Czym materia różni się od antymaterii - najnowsze wyniki z eksperymentu LHCb

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Czym materia różni się od antymaterii - najnowsze wyniki z eksperymentu LHCb"

Kacper Andrzejewski
7 lat temu
Przeglądów:

1 Czym materia różni się od antymaterii - najnowsze wyniki z eksperymentu LHCb M. Witek 730 members 15 countries 54 institutes CERN LHC Large Hadron Collider LHCb CMS Atlas Alice

2 Plan Motywacja badań Detektor LHCb Wybrane pomiary Angels and demons Tara Shears z eksperymentu LHCb?

Symetria CP C - sprzężenie ładunkowe, q -q cząstka antycząstka P - odbicie przestrzenne, r -r zmiana skrętności układu współrzędnych Symetria kombinowana CP to symetria pomiedzy materią i antymaterią.

3 Symetria CP C - sprzężenie ładunkowe, q -q cząstka antycząstka P - odbicie przestrzenne, r -r zmiana skrętności układu współrzędnych Symetria kombinowana CP to symetria pomiedzy materią i antymaterią. Czy proces w zwierciadle CP jest realizowany w ten sam sposób (dla antymaterii)? Ujęcie popularnonaukowe symetrii CP: Jakie pytanie zadać kosmitom aby ustalić czy są zbudowani z materii czy z antymaterii? W przypadku zachowania symetrii CP nie można ustalić zdalnie czy obiekt jest zbudowany z materii czy antymaterii.

4 Materia i antymateria Teorie pola CPT zachowane (T odbicie czasu t t). W przeciwieństwie do symetrii ciągłych zachowanie symetrii dyskretnych C, P i T z osobna we wszystkich oddziaływaniach nie wynika z zasad pierwszych jest faktem eksperymentalnym. C i P były uważane jako symetrie dokładne (zachowane w oddziaływaniach elektromagnetycznych i silnych) do czasu znalezienia łamania C oraz P w oddziaływaniach słabych (maksymalne łamanie). Niespodziewana obserwacja łamania kombinowanej symetrii CP w 1964 (0.2 %) Jim Cronin KS CP K S 0 KL 0 KS CP KL KL K L + events Val Fitch

Czym różni się proton od antyprotonu? Znak ładunku protonu jak i ładunku kwarków jest konwencją + - - symetria C jest zachowana w oddziaływaniach EM Ale zachodzi łamanie symetrii CP!

5 Czym różni się proton od antyprotonu? Znak ładunku protonu jak i ładunku kwarków jest konwencją symetria C jest zachowana w oddziaływaniach EM Ale zachodzi łamanie symetrii CP! B d 0 B s 0 proton ( uud) antyproton( uud ) Jednoznaczna definicja protonu: Proton to cząstka złożona z kwarków uud. Kwark d jest składnikiem neutralnego mezonu pięknego którego rozgałęzienie rozpadu na naładowany kaon i pion jest większe niż dla odpowiedniego antymezonu.

Bariogeneza materia + antymateria fotony anihilacja baryon baryon baryon 10 Łamanie symetrii CP jest konieczne aby wytłumaczyć dlaczego obecny wszechświat jest zdominowany przez materię (Sacharow

6 Bariogeneza materia + antymateria fotony anihilacja baryon baryon baryon 10 Łamanie symetrii CP jest konieczne aby wytłumaczyć dlaczego obecny wszechświat jest zdominowany przez materię (Sacharow 1967). n n n n n ~ O 10 We wczesnej fazie wyprodukowana została niewielka nadwyżka materii 1 czastlka na par cząstka-antycząstka d' s' b' V V V ud cd td V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b Vˆ CKM d s b Faza obecna w macierzy V CKM jest źródłem (jedynym) łamania symetrii CP w modelu standardowym. Ale przewidywana wartość Δn baryon /n γ ~O(10-20 ) jest o za mała. Musi istnieć tzw. Nowa Fizyka (NF) teoria opisująca zjawiska spoza modelu standardowego (rozszerzająca MS)

7 Zalety pomiarów pośrednich Dwa główne podejścia: Pomiary bezpośrednie. Np. bezpośrednia obserwacja nowej cząstki na wykresie masy niezmienniczej w eksperymentach Atlas i CMS. Pomiary pośrednie (LHCb). Przykłady z historii Trzecia rodzina kwarków zapostulowana przez Kobayashi i Maskawa (1973) aby wyjaśnić łamanie symetrii CP dla neutralnych kaonów; bezpośrednia obserwacja w 1977 (b) i 1995 (t) Istnienie kwarków c i t zostało pośrednio zaobserwowane w postaci efektów FCNC (Flavour Changing Neutral Current) dla mezonów K i B. NC (ν+n ν+n) odkryte w 1973; bezpośrednia obserwacja bozonu Z w Komplementarność względem pomiarów bezpośrednich Po odkryciu nieznanych efektów należy poznać szczegóły nowej teorii, w szczególności obalić lub potwierdzić istniejące obecnie rozszerzenia MS. Precyzyjne pomiary pośrednie sięgają do wyższych skali energii LHC bezpośrednio ~3 TeV (zderzają się kwarki i gluony w protonach) Pomiary pośrednie mogą sięgnąć skali ~100 TeV

8 Obserwowalne efekty NF A. Buras arxiv: v1

9 Zagadki fizyki zapachu Struktura trzech generacji? Rozpiętość mas fermionów? Zródło macierzy CKM? Co powoduje łamanie CP?

