Niezachowanie CP najnowsze wyniki

Transkrypt

1 Niezachowanie CP najnowsze wyniki Dlaczego łamanie CP jest ważne asymetria barionowa we Wszechświecie Łamanie CP w sektorze mezonów dziwnych Łamanie CP w sektorze mezonów pięknych

2 Asymetria barionowa we Wszechświecie Teoria i doświadczenie wymagają, aby cząstki (naładowane) występowały w parach cząstka-antycząstka. W modelu wczesnego Wszechświata cząstki powstają i znikają parami: kreacja i anihilacja par. Jednak obserwacje wskazują, że Wszechświat jest zdominowany przez bariony (brak antybarionów). Obserwacje są oparte na procesie anihilacji: + p+ p π + π + π γ + γ Np. gdyby w układzie słonecznym były ciała z antymaterii, to każde oddziaływanie cząstek wiatru słonecznego prowadziłoby do obserwacji kwantów gamma o energiach kilkuset MeV. Ale nie obserwuje się.

3 Asymetria barionowa we Wszechświecie Inne obserwacje: Promienie kosmiczne niosą informacje z całej Galaktyki: jedyne obserwowane antycząstki to antyprotony, w ilości oczekiwanej z oddziaływań wtórnych protonów z gazem międzygwiezdnym. Obserwacje gamm z naszej Galaktyki prowadzą do ograniczenia: Dla klastrów galaktyk ta granica to: B B < 10 5 B B < 10 Obserwowana we Wszechświecie gęstość barionów w przeliczeniu na 1 foton tła mikrofalowego: N B 9 10 A tymczasem zakładając symetryczny wczesny Wszechświat uzyskuje się ograniczenie (z Modelu Stand) N γ N B N γ <

4 Asymetria barionowa warunki Sacharowa W 1967 Sacharow zaproponował następujące warunki do uzyskania obserwowanej asymetrii barionowej z idealnie symetrycznego wczesnego Wszechświata: Możliwe są oddziaływania łamiące zachowanie liczby barionowej Symetria CP NIE jest zachowana (stosunki rozgałęzień dla rozpadów cząstek i antycząstek są różne) Procesy łamiące B i CP następują w fazie ewolucji Wszechświata przed osiągnięciem równowagi termodynamicznej (<10-35 s) Żeby wytłumaczyć asymetrię barionową trzeba dobrze zrozumieć łamanie symetrii CP Więcej o wczesnym Wszechświecie w jednym z następnych wykładów.

5 Niezachowanie CP dla mezonów K Jakie jest źródło łamania symetrii CP, które przejawia się w rozpadzie: 0 KL ππ Procesy zachowujące CP to: K1 ππ oraz: CP = CP = 0 K2 πππ -1-1 K 1 K K 1+ ε { ε } L = KS = K K 2 1+ ε ε = 2, parametr łamiący CP { 0 } 1 ε 2 Dwa możliwe źródła łamanie CP: a) z mieszania stanów czyli domieszki stanu o złej CP oraz ewentualnie b) z łamania CP wprost przez łamiący CP rozpad Jeśli tylko a) to stan końcowy powinien być taki sam dla K 0 0 S i KL 0 K 1 0 K2 ππ ππ

6 Łamanie CP macierz CKM Kobayashi i Maskawa szukając wytłumaczenia łamania CP zaproponowali macierz mieszania kwarków dla 3 generacji (zwana macierzą CKM): Na wykładzie 5: Symetria leptonowokwarkowa stosuje się do dubletów: u c t ' ' ' d s b ' d Vud Vus Vub d ' s = Vcd Vcs Vcb s ' b Vtd Vts V tb b Macierz powinna być unitarna VV=1 i zawierać 4 rzeczywiste, mierzalne parametry np: 3 kąty mieszania i 1 zespoloną fazę np. δ. W funkcji falowej taka faza występuje: ψ () t exp i( ωt+ δ) Taka funkcja NIE jest niezmiennicza względem transformacji odwrócenia czasu t -t, a w konsekwencji łamie symetrię CP (przy zachowaniu symetrii CPT).

