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13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 1
K. R. Schubert, TU DresdenKolloquium HU Berlin, 13/12/05
Was ist CP-Symmetrie und -Verletzung?Kosmologische Motivation für deren Untersuchung1964: Entdeckung im Zerfall von K-Mesonen37 Jahre später die zweite Evidenz: Zerfall von B-MesonenNeueste Resultate der Experimente BABAR und BELLE Erklärung im Standardmodell der TeilchenphysikKosmologische Konsequenzen
Neue Experimente zur Asymmetriezwischen Materie und Antimaterie
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1. Was ist CP-Symmetrie?
Die P- und C-Asymmetrie der schwachen Wechselwirkung ist seit 1957 etabliert. P = Raumspiegelung, PeL = eR.C = Ladungskunjugation, Ce- = e+.
π+
P:µ+µ+ νµLπ+ νµR
µ- ŵLπ-C:
µ-ŵR π-
P C CPStarke Ww ja ja jaElektr. Ww ja ja jaSchwache Ww nein nein ja
1964 :Nein!
bis 1964.
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CP-Symmetrie: Alle Reaktionen mit linkshändigen Teilchen laufen mit gleicher Rate ab wie die mit rechtshändigen Antiteilchen.
2. Bedeutung für die Kosmologie
Kosmologie = Versuch, heutige Erscheinung des Universumsdamit zu erklären, dass das Universum eine Geschichte hat.
Erstaunlich erfolgreicher Versuch, sogar mit der Zusatz-Hypothese, dass zu jeder Zeit heutige Naturgesetze galten.
Problem: Universum besteht nur aus Materie, alle frühervorhandene Antimaterie wurde vernichtet:qq →...→ e+e-+γ+νÅ, e+e- → γ γ. ⇒ heute N(q)=0, aber
N(p,n)/N(γ) = (5±2)10-10 gemessen.
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Geschichte des Universums
6000 K0,5 eV
109 K0,1 MeV
1012 K100 MeV
1032 K1019 GeV
1015 K100 GeV
1027 K
Hier vernichten sich Protonen und Antiprotonen bis auf 5 .10-10
Irgendwann hier ist der kleine Unterschied
q : q = (1+2.10-10) : 1entstanden. „Baryogenese“
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Baryogenese: Erzeugung des kleinen Unterschiedes N(q)/N(q)=1+10-10. Bedingungen von A.D.Sakharov 1967:
1. Es gibt CP-verletzende Wechselwirkung,2. Es gibt B-verletzende Wechselwirkung,3. Beide sind in thermischem Nichtgleichgewicht wirksam.
B=Baryonenzahl, B(p)=1, B(q)=1/3, B(q)=-1/3.
(3) ist wegen dR/dt > 0 und dT/dt < 0 erfüllt.(2) ist nicht beobachtet, aber Standardmodell der Teilchen-
physik erlaubt Prozesse wie q e+→ q uud (B-L erhalten).(1) Thema dieses Kolloquiums, 1964 entdeckt.
(1) und (2) braucht nicht die gleiche Ww zu sein, Beispiel:σ(ue+→ uuud) = σ(ʉe-→ ʉʉʉd), CP ok, B verletzt, B-L ok.σ(µ-ŵ→ e-Åe) ≠ σ(µ+νµ→ e+νe), B ok, L ok, CP verletzt.
JETP Lett. 5 (1967) 24
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3. Entdeckung der CP-Verletzung:1964 durch Christenson, Cronin, Fitch und Turlay im Zerfallneutraler K-Mesonen. K0 = 11S0 sd, m = 497 MeV, τ = 10-10s.Seltsames Teilchen: Zerfallsgesetz ist nichtexponentiell.
ln N
t
dominant π+π-
dominant π+π-π0
Erklärung durch K0K0-Mischung, K0 = C K0 = 11S0 sd
K0 → kohärenteMischung vonK0 und K0
2 spezielle Mischungenzerfallen exponentiell: KS = pK0 + qK0 ,KL = pK0 - qK0
.CP-Erhaltung: ⏐p⏐=⏐q⏐CP-Verletzung: ⏐p⏐≠⏐q⏐
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CP-Verletzung an neuerem Experiment demonstriert:CPLEAR 1999, pp → K+π−K0, K-π+K0; K0, K0 → π+π−
Asymmetrie zwischen denπ+π–-Zerfällen von markiertenK0 und K0 als Funktion der Zeit zwischen Produktion und Zerfall.