10 Mezony B (s) 0 Stany wlasne zapachu nie sa stanami własnymi masy a oba stany własne nie sa stanami własnymi symetrii CP. Wartości własne Stany własne masy różniące się o Δm i ΔΓ Specjalność LHCb

11 Detektor LHCb σ(pp bb) = 284 ± 53 mb dla (s = 7 TeV) [PLB ] ~ 100,000 bb par/sekundę b B q b B q

12 Detektor VELO B-decay displaced vertex K VELO najprecyzyjniejszy detektor wierzchołka na LHC B s D s K K B-production at pp-collision primary vertex B b tag + Makro przesunięcia ~cm Mikro precyzja ~μm Parametr zderzenia Wierzchołek oddziaływania σ z ~70 μm

13 10 10 zapisanych przypadków Zbieranie danych 2011

System wyzwalania 1092 pęczków, 3*10 32 /cm 2 /sek, 3.5*10 14 zderzeń w LHC w 2011 8.

14 System wyzwalania 1092 pęczków, 3*10 32 /cm 2 /sek, 3.5*10 14 zderzeń w LHC w MHz: widoczne w detektorze 650 khz: L0 3.6 khz: HLT Sygnały obserwowane w HLT Stosunek sygnał/tło używany do monitorowania jakości danych

15 Najważniejsze pomiary LHCb Poszukiwania oznak Nowej Fizyki spoza modelu standardowego w procesach z wirtualnymi efektami w diagramach pętlowych Mezony B ~10-16 m - Nowa Fizyka ~10-19 m Ale w niektórych rzadkich procesach mogą pojawić się efekty z zakresu m Obserwacja B s μμ Faza mieszania dla oscylacji mezonów B s z dokładnością do 0.01 rad (SM ±0.03) Precyzyjny pomiar kąta γ B K*μμ pomiar punktu-0 dla asymetrii z dokładnością 7% Pomiary mieszania D 0, poszukiwanie łamania CP (~10-3 ) Poszukiwanie Nowej Fizyki w gluonowych diagramach typu pingwin B s φφ

16 B s,d μ + μ - Przykład wzmocnienia w MSSM Silnie wzbronione w SM A.J.Buras, arxiv:

17 B s,d μ + μ - B 0 s μμ? Selekcja z zaślepionym obszarem spodziewanego sygnału Szukamy kilku przypadków z 3.5*10 14 wszystkich zderzeń MVA Boosted Decision Tree Dominujące tło: kombinatoryka dwóch dobrze zidentyfikowanych mionów: μ + μ - BDT oparte na zmiennych geometryczno-kinematycznych: B: parametr zderzenia, czas lotu, pęd poprzeczny, izolacja μ: parametr zderzenia, pęd poprzeczny, polaryzacja, wierzchołek Kalibracja na B s,d h + h -

18 B s,d μ + μ - - pomiar CDF W tym czasie analiza LHCb ciągle zaślepiona Gdyby wartość średnia CDF była prawdą LHCb powinien zobaczyć ogromny sygnał. 20 przypadków na niewielkim tle (<1) Odsłonięcie obszaru sygnałowego LHCb przed konferencją EPS Grenoble

19 Bs,d μ+μ-

20 ϕs - faza oscylacji mezonów Bs

21 ϕ s - faza oscylacji mezonów B s d s b V V V ud cd td V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b B 0 s s V ts V ts s B 0 s Teoria (SM)

22 ϕ s - faza oscylacji mezonów B s Jak zmierzyć fazę ϕ s? Interferencja

23 ϕs - faza oscylacji mezonów Bs

24 ϕ s z B s J/ψφ

25 Porównanie pomiarów ϕs

26 Łamanie CP dla mezonów D Znikome łamanie CP dla mezonów D w SM <10-3 Trudne pomiary tak małych asymetrii CP wobec silnych innych źródeł jak asymetrie detektorowe i produkcyjne. Odpowiedni dobór procesów rozpadu oraz definicja obserwabli: Procesy: D* D 0 ( K + K - ) π +, D* D 0 ( π + π - ) π + Obserwabla: podwójna różnica (różnica dwóch asymetrii)

27 Sygnały D i D* Ogromne statystyki pomimo tego, że D KK i D ππ sa rozpadami wzbronionymi

28 Asymetria CP dla mezonów D Znaczącość statystyczna 3.5 σ Wynik na bazie 0.5 fb -1 Jeszcze połowa danych z tego roku do analizy.

29 Podsumowanie Bardzo dobre działanie LHC i LHCb Dane i wyniki wysokiej jakości Wiele pomiarów najlepszych w świecie. Aplikacja c++ do analizy fizycznej w LHCb nazywa się DaVinci Dokumentacja kodu źródłowego

Podobne dokumenty

Oddziaływania elektrosłabe

Oddziaływania elektrosłabe X ODDZIAŁYWANIA ELEKTROSŁABE Fizyka elektrosłaba na LEPie Liczba pokoleń. Bardzo precyzyjne pomiary. Obserwacja przypadków. Uniwersalność leptonów. Mieszanie kwarków. Macierz