7 c Parametryzacja macierzy CKM przez kąty Eulera = cosθ s = sin θ ij ij ij ij V = c s c 0 s e s c 0 0 c s s 0 c s e iδ c i δ 4 rzeczywiste parametry CKM są obok mas kwarków i bozonów W,Z wolnymi parametrami Modelu Standardowego i muszą być wyznaczone doświadczalnie.

8 Pomiar łamania CP wprost Łamanie CP przez mieszanie stanów K i o różnych wartościach ' własnych CP ε jest opisane przez zespoloną fazę δ macierzy CKM. Z pomiaru R uzyskuje się parametr który jest miarą bezpośredniego łamania CP tzw. łamanie wprost: ε ' K 1 2 Jeżeli mieszanie jest jedynym źródłem łamania CP to L powinny rozpadać się do takich samych stanów końcowych. Np stosunek R powinien być =1: 0 0 N( KL ππ ) 0 0 N( KS ππ ) R = + N( KL π π ) + N( K π π ) K S i R = 1 6Re ε ε ' K S

9 Łamanie CP wprost Stąd metoda doświadczalna to jednoczesny pomiar 4 kanałów: K K S S ππ π π KL ππ + KL π + π Dokonano tego niedawno w CERNie w tzw eksperymencie NA48 z udziałem grup z Warszawy.

10 Pomiar niezachowania CP (eksperyment NA48 w CERN) Aby skasować błędy pomiar rozpadów L S w tym samym detektorze Protony z SPS 450 GeV (kaony GeV) K i K Tagger umożliwia skorelowanie padającego protonu z wyprodukowanym przez niego K S 7 3 KL 10 i 10 K na puls (2 sek) S podobne liczby rozpadów ππ w detektorze 0 S 0 L -10 K τ =0,9 10 s cτ = 2,7 cm -7 K τ =0, 510 s cτ = 15,5 m γ = E m 200

11 Pomiar niezachowania CP (eksperyment NA48 w CERN) Aby skasować błędy pomiar rozpadów w tym samym detektorze K 0 0 S i KL

12 Pomiar niezachowania CP (eksperyment NA48 w CERN)

13 Pomiar łamania CP (eksperyment NA48 w CERN) do pomiaru 0 0 ππ Spektrometr magnetyczny do pomiaru: π + π

14 Pomiar łamania CP (eksperyment NA48 w CERN) Zrekonstruowane wierzchołki rozpadów. Masa niezmiennicza (GeV) π + π

15 ε ε ' 10-4 Pomiar łamania CP W sektorze mezonów K CP jest łamane przez mieszanie stanów na poziomie oraz bezpośrednio (wprost) przez rozpady na poziomie 10-7

16 Mieszanie B 0 0 B Mieszanie mezonów B jest większe niż mieszanie mezonów K, bo w diagramie poniżej wkłady różnych kwarków pośrednich 2 wchodzą z m wraz z elementami macierzy CKM. Kwark t zwiększa mieszanie. 0 B d b uct,, W + uct,, W b d 0 B Okazuje się, że łamanie CP w sektorze B powinno być głównie łamaniem wprost.

17 Parametryzacja Wolfensteina CKM Vud Vus Vub V = Vcd Vcs Vcb = V td Vts V tb λ λ A λ ( ρ iη) = 1-λ λ Aλ A λ (1 ρ iη) -Aλ 1 s e 13 iδ 3 ( i ) = Aλ ρ + η V V ud V V cd Mieszanie B 0 0 Macierz CKM powinna być unitarna tzn VV=1 * ub * cb ( ρ, η ) α B * * * ud ub cd cb td tb V V + V V + V V = Trójkąt unitarności VV td V V cd * tb * cb 0 Np prawd. rozpadów: d( d) / ψ + S B B J K t τ β e (1 ± sin 2 sin mt) γ β ( 0,0 ) ( 1, 0) Jesli α + β + γ π to fizyka poza SM

18 Fabryki mezonów B (od 1986) e + e - ϒ(4S) BB σ( BB )/ σ tot ~ 0.25 ~3x BB/rok hh bb + X TEVATRON σ( bb )/ σ tot ~ 10-4, 10 9 BB/rok LHC σ( bb )/ σ tot ~ 10-2, BB/rok