( ) ( )oie 5.03.433K 1002.027.2 ±− ⋅⋅±=ε
( ) ( ) ( )SSLK KKmKmm Γ≈−=∆
π/∆mK
)()()()()( 00
00
−+−+
−+−+
→+→→−→
=ππππππππ
KNKNKNKNta
ttK
t
LS
LS
ee
tmeΓ−Γ−
−+Γ+Γ−
+
−∆⋅∆−≈ 2
K
2/)(K )( cos2
ε
ϕε
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Erklärung der Mischung ∆mK im Standardmodell:
s c d
W W
d c s
Die beobachtete CP-Verletzung ist auch T-Verletzung, Verletzungder Zeitumkehrinvarianz.
K0 K0
Erklärung der CP-Verletzung εK im Standardmodell:
Die 4x3 Kopplungen sindkomplexe Zahlen. Ihre Interferenzen führen zu
Γ(K0 → K0) < Γ(K0 → K0)
s ʉ,c,ŧ d
W W
d u,c,t s
K0 K0
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BABAR29 fb−1
BBAABBARAR29 fb29 fb−−11
-5 0 5 ∆t(ps)
Belle
-4 0 4 ∆t(ps)
37 Jahre war das K0 das einzige System der Teilchenphysikmit CP-Verletzung. Im Sommer 2001 gelang der Nachweis im Zerfall von B0-Mesonen:
K→π+π-
B0 B0
B0B0
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4. CP-Verletzung in B-Mesonen-Zerfällen:
1977 Entdeckung des b im Y(9.46) = 13S1bb am FNAL1978 Formation von Y(9.46) und Y(10.01) am DESY1980 Erste B-Mesonen 13S1bd in Cornell; DESY 19841985-89 „B-Mesonen-Fabrik“-Planung am PSI1987 ARGUS-Entdeckung der BoBo-Oszillationen1988 Beginn der PEP-II-Studien am SLAC1993 Entscheidungen für PEP-II und KEK-B,
TU Dresden beteiligt sich bei SLAC1995 BABAR „TDR“ & Genehmigung7/98 Erste e+e- Kollisionen in PEP-II5/99 Erste e+e- Ereignisse in BABAR7/00 Erste 15 Resultate auf der Osaka-Konferenz10/00 PEP-II erreicht Design-Lumi von 3 • 1033 /cm2/s7/01 BABAR findet sin2β ≠ 0 mit 4σ, BELLE gleichzeitig
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Suche nach CP(B) war gezielt; keine Zufallsentdeckung.Standardmodell erwartet:
sin2β ist Parameter des Standardmodells;aus CP-symmetrischen B-Zerfällen geschlossen: 0,5 - 0,8.Trotz Größe des Effekts: Etwa 3.107 B-Mesonen notwendig!Erfolgversprechendste Produktionsmethode:
e+
e-γ
ge Y(4S),10.58 GeVB0
B0
c sgw
K0
J/ψ
gs
g
Wgw
c
( ) ( )( ) ( ) ( )[ ].Pr0000
0000
sin2sin//
//odZerfall
SS
SS ttmKJBKJB
KJBKJBA −∆⋅=
→Γ+→Γ
→Γ−→Γ= β
ψψ
ψψ
Alternativen: Z0 →bb (LEP nur 106),hadronische Produktion (viel Untergrund).
