Oddziaływania słabe. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VI. neutrina. teoria Fermiego mieszanie kwarków. bozony W ± i Z

Transkrypt

1 ziaływania słae ykła neutrina Elementy fizyki zastek elementarnyh teoria Fermiego mieszanie kwarków łamanie CP ozony ± i

2 Promieniotwórzość Neutrina kryie promieniotwórzośi uranu: enri Bequerel, nagroa Nola, wraz z.kłoowska i P.Curie E.Rutherfor i F.oy: Źrółem promieniowania sa przemiany jenyh pierwiastków w inne. eparaja w polu magnetyznym: promieniowanie α - jara helu 238 U T h + α 90 promieniowanie β - elektrony (lu pozytony) Co Ni + e... promieniowanie γ - wysokoenergetyzne fotony Ni Ni + γ zekiwano, że zastki promieniowania powinny nieść energię E opowiaaja a różniy mas izitopów....f.żarneki ykła 1

3 Neutrina Rozpay α i γ Dyskretne wimo energii: Rozpa β Ciagłe wimo energii: Energia emitowanej zastki E α = E m 2 Naruszenie zasay zahowania energii!?... Eneria emitowanyh elektronów/pozytronów E β E m 2.F.Żarneki ykła 2

4 Neutrina ipoteza Pauliego y uratować zasaę zahowania energii (i momentu pęu) Pauli zaproponował istnienie neutrina: oatkowej zastki unoszaej zęść energii w rozpazie β: ykres Kurie Dla m ν =0 ozekujemy liniowej zależnośi N(p) p 2 E E Co Ni + e + ν e zekiwane wimo energii elektronów z rozpau β: N(p) p p 2 (E E) 2 1 m 2 ν (E E) 2 Ewentualne ostępstwa pomiar masy neutrina.f.żarneki ykła 3

5 .F.Żarneki ykła 4

6 Eksperyment w ainz Rozkła energii elektronów mierzony poprzez hamowanie w polu elektrostatyznym.f.żarneki ykła 5

7 Neutrina ykres Kurie Najnowsze wyniki (ainz, 2001): m 2 ν = 1.6 ± 2.5 (stat) ± 2.1 (sys) e 2 ogranizenie na masę neutrina elektronowego: m ν < 2.2 e (95 CL).F.Żarneki ykła 6

8 Teoria Fermiego 1934 roku Fermi zaproponował teorię rozpau β: 14 G F N 14 ν e e Uniwersalne sprzężenie punktowe jeen wolny parametr: G F (oenie nazwany stała Fermiego ) Czas żyia izotopu zależy jeynie o energii Na poziomie nukleonów: p rozpau E 1 τ = G2 F E5 30π 3 n G F ν e e tała Fermiego ma arzo mała wartość G F Ge 2 ługie zasy żyia.f.żarneki ykła 7

9 Teoria Fermiego Teoria Fermiego zakłaała na pozatku, że oziaływania słae maja taka sama symetrię jak oziaływania elektromagnetyzne. Doświazenie u niskiej temperaturze większość jaer koaltu ustawia się spinem wzłuż kierunku pola magnetyznego. serwujemy nawyżkę elektronów emitowanyh w kierunku przeiwnym o spinu jara oel w tym kształie przetrwał pona 20 lat. enak w 1957 pani C..u zaoserwowała łamanie parzystośi w rozpazie 60 Co 60 Ni + e + νe elektrony lewoskrętne (spin przeiwny o pęu) a anty-neutrina prawoskrętne (spin zgony z pęem).f.żarneki ykła 8

10 Teoria Fermiego Parzystość Transformaja przystośi (P): (x, y, z) ( x, y, z) ożna uogólnić: v v (wektor) a a (pseuo wektor) pis oziaływań elektromagnetyznyh nie zmienia się przy owróenie wszystkih współrzęnyh przestrzennyh. ówimy, że oziaływania E zahowuj a przystość. Łamanie parzystośi pin jest pseuo-wektorem (tak jak moment pęu) skrętność zastki zmienia się przy P (L R) Doświazenie u: 60 Co 60 Ni + e L + ν e,r Po owróeniu współrzęnyh: 60 Co 60 Ni + e R + ν e,l Nie oserwujemy! oz. słae łamia parzystość.f.żarneki ykła 9

