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Die experimentelle Untersuchung der

CP-Verletzung(Verletzung der Ladungs-Paritäts-Symmetrie)

Manfred Jeitler

Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

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Fundamentale Symmetrien

Fundamentale Symmetrieoperationen in der Teilchenphysik:

• Parität (Raumspiegelung P)

• Teilchen-Antiteilchen-Austausch (Ladungskonjugation C)

• Zeitumkehr (T)

Je nach der Art der Wechselwirkung kann das Resultat einer solchen Transformation einen mit derselben Wahrscheinlichkeit auftretenden physikalischen Zustand beschreiben (“die Symmetrie ist erhalten”) oder nicht (“die Symmetrie ist gebrochen”).

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Sind Elementarteilchen völlig symmetrisch ?

e

Sind Elementarteilchen bloß eine Art kleiner Billiardkugeln?

Gibt es hier Platz für eine Asymmetrie im Raum oder in der Zeit?

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Neutrinos

P

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Neutrinos und Antineutrinos

P C CP

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Neutrinos und Antineutrinos

Parität

ChargeLadungskonjugation:Austausch von Teilchen und Antiteilchen

Parität

ChargeCP CP

linkshändigesNeutrino

rechtshändigesNeutrino

rechtshändigesAntineutrino

X

P C CP

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Neutrinos und Antineutrinos

Parität

ChargeLadungskonjugation:Austausch von Teilchen und Antiteilchen

CP

linkshändigesNeutrino

rechtshändigesNeutrino

rechtshändigesAntineutrino

XBei Neutrinos sind P und C „maximal verletzt“ aber die kombinierte PC Symmetrie ist erhalten:

P C CP

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CP-Eigenwert man kann Teilchen einen

„CP-Eigenwert“ zuordnen– wie Ladung, Masse usw.

dieser ist multiplikativ:– CP () = -1

– CP () = +1

es gibt 2 Arten von „neutralen K-Mesonen“

– das (längerlebige) K0L zerfällt in

3 -Mesonen

– das (kürzerlebige) K0S zerfällt in

2 -Mesonen

K0L und K0

S unterscheiden sich durch CP-Eigenwert!

CP(K0L) = -1

CP(K0S) = +1

K0L

K0S

CP = -1CP = -1

CP = +1 CP = +1

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CP-Verletzung

K0L

K0S

K0L

CP = -1CP = -1

CP = +1 CP = +1

CP = -1

CP = +1

1964: manchmal (0.3 %) auch

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Die 4 grundlegenden Wechselwirkungen

Gravitation

Starke Wechselwirkung

Elektromagnetismus

Schwache Wechselwirkung

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Symmetrieerhaltung

C P CP T CPT

Gravitation

Elektromagnetismus

Starke Wechselwirkung

Schwache Wechselwirkung X X x x

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Materie im Universum („Baryogenese”)

Beim Urknall entstanden gleiche Mengen von Teilchen und Antiteilchen.

Heute aber besteht das Universum großteils aus Materie, nicht aus Antimaterie. Wohin ist die Antimaterie verschwunden? Wieso gibt es uns überhaupt noch?

Die CP-Verletzung ist eine wichtige Bedingung für diese “Baryon-Asymmetrie” (Sakharov, 1965).

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Zustandsmischung („indirekte CP-Verletzung“) und „direkte CP-Verletzung“

KS K1 + K2KS K1 + K2

CP+ CP-

’<<direkt

CP+CP-

KL K2 + K1KL K2 + K1

K1 : CP = +1K1 : CP = +1

K2 : CP = -1K2 : CP = -1

CP+

indirektCP-erhaltend

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Theoretische Modelle

das “superschwache” Modell– führt eine fünfte Kraft ein – der Effekt wäre nur bei neutralen K-Mesonen zu sehen– würde nur in der Zustandsmischung, nicht aber in den Zerfallsamplituden

auftreten (nur „indirekte“, aber keine “direkte” CP-Verletzung)

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das CKM-Modell– Phase im Standardmodell mit drei „Generationen“ von Teilchen– “direkte” CP-Verletzung in Zerfallsamplitude vorhergesagt– viel “eleganter” als das “superschwache” Modell – aber man muss beweisen,

dass es stimmt! Suche nach der direkten CP-Verletzung

Theoretische Modelle

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Das „Standardmodell“ mit drei „Generationen“ von Teilchen

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Direkte CP-Verletzung: die Jagd nach dem ’

KS K1 + K2KS K1 + K2

CP+ CP-

’<<direkt

CP+CP-

KL K2 + K1KL K2 + K1

K1 : CP = +1K1 : CP = +1

K2 : CP = -1K2 : CP = -1

CP+

indirektCP-erhaltend

seit langem bekann: direkte CP-Verletzung << Zustandsmischung (indirekte CP-Verletzung) ’ << , die direkte CP-Verletzung ist ein „kleiner

Effekt 2. Ordnung“ wichtige Frage: gibt es die direkte

CP-Verletzung ? welches theoretische Modell ist das richtige ?