d
dgs
b
b
ge
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Die B-Mesonen-Fabrik PEP-II:
ja9.0 / 3.1E [GeV] e- / e+
710135Lint [pb-1/Tag]1,00 x 10343 x 1033L [cm-2 s-1]
1,7 / 2,90,6 / 2,1I [A] e- / e+
erreichtPlan
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← Linac
←Fixed-Target-Experimente
← BABAR← SLD
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Tägliche und Integrierte Luminosität, Okt.1999 – Nov. 2005
Design
BABARBABAR
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Der BABAR – Detektor:
(4) ElektromagnetischesKalorimeter (6) Instrumentier-
tes Eisenjoch(3) Cerenkov-Detektor
(5) 1.5 T Solenoid
(2) Driftkammer
(1) Silizium-Vertex-Detektore-
e+
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Canada [4]U of British ColumbiaMcGill U MontrealU de MontréalU of Victoria
China [1]Inst. of High Energy Physics, Beijing
France [5]LAPP AnnecyLAL OrsayU Paris 6 et 7Ecole PolytechniqueCEA Saclay
Germany [6]RU BochumU DortmundTU Dresden U HeidelbergU KarlsruheU Rostock
Great Britain [10]U of BirminghamU of BristolBrunel UniversityU of EdinburghU of LiverpoolImperial College LondonQueen Mary & Westfield CollegeRoyal Holloway U of LondonU of ManchesterRutherford Appleton Laboratory
Norway [1]U of Bergen
Russia [1]Budker Inst., Novosibirsk
Spain [1]Barcelona / Valencia
INFN PadovaINFN PerugiaINFN PisaINFN Roma INFN TorinoINFN Trieste
80 Institute, 11 Länder, ~600 AutorenDie BABAR-Kollaboration
Italy [12]INFN BariINFN FerraraINFN Frascati INFN GenovaINFN MilanoINFN Napoli
Netherlands [1]NIKHEF Amsterdam
U of CincinnatiU of ColoradoColorado State UFlorida A&MHarvard UU of IowaIowa State ULBNL BerkeleyLLNL LivermoreU of LouisvilleU of MarylandU of MassachusetsMIT CambridgeU of MississippiMount Holyoke CollegeU of Notre DameOhio State UU of OregonU of PennsylvaniaPrairie View A&MPrinceton USLAC U of South CarolinaStanford UU of TennesseeU of Texas at AustinU of Texas at DallasVanderbiltU of WisconsinYale U New Haven
USA [38]SUNY AlbanyCaltech PasadenaUC IrvineUC Los AngelesUC RiversideUC San DiegoUC Santa BarbaraUC Santa Cruz
1 / 12 / 2005
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10 % der 6580 CsI(Tl)-Kristalle
Alle Photodioden
Optimierung der Lichtausbeute
Mechanik der Auslese-Elektronik
Lichtpulsersystem zur Monitorierung
Bhabha-Eichung
πo-Eichung
e-Identifizierung
Dresdner Beiträge zum Kalorimeter:
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Ein vollständig rekonstruiertes Ereignis in BABAR:
CP-Eigenzustand
Flavour-Eigenzustand
Y
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))(())((
))(())(()(
tNtN
tNtNtA
∆+∆
∆−∆=∆
±±−+
±±−+
llll
llll
βγ =0.55 ϒ(4S) <∆z> = 250 µm
B0
l+
l-
B0
A
∆mB = (0.499 ± 0.010 ± 0.012) h ps-1
Γ0 = 1/τ(B0) = (0,651 ± 0,06) ps-1
Messung der B0B0-Mischung mit BABAR, 20 M Y(4S):
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Jetzt zur CP-Asymmetrie:
Auf der Y(4S)-Resonanz wirdkohärenter 2-Teilchen-Zustand(BoBo-BoBo)/√2 erzeugt:
Integral von A über alle ∆t ist null,zeitabhängige Messung notwendig.
ttttt TagZerfodZerf ∆=−⇒− )()( ..Pr. B0
B0
∆t/τ
Γ
( ) ( )( ) ( ) ( )[ ].Pr0000
0000
sin2sin//
//odZerfall
SS
SS ttmKJBKJB
KJBKJBA −∆⋅=
→Γ+→Γ
→Γ−→Γ= β
ψψ
ψψ
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1, 2, 3: Rekonstruktion des CP-Eigenzustands
6: Bestimmung von ∆t = ∆z/βγc
5: Bestimmung des Anteils w von falschen Tags
Dilution D = (1-2w) reduziert die beobachtete Asymmetrie.