11 Teoria Fermiego przężenie łaunkowe Transformaja zamiany zastki na anty-zastkę (C). Rozpa π : π µ L + ν µ,r wynik oświazeń Po owróeniu współrzęnyh (P): π µ R + ν µ,l Nie oserwujemy! łamanie parzystośi P Po zamianie zastek na antyzastki (C): π + µ + L + ν µ,r Nie oserwujemy! łamanie parzystośi C łożenie ou operaji: serwujemy! π + µ + R + ν µ,l z. słae zahowuja CP jeszze o tego wróimy.f.żarneki ykła 10

12 ieszanie kwarków Po uwzglęnieniu łamania parzystośi moel Fermiego przetrwał kolejne 20 lat... Prolem ziwnośi Czas żyia kaonu K ± zyt ługi w stosunku o pionu π ± (po uwzglęnieniu różniy mas). een z kanałów rozpau: ipoteza Caio ziaływania słae sprzęgaja kwark u z - kominaja kwarków s i : = os θ C + s sin θ C Kat Caio: sin θ C 0.22 K π + e + ν e π π + e + ν e Na poziomie kwarkowym: s u + e + ν e u + e + ν e Proes : u s sin 2 θ C u os 2 θ C ziaływania słae mieszaja zapahy kwarków, wiza inne kwarki niż oz. silne....f.żarneki ykła 11

13 ieszanie kwarków FCNC Teoria Caio (1963) poprawnie wyjaśniła wszystkie znane rozpay słae. Przewiywała także nowe proesy typu FCNC (Flavour Changing Neutral Currents), proesy neutralne ze zmiana zapahu. zekiwany rozpa: K µ + µ Na poziomie kwarków: s µ + µ zaoserwować! enak rozpaów takih nie uało się teoria wymaga opraowania.f.żarneki ykła 12

14 ieszanie kwarków Czwarty kwark 1970 roku Glashow, liopoulos i aiani (G) zaproponowali wprowazenie oatkowego, zwartego kwarku. kła z wymiana kwarku kasuje wkła o FCNC o iagramu z wymiana kwarku u: moelu G oziaływania słae sprzęgaja kwark u z kwarkiem kwark z kwarkiem s ( s ) = ( os θc sin θ C sin θ C os θ C ) ( s ) + = 0 Kwark okryto opiero w 1974 roku... sin θ C os θ C + sin θ C os θ C = 0.F.Żarneki ykła 13

15 ieszanie kwarków aierz CK Dla sześiu kwarków (trzeh pokoleń) mamy maierz mieszania 3 3. CK - Caio, Koayashi, askawa (1972) s = u us u s t ts t s Przykła: rozpay mezonu D (ū) u u u s s u 3.8 D K π + s u 2 os 4 θ C D π K + us 2 sin 4 θ C ene wyniki oświazalne (PDG 2004):.F.Żarneki ykła 14

16 Parametryzaja ieszanie kwarków Parametryzaja olfenstein a maierzy CK: λ sin θ C, ρ, η 1 Elementy t i u moga yć zespolone! ezpośrenie łamanie CP w oziaływaniah słayh (w oróżnieniu o łamania pośreniego, poprzez mieszanie stanów o różnej symetrii) Barzo sutelny efekt... Bezpośrenie łamanie CP zaoserwowano jeynie w rozpaah mezonów K i B.F.Żarneki ykła 15

17 Łamanie CP ieszanie K oziaływaniah silnyh proukowane sa pary kwark-antykwark: zastki K ( s) i K (s ) yproukowane K ezie jenoześnie rozpaać się i osylować w K : tany te różnia się tylko ziwnośia, która nie jest zahowana w oziaływaniah słayh. możliwa jest przemiana K K K i K nie sa orze zefiniowanymi stanami fizyznymi: nie możemy wyznazyć masy ani zasu żyia..f.żarneki ykła 16

18 Łamanie CP ieszanie K tanami fizyznymi (o zefiniowanej masie i zasie żyia) sa K L (ługo żyiowy, long ) i K (krótko żyiowy, short ). ożna je przestawić jako kominaje K L K 2 + εk 1 K K 1 εk 2 gzie K 1 i K 2 sa stanami o zefiniowanej przystośi CP K 1 K + K (CP = +1) K 2 K K (CP = 1) artość CP anego stanu wskazuje jak zmienia się on (jego funkja falowa) po wpływem anego przekształenia: CP (K 1 ) = + K 1 CP (K 2 ) = K 2 Gyy CP yło śiśle zahowane, stany K 1 i K 2 nie mogłyy się mieszać ε = 0 kazuje się, że stany fizyzne K L i K nie sa stanami własnymi CP ε łamanie CP w oziaływaniah słayh (przez mieszanie).f.żarneki ykła 17