19 Fabryki B czy zderzenia hadronów B 0 J/ψK s ϒ(4S) BB bez dodatkowych cząstek!!! pp (2TeV) bb + X

20 Fabryki mezonów B PEP-II w SLAC-u 9GeV (e - ) 3.1GeV (e + ) świetlność: cm -2 s krajów, 57 instytutów, ~400 osób Belle BaBar 11 krajów, 80 instytutów, 623 osoby KEKB w KEK-u 8GeV (e - ) 3.5GeV (e + ) świetlność: cm -2 s -1 rekord świata

21 275M BB b lipiec 2004 A CP A CP 0 B W - Γ( B f) Γ( B f) Γ( B f) +Γ( B f) Łamanie CP w rozpadach V ub Γ( B 0 K - π +? ) = Γ(B 0 K + π - ) u d d Γ( B Γ( B s u f ) Γ( B f ) + Γ( B _ B 0 K π + K + π A CP Br ( B b 0 d 0 D. Kiełczewska, Awykład CP ( 10 W - t K f ) f ) π d ) = B 0 K + π 2 A 1 A 2 sinγ sinδ A CP = ± ± σ A CP = ± ± σ + s u K B u π + Γ( B f ) Γ( B f ) 2 Γ ( AB f ) sinγ + Γ( sinδ B 1 A 2 f ) Belle K + π ) = BaBar ±

22 Asymetrie CP zależne od czasu B 0 B 0 f CP b d c c s d J/ψ K S + b t d K S d c J/ψ t V td b d s c V td trzeba poczekać (t 0) żeby mieć wkład drugiej amplitudy A CP 0 0 dγ / dt ( B f ) dγ / dt ( B ( t) 0 0 dγ / dt ( B f ) + dγ / dt ( B f ) f ) A CP ( t) = ξ sin2β sin( m t) CP d

23 Parametry trójkąta unitarnego ( ) 15 α + β + γ = nie widać efektów poza Modelem Standardowym

24 Podsumowanie łamania CP Istnieje bezwzględna, fundamentalna różnica między materią i antymaterią np: Γ K l νπ Γ K l νπ ( L ) ( L ) ( KL l νπ ) ( KL + l νπ ) Γ +Γ 0,003 Źródłem łamania CP jest nie tylko mieszanie stanów o różnych CP ale wszystkie obserwowane efekty można wytłumaczyć przez macierz CKM z zespoloną fazą: λ = 0, 227 ± 0,001 A=0,818 +0,007-0, ,06 +0,02 0,03 η -0,04 ρ = 0, 22 =0,34 δ 63 Trójkąt unitarności daje możliwość wykrycia fizyki poza Modelem Standardowym

25 Oscylacje neutrin

26 Detektor Super-Kamiokande Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys fotopowielaczy (PMT) o średnicy 50 cm

27 Kopalnia Kamioka Eksperymenty Kamiokande Super-Kamiokande KamLand:

28 Wjazd do kopalni Kamioka

29 Photomultipliers (PMTs) Dimension 20 Time uncertainty 1nsec

30 Super-K w trakcie napełniania

31 Wypadek Super-Kamiokande

32 Super-K wymiana niektórych PMT From neutrinos to cosmic sources, D. Kiełczewska and E. Rondio

33 Wypadek Super-Kamiokande We wrześniu 2001 zakończono naprawę W październiku 2001 rozpoczęto napełnianie W listopadzie 2001: jeden fotopowielacz na dnie imploduje a pobliski sejsmograf rejestruje ponad 3 w skali Richtera W 40 msec około 6000 fotopowielaczy o wartości 20 M$ uległo zniszczeniu

34 Super-Kamiokande po implozji From neutrinos to cosmic sources, D. Kiełczewska and E. Rondio

35 Super-Kamiokande From neutrinos to cosmic sources, D. Kiełczewska and E. Rondio

36 Super-Kamiokande From neutrinos to cosmic sources, D. Kiełczewska and E. Rondio

37 Super-Kamiokande po odbudowie 2005/2006

38

39 P. Mijakowski & P. Przewłocki

40

41 Długość atenuacji światła > 100m