt (prompt) oder J/ψaus B-Hadron Zerf ällen ( non-prompt), plus Zufallsspuren f ür dasΦ.

Die Zerfallsl ¨angenverteilung

ct (cm) -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

mµCandidates per 25.0

10-1 1 10 102 103

φ ψ

→ J/

0

Bs Mass 5.26 - 5.46 GeV

DØ , 1.1 fb-1 Data

Total Fit Total Signal CP-even CP-odd Background

−ct= ^m(B

0 s)

p_t(B⁰_s)undσ(ct) =25µm

−Die Zerfallsl ¨angenverteilung ist sensitiv auf die Zerfallsbreitendifferenz∆Γund die PhaseΦszwischen denηCP=1 undηCP=−1 Zust ¨anden.

Eine komplizierte Messung von Winkeln in verschiedenen Bezugssystemen ist n ¨otig.

(20)

Die CP-verletzende Phase Φ

_s

Zerfallswinkel imΦ-Ruhsystem

ψ) Cos(

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Events per 0.20

0 50 100 150 200

250 Data

Total Fit Total Signal Background

Fit prob: 95.9 %

φ ψ

→ J/

0

Bs

) <5.46 GeV 5.26< M(Bs

(ct) > 5 σ ct/

DØ , 1.1 fb-1

K+ K−

J/Ψ

Φ Ψ

−Der Untergrund hat keine Winkelkorrelation.

−Die Anpassung an die Massen-, sowie Zerfallsl ¨angen- and dreier Winkelverteilungen liefert das Resultat f ¨urΦsund∆Γ.

Phase versus Zerfallsbreitendifferenz

(radians) φs

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

(1/ps) Γ∆

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

φ ψ

→ J/

0

Bs

DØ , 1.1 fb-1

s)| φ |cos(

SM× Γ

∆ Γ =

∆

SM

−SM Vorhersage:Φ^SM_s =−0.037 ±0.02

∆Γ^SM= (0.10 ±0.03)/ps

−Messwerte:Φs=−0.79±0.56 und

∆Γ = (0.17 ±0.09 ±0.02)/ps

Ein noch nicht signifikanter Hinweis auf CP-Verletzung im B_s⁰B_s⁰-System.

(21)

Das LHCb Experiment

O. Schneider, Nov 14, 2007

EuroFlavour 07, Orsay 4

LHCb spectrometer

VELO

VELO: Vertex Locator (around interaction point) TT, T1, T2, T3: Tracking stations

RICH1–2: Ring Imaging Cherenkov detectors ECAL, HCAL: Calorimeters

M1–M5: Muon stations

proton beam proton

beam

Dipole magnet 1.9 << 4.9 or

15 << 300 mrad

~1 cm B

Important requirements:

—Excellent tracking

—Particle identiﬁcation (p/K//μ/e)

—Flexible and efﬁcient trigger

Ahnlich eines Fixed-Target Experimets wird nur die Physik in Vorw ¨artsrichtung untersucht.¨