19 Łamanie CP Łamanie CP w rozpaah B B i B maja wspólne kanały rozpau: B ( B ) /Ψ K L /Ψ K (CP = +1) (CP = 1) artość CP stanu końowego określa zy funkja falowa zmienia znak przy operaji CP Gyy CP yło śiśle zahowane, rozpay B i B na stany o określonym CP zahoziłyy tak samo... serwujemy asymetrię w różniy zasów rozpau: B szyiej niż B rozpaa się o stanu o CP = +1. 1/N N/( t) q ξ f = +1 q ξ f = t (ps) Dla stanu o CP = 1 owrotnie....f.żarneki ykła 18

20 Konferenja w orion, marze 2005 Eksperymenty przy farykah B : BaBar w LC (Kalifornia) i Belle w KEK (aponia).f.żarneki ykła 19

21 Łamanie CP w rozpaah B Łamanie CP yniki Belle Lato 2005 Events / ps (goo tags) B /Ψ K L q = +1 q = -1 Events / ps (goo tags) B /Ψ K q = +1 q = t (ps) t (ps) Raw asymmetry (goo tags) t (ps) Raw asymmetry (goo tags) t (ps).f.żarneki ykła 20

22 Łamanie CP Łamanie CP w rozpaah B Łamanie CP oserwujemy też porównuja rozpay na stany końowe nie ęae stanami własnymi CP. Entries/2e/ K π + Entries/2e/ K + π = BR( B K π + ) BR(B K + π ) BR( B K π + ) + BR(B K + π ) yniki Belle 2005: = ± (stat) ± (syst) Entries/20e (Ge/ 2 ) K π + Entries/20e (Ge/ 2 ) K + π E (Ge) E (Ge).F.Żarneki ykła 21

23 Posumowanie Łamanie CP a) Dzięki nowym wynikom eksperymentów Belle i BaBar (pomiary w sektorze B ), oraz N48 i KTe (pomiary w sektorze K ) wiemy oenie pona wszelka watpli- wość, że CP jest łamane w oziaływani- ah słayh... u u C γ α t t β B η > 0 ) = (ρ,η) α η możemy przestawić jako wysokość tzw. trójkata unitarnośi γ C = (0,0) β B = (1,0).F.Żarneki ykła 22

24 L > 0.95 gromny postęp η _ η _ η _ _ 1 ρ _ 1 ρ _ 1 ρ η Łamanie CP exlue area has CL > 0.95 sin 2β ε K m γ α 2005 m s & m sol. w/ os 2β < 0 (exl. at CL > 0.95) 0.1 u / γ β Barzo ora zgoność wszystkih pomiarów. uma katów trójkata 180 (±10) ρ α C K f i t t e r EP 2005.F.Żarneki ykła 23

25 Bozony ± i ziaływania NC 1963: pierwsza wiazka neutrin w CERN pozatek preyzyjnyh pomiarów oziaływań neutrin Eksperyment Gargamelle komora pęherzykowa, 4.8 metra ługośi, około 12 m 3 freonu (CF 3 Br). próz reakji ozekiwanyh jako owrotne proesy β ν e n e p ν e N e zaoserwowano także proesy ez przekazu łaunku (tzw. pray neutralne Neutral Currents ; 1973): ν e n ν e p π ν e N ν e Nowe wyniki wymagały nowego opisu....f.żarneki ykła 24

26 Detektor Gargamelle.F.Żarneki ykła 25

27 Przypaek oziaływania neutrina w etektorze Gargamele.F.Żarneki ykła 26

28 Bozony ± i oel einerg a-alam a Nowy moel oziaływań słayh (1968) ziaływanie zahozi przez wymianę arzo masywnego ozonu ± lu. Rozpa mionu: µ - ν µ łaość oziaływania nie wynika ze stałej sprzężenia a z użej masy ozonu: G F g2 m 2 Przyjmuja, że sprzężenie g powinno yć takie jak la oziaływań E, einerg i alam przewizieli masy ozonów ± i : - ν e e - m 80 Ge m 90 Ge.F.Żarneki ykła 27