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) tt-t~t) msin(2sinD
/B/B
/B/Bt~A~
0000
0000
∆∆∆⋅∆∆⋅⋅=Ψ→Γ+Ψ→Γ
Ψ→Γ−Ψ→Γ=∆ ∫ dr
KJKJ
KJKJ
SS
SS β
Messung der zeitabhängigen CP-Asymmetrie:
8: sin2β−Fit an beide Zeitverteilungen
e+
βγ = 0.55
7: Bestimmung der ∆z-Auflösung
Υ(4S)
4: Flavour-Bestimmung des anderen B-Mesons (“tag”)
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N N
Ereignis-Selektion in B → J/ψKS
J/ψ → e+e- J/ψ → µ+µ-
1. J/ψ Rekonstruktion
π0π0
π+π-
2. K0 Rekonstruktion
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3. B0 Rekonstruktion:
Mehr CP-ModenZusätzlich zuB0 → J/ψ KS :
B0 → ψ(2S) KSB0 → χc1 KSB0 → ηc KSalle mit CP = -1 und
B0 → J/ψ KL CP = +1B0 → J/ψ K0*(KSπ0)
CPeff = +0.51±0.04
mES
∆E∆E
MeV
mES GeV
J/ψ KS
∆E = E*(J/ψ)+E*(K0) – ECMS/2mES
2 = (ECMS/2)2 – [p(J/ψ)+p(K0)]2
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Nur K0L-Richtung
wird im EMC oder im IFR gemessen, Energie aus der m(B0)-Bedingung.
Daten 1999-2004: ~205/fb auf dem Y(4S), 227 M BB
CP = -1, N = 4370nach Tagging.Reinheit P= S/(S+B) = 90%
CP ≈ +0,5 N = 572P = 68%
CP ≈ +1 N = 2788P = 56%
Ntot,tagged = 7730, P = 76%
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Flavour-Tagging des CP-Eigenzustands bei ∆t=0 durch flavour-spezifische Zerfälle des anderen B:Elektronen, Myonen, geladene Kaonen, oder Combi.
4.
Anteil w der Mistags wird aus dem N = „Flavour Sample“ 75878bestimmt.
B0 → J/ψK*0(K+π−),D(*)-π+,D(*)-ρ+...
5.
( ) 004,0305,021 2i
iitag, ±=−⋅= ∑ wQ ε
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6. Bestimmung von ∆t = ∆z/βγc :
7: Bestimmung der Auflösung für ∆z:
∆z = zZerfall – zTag, mit ztag aus Vertexfit mit zwei oder mehr Spuren mit kleinem χ2-Beitrag zu diesem Fit.
Gleiche Funktion an Flavour- und CP-Daten fitten( )ttRi ∆−∆~
Flavour-Ereignissemit1 ± cos∆mt
CP-Ereignissemit1 ± sin2β sin∆mt
Perfekte Zeitauflösung Reale Zeitauflösung
∆t
∆t∆t
∆t
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Ergebnis: B. Aubert et al (BABAR) PRL 94 (2005) 161803
KS KL
sin2β = + 0,722 ± 0,040 ± 0,023
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Alle Ergebnisse für sin2β:
OPAL 1998 3.2 ± 0.5
ALEPH 2000 0.84 ± 0.16
CDF 2000 0.79
BABAR 2005 0.722 ± 0.040 ± 0.023
BELLE 2005 0.652 ± 0.039 ± 0.020
Mittel 0.685 ± 0.032
+ 0.41- 0.44
+ 0.82- 1.04
+ 1.8- 2.0
(21 σ)
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5. Erklärung von CP(K) und CP(B):
Messwerte von εK und sin2β sind kompatibel miteinander und mit der Hypothese, dass sie von der schwachen Ww.des Standardmodells erzeugt werden.
CKM-Matrix Vij beschreibt Quarkmischung als Ursache vonHiggs-Kopplung an Quarks. Wenn Vij ≠ Vij*, dann koppelt Higgs verschieden an Quarks & Antiquarks und erzeugt CP.
νeL
e-L
Wgw
tL
b‘L
Wgw
cL
s‘L
Wgw
uL
d‘L
Wgw
bVsVdVb
bVsVdVs
bVsVdVd
tbtstd
cbcscd
ubusud
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
'
'
'
bVsVdVb
bVsVdVs
bVsVdVd
tbtstd
cbcscd
ubusud
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
⋅+⋅+⋅=
***'
***'
***'
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V ist unitär, V V+= 1. CP ⇔ .0)(Im ** ≠= jkjlilik VVVVJ
A, λ, ρ, η sind 4 der 18 „freien Parameter“ des St.modells.6 Unitaritätsbedingungen können als Dreiecke gezeichnet werden, z.B.:
.;1)1(
2/1
)(2/162
23
22
32
ηλληρλ
λλλ
ηρλλλ
AJAiA
A
iA
V ≈
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−−−−
−−
≈
.1//
,033*
*3*
≈+
=+−
λλ
λ
AVAV
VVAVV
tdub
tbtdubud
É
¿
10
Vub*/Aλ3 Vtd/Aλ3
β
É=ρ(1-λ2/2), ¿ =η(1-λ2/2). Fläche dieses
„Unitartitätsdreiecks“ ist J/2.Messungen von λ und A:
λ = 0.22 ± 1% , A = 0.83 ± 3%.
