ziaływania słae ykła neutrina Elementy fizyki zastek elementarnyh teoria Fermiego mieszanie kwarków łamanie CP ozony ± i
Promieniotwórzość Neutrina kryie promieniotwórzośi uranu: enri Bequerel, 1896. 1903 - 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 92 234 T h + α 90 promieniowanie β - elektrony (lu pozytony) 60 28 Co 60 29 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
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
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 60 28 Co 60 29 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
Neutrina ykres Kurie yniki pomiarów la rozpau trytu, E = 18.6 ke (1952): Najnowsze wyniki (ainz, 2001): ene ogranizenie na masę neutrina elektronowego (z ezpośreniego pomiaru): m ν < 2.2 e (95 CL).F.Żarneki ykła 4
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 1.2 10 5 Ge 2 ługie zasy żyia.f.żarneki ykła 5
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 6
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 7
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 8
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 9
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 10
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 11
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 0.015 D π K + us 2 sin 4 θ C ene wyniki oświazalne (PDG 2004):.F.Żarneki ykła 12
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 13
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 14
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 2.3 10 3 łamanie CP w oziaływaniah słayh (przez mieszanie).f.żarneki ykła 15
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) 0.20 0.10 q ξ f = +1 q ξ f = 1 0.00-8 -4 0 4 8 t (ps) Dla stanu o CP = 1 owrotnie....f.żarneki ykła 16
BaBar.F.Żarneki ykła 17
Najnowsze wyniki (konferenja w orion, marze 2005) Eksperymenty przy farykah B : BaBar w LC (Kalifornia) i Belle w KEK (aponia).f.żarneki ykła 18
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 19
Łamanie CP gromny postęp w ostatnih latah η _ 1 2004 0.5 η _ 0-1 -0.5 0 0.5 _ 1 ρ 1 0.5 η _ 0-1 -0.5 0 0.5 _ 1 ρ 1 0.5 0-1 -0.5 0 0.5 _ 1 ρ.f.żarneki ykła 20
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 21
Detektor Gargamelle.F.Żarneki ykła 22
Przypaek oziaływania neutrina w etektorze Gargamele.F.Żarneki ykła 23
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 24
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 & 4 5 + 6! (.! / 2 0 7 5. ( 2 8 9 :!!,! 1 & /. ; 2 < ) / 2. 2 ).F.Żarneki ykła 25
Przypaek w etektorze U1 (1983).F.Żarneki ykła 26
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 (1983): @?>= EDCB @ GF E @ K G D F@LL@ GN RQPED T U G D? G E? @ G D P G[ ED? E G D ^? G E _ E af E E E E B R @?? P @ R _ @ e @? @ _ ^ L_? EfL^?@? DT^?? ^ D?? Dg? P @ T @ h @ @ @ @?? e @ @ @ @ @ @ @ @ _e @ L@ i T R i ej _ N h g h T P_ k U @ @ e @ e @ @??? @ Ul R?? Q e L@ e@ m??? n??@?? N???@ K @ @ K @ @ @ @ @? E @ E T @h E @ E = @???????@?? @@ > > > > > > > > h h h h h h h h h ^ ^ U E E @ E @ E @ @? @ @ @ @ _ N @?? @?? _ @ @ o o p? h?? T g g Ne Lh > K @ @ _ Po > ^? N g @?? @?? @ N @ @ E @ E @ @ E @ E@ @? U P @ @ L N T _ P @ @??? @ @? @? @? e e @ _ e T T T g g?[ g? E g? E g? E L ot K?g g @ g g g P @??? @? r[?? @? @? @? P? @ E E E > E > >? @? U? g h L g T T T? _?? F?p E @ E E @ e^ R N o o @? @? @? _????? T L L K K K > s @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ R @ 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 @ E @ E @ E h T L R e T T T h h e h @ ^ @ e @?F EDr? G E? G>t E? t R N K G u? RP q G? RR N G>t k? @ KG o Ge@ KE G o? G l^ ED? > G@? D@? E o @ P ^^ @ K o @ _ ^ @ @ _ @ g e o @? j @ @?? @ h h? @ @? @e e T @ _ P @ g e g _ e ho h _ @.F.Żarneki ykła 27
Przypaek w etektorze U1 (1983).F.Żarneki ykła 28
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 29
Przypaek CC D w etektorze 1.F.Żarneki ykła 30
Przypaek CC D w etektorze EU.F.Żarneki ykła 31
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 ) 1 10-1 10-2 10-3 harge urrent 10-4 10-5 10-6 e + p 94-97 e - p 98-99 (prelim) CTEQ 4D neutral urrent 10-7 10 3 10 4 Q 2 (Ge 2 ) ziaływania słae porównywalne z E.F.Żarneki ykła 32
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) 2 1.05 1 1 omine 0.95 stat. errors only EU 0.9 74 76 78 80 82 84 Ge prop Pełna zgoność z moelem wymiany ±.F.Żarneki ykła 33
Bozony ± i CC D at ER yniki 1 i EU: latah 2003-2004 w akeleratorze ER zerzane yły spolaryzowane wiazki pozytonów. yniki pomiaru przekroju zynnego na CC D w funkji polaryzaji wiazki potwierzaja, że oziaływaniom typu CC D polegaja jeynie prawoskrętne pozytony: σ CC (p) 60 50 40 30 20 1 (prel.) 1 EU (prel.) EU (RT) Linear fit ER e + p ν _ e + R p ν R 10 Q 2 > 400 Ge 2 y < 0.9 0-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P.F.Żarneki ykła 34