29 Bozony ± i kryie zerzeniah p p możliwa jest anihilaja pary q q w wirtualny foton lu ozon, które następnie mog a się rozpaść na parę leptonów (e + e, µ + µ, τ + τ ): q _ e + e o γ q est to tzw. proess Drela-ana. kła o wymiany maksimum w masie niezmiennizej pary leptonów. yniki U1 (1983):!! & '! ( '! ' ( ( ) ( ( ( )! ( ' +! ' ', - ' ( ). ( )!! ) '. / 0 / 1 2 / 2-2 ) / / +! 2 / 3 + / 2 2 ' (,. 2 2 & ! (.! / ( :!!,! 1 & /. ; 2 < ) / 2. 2 ).F.Żarneki ykła 28

30 Przypaek w etektorze U1 (1983).F.Żarneki ykła 29

31 Bozony ± i kryie zerzeniah p p możliwa jest też anihilaja pary q q w ozon ± : u + e + νe Proes z proukj a neutrina niezahowanie pęu poprzeznego kryie ozonów ± i przypisujemy eksperymentom U1 i U2 przy akeleratorze P w CERN. yniki U1 GF K G D F@LL@ GN RQPED T U G D? G G D P G[ ED? E G D ^? G E _ E af E E E E B R e _ ^ L_? EfL^?@? DT^?? ^ D?? Dg? @ @ L@ i T R i ej _ N h g h T P_ Ul R?? Q e L@ e@ m??? n??@?? E > > > > > > > > h h h h h h h h h ^ ^ U E @ @ o o p? h?? T g g Ne Lh _ Po > ^? E L N T e _ e T T T g g?[ g? E g? E g? E L ot K?g g g E E E > E > U? g h L g T T T? _?? F?p E e^ R N @? _????? T L L K K K P P P U U?T U E U E U E U > U U U U e e N ^ ^ h h h h > E h T L R e T T T h h e EDr? G E? G>t E? t R N K G u? RP q G? RR N G>t KG o Ge@ KE G o? G l^ ED? > G@? D@? E P K g e @e e _ g e g _ e ho h ykła 30

32 Przypaek w etektorze U1 (1983).F.Żarneki ykła 31

33 Bozony ± i CC D at ER rozpaszaniu e ± p nośnikiem oziaływania może yć nie tylko γ, ale także i ± : przypaku wymiany ± (pray nałaowane: CC D) w etektorze oserwujemy tylko stan haronowy: ν e p E h, ph ystarza to jenak to pełnej rekonstrukji zmiennyh kinematyznyh x, y i Q 2.F.Żarneki ykła 32

34 Przypaek CC D w etektorze 1.F.Żarneki ykła 33

35 Przypaek CC D w etektorze EU iew R iew.f.żarneki ykła 34

36 Bozony ± i CC D at ER Przekrój zynny na NC D (ominuje wymiana γ): σ Q 2 1 Q 4 Dla wymiany ± (CC D): σ Q 2 1 ( 2 + Q2 ) 2 oszarze arzo użyh Q 2 unifikaja : EU D Cross etions σ/q 2 (p / Ge 2 ) harge urrent e + p e - p (prelim) CTEQ 4D neutral urrent Q 2 (Ge 2 ) ziaływania słae porównywalne z E.F.Żarneki ykła 35

37 Bozony ± i CC D at ER yniki 1 i EU: 1.1 Dopasowuja zależność przekroju zynnego na CC D o Q 2 można wyznazyś masę i niskoenergetyzne sprzężenie wymienianego nośnika. (GCC/GF) omine 0.95 stat. errors only EU Ge prop Pełna zgoność z moelem wymiany ±.F.Żarneki ykła 36

38 Bozony ± i CC D at ER latah w akeleratorze ER zerzane yły spolaryzowane wiazki elektronów i pozytonów. yniki pomiaru przekroju zynnego na CC D w funkji polaryzaji wiazki potwierzaja, że oziaływaniom typu CC D polegaja jeynie lewoskrętne elektrony i prawoskrętne pozytony: e L p ν L e + R p ν R yniki 1 i EU: (p) σ CC e + p Charge Current ep attering (ER ) ν 1 (prel.) 1 EU (prel.) EU (RT) 2 2 Q > 400 Ge y < 0.9 ν P e e p 1 (prel.) 1 EU (prel.) EU (RT).F.Żarneki ykła 37