α
γ
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 32
ckmLfit-0405-4
É¿ Fit an die Messungen von Vub, Vtd, εK, und sin2β
εK sin2β
Vtd
Lfitckm
Vub
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 33
ckmLfit-0405-4
É¿ Fit an die Messungen von Vub, Vtd, εK, und sin2β
εK
Vtd
Lfitckm
Vub
β
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 34
ckmLfit-0405-4
Seit 2005 haben wir auch Messungen der Winkel α und γ:
εK
Vtd
Lfitckm
Vub
β
α
γ
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 35
α: Zeitabhängigkeit „getagter“ Zerfälle B0→ρ+ρ- und B0→ρ+ρ-
B. Aubert et al (BABAR) PRL 95 (2005) 041805 aus 232 M BB
B0 tags
B0 tags
Asymmetrie
Fit mit der AsymmetrieS sin(∆m∆t) - C cos(∆m∆t),
S = sin[2(α-δ)] und δ aus
B+→ρ+ρ0 und B0→ρ0ρ0
gibt α = (100 ±13)o.
Mit BELLE undB→ππ und B→ρπergibt sich α = (101 ±11)o.
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 36
ckmLfit-0410-1
εK sin2β
Vtd
Lfitckm
Vub
É¿ Fit an die Messungen von Vub, Vtd, εK, sin2β und α:
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 37
ckmLfit-0410-1 with fit results
Fit-Resultate:
εK sin2β
Vtd
Lfitckm
Vub
λ = |Vus|= 0.2240 ± 0.0038, Aλ2 = |Vcb|=0.0416 ± 0.0008,
Aλ3√ρ2+η2 = |Vub|=0.0038 ± 0.0003, γ = 60o ± 11o.
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 38
Theorie: Giri Grossmann Soffer Zupan, PRD 68(2003)054018Exp.: BELLE 2004,
*cbcd VV
*tbtd VV
*ubudVV
γ = (68 ± 19)o
γ: CP-Asymmetrie in Zerfällen B±→ D0K±, D0 → π+π-KS
B. Aubert et al (BABAR) PRL 95 (2005) 121802
„Direkte“ CP-Verletzungmit ≈ 2,5 σ.
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 39
Theorie: Giri Grossmann Soffer Zupan, PRD 68(2003)054018Exp.: BELLE 2004,
*cbcd VV
*tbtd VV
*ubudVV
β = (21.7 ± 1.3)o
α = (101 ± 11)o
γ = (68 ± 19)o
γ: CP-Asymmetrie in Zerfällen B±→ D0K±, D0 → π+π-KS
B. Aubert et al (BABAR) PRL 95 (2005) 121802
α + β + γ = (191 ± 22)o
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 40
Direkte CP-Verletzung in B0 → K+π -
227 M BB B. Aubert et al (BABAR) PRL 93 (2004) 131801
Mehr Zerfälle B0 → K+π -
als B0 → K -π+ mit 4,2 σ.Grund: Interferenzzweier Amplituden:
B0
B0
d
Vub
d
b
s
u
ʉ
W
d
g
Vts
d
b s
uʉ
W
13 / 12 / 05 K. R. Schubert, TU Dresden, Kolloquium HU Berlin 41
Konklusion:Jede bisher im Labor beobachtete CP-Verletzung ist eineEigenschaft der Higgs-Wechselwirkung, also des Standard-Modells. Damit erfüllt dieses beide Sakharov-Bedingungenan die Teilchenphysik.
Aber Rechnungen mit Standardmodell-Annahmen ergebenfür das heutige Universum: N(p,n)/n(γ) ≤ 10-20
statt wie in der kosmischen Hintergrundstrahlung gesehen:N(p,n)/n(γ) ≈ 5.10-10.
CP-Verletzung bleibt Problem für Teilchen- und Kosmophysik.
Deshalb sind die Experimentatoren in BABAR und BELLE weiter stark motiviert, in B-Zerfällen nach „neuer“CP-Verletzung außerhalb des Standardmodells zu suchen.Bisher kein Effekt mit deutlich mehr als 2σ gefunden.
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