– „experimentum crucis“

nur indirekt Effekt gleich für+- und 00 !

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Direkte CP-Verletzung: die Messung von Re ’/

Experiment NA48 am CERN (Genf)

kleiner Effekt

benötige hohe Genauigkeit

relative Messung !

KS

KS

“häufig”

KL

KL

“selten”

( )( )

( )( ) ( )

′−≅

→Γ→Γ

→Γ→Γ

= −+

−+

Re61/00

00

S

L

S

L

K

K

K

KR /

Messung des Doppelverhältnisses:

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Gleichzeitige Messung von KL und KS

Die Strahlen neutraler K-Mesonen bei NA48

Tagging-Detektor

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Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen -Zerfällenund -Zerfällen)

• Spektrometer (bestehend aus 4 Driftkammern und einem Magneten) und Hadronkalorimeter zur Messung von -Zerfällen

• elektromagnetisches Flüssig-Krypton-Kalorimeter zur Messung von -Zerfällen

• Hodoskop für genaue Zeitmessung

• Myondetektor zur Unterdrückung von Untergrund

Der Detektor des Experimentes NA48

Strahl

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Gleichzeitige Messung von geladenen und neutralen -Mesonen

K204K204

K+-K+-

UntergrundUntergrund

Spektro-meter

elektro-magnetischesKalorimeter

Hadron-kalorimeter

Myon-detektor

Strahl

Der Detektor des Experimentes NA48

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Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter

• Messung der Zerfälle von K-Mesonen in neutrale Teilchen (Kmit elektromagneti-schem Kalorimeter

• gefüllt mit 9 m3

flüssigem Krypton

• sehr gute Energie-, Orts- und Zeitauflösung

• Elektronik für Entscheidungslogik („Trigger“) in Wien entwickelt und gebaut

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„Tagging”-Detektor zur Identifizierung der KS -Mesonen

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Beitrag der Wiener Gruppe zu NA48 Trigger für K0 0 0 Ereignisse

– K0L 0 0 ist der seltenste der vier betrachteten Zerfallskanäle

– Triggerelektronik wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut

– Installation, Betrieb, Analyse der Effizienz

„Tagging” („Markierung”) der KS-Zerfälle– Zerfälle mit Proton in dem auf das “nahe” Target gerichteten Strahl werden als

“KS” markiert

– Elektronik des Tagging-Detektors wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut

– Installation, Betrieb, Analyse von Ineffizienz (KS KL) und Fehlmarkierung (KL KS)

zentrales Zeitgebersystem– Verwendung derselben “Uhr” für Tagging-Detektor und Haupt-Detektor

(> 200 m Abstand)

– Elektronik des Zeitgebersystems wurde von unserer Elektronikgruppe gebaut

– Installation, Betrieb, Analyse der Stabilität

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Mitglieder der Wiener Gruppe

Anton Taurok, Herbert Bergauer, Michael Padrta, Kurt Kastner (Elektroniklabor 1)

Manfred Pernicka, Helmut Steininger, Siegfried Schmid, Josef Pirker (Elektroniklabor 2)

Ivan Mikulec, Günther Neuhofer, Heinz Dibon, Manfred Markytan (Physiker)

Günther Fischer, Laurenz Widhalm (Studenten)

viele Sommerstudenten

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Das Ergebnis unserer Messung

gäbe es nur indirekte CP-Verletzung: Erklärung durch “superschwaches Modell” wäre möglich (Einführung einer “fünften Wechselwirkung”)

gibt es auch direkte CP-Verletzung: Erklärung nur durch “Standardmodell”

experimentelles Resultat:

direkte CP-Verletzung beobachtet

- Re (’/) = (1.66 0.26) 10-3

“superschwaches Modell” ausgeschlossen !

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Heutiger Wissenstand

durch die Beobachtung der “direkten CP-Verletzung” wurde die Erklärung der CP-Verletzung im Rahmen des „Standardmodells“ mit drei Generationen von Teilchen bestätigt und das Modell der „superschwachen Wechselwirkung“ widerlegt

die bekannten CP-verletzenden Effekte sind zu schwach, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum zu erklären

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Ausblick

die weitere Erforschung der CP-Verletzung erfolgt nunmehr großteils mit so genannten „B-Mesonen“ – Teilchen, die ein „bottom“-Quark enthalten

diese Untersuchungen finden bei den „B-Fabriken“ in Japan und den USA sowie am neuen „Large Hadron Collider“ in Genf statt