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Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 2
Übersicht
● Entwicklung des Flavor-Konzepts
● CDF-Detektor
● B0s-Oszillationen
● CP-Verletzung im B0s-System
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 3
Historie – Seltsame Teilchen
0
p
p
K0
π-
π-
π-
π+
● Beobachtung von Teilchen mit “seltsam” langer Lebensdauer
● 1953, Gell-Mann:Erklärung durch neue Flavor-QuantenzahlStrangeness
● Erhalten in starkerund e.m. WW, Änderungnur durch schwache WW
➔ Ordnung des Teilchenzoos
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 4
Historie – Quarks
● Erklärung der Multiplets durch Quarkzusammensetzung
➔ Flavor-Physik = Physik der Quarksorten
➢ Drei bekannte Quark-Flavor: u (q=+2/3) und d, s (q=-1/3)
n p
0- +
- +
S0
-1
-2
0 +1+½-½-1I3
udd uud
udsdds uus
dss uss
⇒
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 5
Historie – Vorhersage des vierten Flavor
● Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 6
Historie – Vorhersage des vierten Flavor
● Zerfallsrate K0 µ+µ- viel kleiner als erwartet
● 1970, Glashow-Iliopoulus-Maiani:Einführung einer vierten Quark-Sorte: Charm
➔ Destruktive Interferenz beider Diagramme (GIM-Mechanismus)
➢ Erklärt jedoch nicht CP-Verletzung im K0-System
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 7
Parität
p
e-
P
Raumspiegelung (P):● Vektor ↔ - Vektor, Axialvektor ↔ Axialvektor
Physikalische Gesetze invariant unter Raumspiegelung?
➔ Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW➔ Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW (1956, Wu)
p
e-
P
pS
p S
p
r
L L
p
r
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 8
Ladungskonjugation
p
e-
C
Ladungskonjugation (C):● Teilchen ↔ Antiteilchen
Physikalische Gesetze invariant unter Ladungskonjugation?
➔ C-Parität erhalten in Prozessen der e.m. und starken WW➔ C-Parität verletzt in Prozessen der schwachen WW
p
e+
C
pS
S p
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 9
CP-Verletzung im K0-System
Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen:
● K0S c = 2.7 cm
● K0L c = 15 m
Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände:
➢ CP |> = (+1) |>
➢ CP |> = (-1) |>
Wenn CP erhalten, folgt:
➔ CP |K0S> = (+1) |K0
S>
➔ CP |K0L> = (-1) |K0
L>
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 10
CP-Verletzung im K0-System
Beobachtung von zwei Arten von neutralen Kaonen:
● K0S c = 2.7 cm
● K0L c = 15 m
Pionen-Endzustände sind CP-Eigenzustände:
➢ CP |> = (+1) |>
➢ CP |> = (-1) |>
Wenn CP erhalten, folgt:
➔ CP |K0S> = (+1) |K0
S>
➔ CP |K0L> = (-1) |K0
L>
1964, Cronin, Fitch, et al.:Beobachtung von K0
L
⇒ CP-Verletzung O(10-3)
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 11
Baryon-Asymmetrie im Universum
● Urknall: Gleiche Anzahl Teilchen und Antiteilchen
● Heute: Nur Teilchen
➔ Erfordert Prozess, der Teilchen-Antiteilchen-Symmetriebricht
● Bedingungen (1967, Sakharov):
➢ Verletzung der Baryonenzahl➢ Thermisches Ungleichgewicht➢ C- und CP-Verletzung
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 12
Erklärung der CP-Verletzung
1972, Kobayashi, Maskawa:
● CP-Verletzung möglich,wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt
➔ Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors
➔ CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 13
Erklärung der CP-Verletzung
1972, Kobayashi, Maskawa:
● CP-Verletzung möglich,wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt
➔ Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors
➔ CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben
✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 14
Erklärung der CP-Verletzung
1972, Kobayashi, Maskawa:
● CP-Verletzung möglich,wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt
➔ Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors
➔ CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben
✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks
✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 15
Erklärung der CP-Verletzung
1972, Kobayashi, Maskawa:
● CP-Verletzung möglich,wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt
➔ Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors
➔ CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben
✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks
✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks
✔ 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 16
Erklärung der CP-Verletzung
1972, Kobayashi, Maskawa:
● CP-Verletzung möglich,wenn es insgesamt 6 Quark-Flavors gibt
➔ Vorhersage von drei bisher unentdeckten Flavors
➔ CP-Verletzung wird durch einen einzigen Parameter beschrieben
✔ 1974, Burton, Richter: Entdeckung des Charm-Quarks
✔ 1977, E288: Entdeckung des Bottom-Quarks
✔ 1995, CDF, D0: Entdeckung des Top-Quarks
✔ 2001, BaBar/Belle: Nachweis von CP-Verletzung im B0-System
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 17
2008: Nobelpreis
➢ "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature"
Kobayashi Maskawa
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 18
Die Quark-Familien
up
downstrange
charm
bottom
top
+2/3
-1/3
q [e]
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 19
Flavor-ändernde Wechselwirkung
● Flavor-Änderung nur durch geladene Eichbosenen derschwachen WW: W±-Bosonen
● W± koppelt nicht direkt an Quark-Paare einer Familie,sondern an eine Mischung
● Beschreibung durch Quark-Mischungsmatrix
0.002 %5 %95 %
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 20
(C)KM-Matrix
● Komplexe Elemente Vij
➔ 18 Parameter
● Unitarität(VV† = 1) +Quark-Phasen
➔ 4 freie Par.:3 Winkel +1 Phase (CP)
Vtb
Vcb
Vub
Vts
Vcs
Vus
Vtd
Vcd
Vud
VCKM =
VCKM=cos12cos13 sin12cos13 sin13e−i
−sin12 cos23−cos12sin23sin13ei cos12cos23−sin12 sin23 sin13ei sin23cos13
sin12sin23−cos12cos23sin13 ei −cos12sin23−sin12 cos23sin13ei cos23cos13
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 21
Unitaritätsdreieck
● N>4 Messungen für 4 Parameter
➔ Überbestimmtes System ⇒ Test der KM-Theorie
● Graphische Darstellung durch Unitaritätsdreieck
● Unitaritätsbedingung z.B. für j=1, k=3:∑iV ijV ik
∗= jk
VudVub∗Vcd Vcb
∗V td V tb
∗=0
VudVub∗
V tdV tb∗
Vcd Vcb∗
Fläche
↕
CP-Verletzung
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 22
CKM-Messungen
Normierung auf VcdVcb*
● Messung von Seitenlängen und Winkeln
➢ Unitarität Geschlossenes Dreieck
Re
Im
0 1
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 23
CKM-Messungen
● B0-System genau vermessen von B-Fabriken (BaBar/Belle)
➢ B0s-System kann (zur Zeit) nur am Tevatron
studiert werden Oszillation + CP-Verletzung
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 24
Übersicht
● Entwicklung des Flavor-Konzepts
● CDF-Detektor
● B0s-Oszillationen
● CP-Verletzung im B0s-System
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 25
Tevatron
CDF
√s = 1.96 TeVp p
1 Kollision / 400 ns↳ 1.7 Mio Ereignisse
pro Sekunde
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 26
B0s-Produktion am Tevatron
➔ Hohe Produktionsrate von bb-Paaren in Prozessen der starken WW
➔ Produktion von B0s-Mesonen
in Fragmentation
Aber✗ Produktionsrate von leichten Quarks
~103 mal größer als bb) Trigger
✗ Untergrundspurenaus Fragmentation Hoher kombinatorischer
Untergrund
CDFBelle
q b
q b
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 27
CDF (Collider Detector at Fermilab)
Silizium-Vertexdetektor
Driftkammer
Flugzeit-Detektor
Magnet
e.m. Kalorimeter
hadr. Kalorimeter
Myon-Kammern
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 29
Übersicht
● Entwicklung des Flavor-Konzepts
● CDF-Detektor
● B0s-Oszillationen
● CP-Verletzung im B0s-System
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 30
B0s-Oszillationen
Teilchen-Antiteilchen-Oszillation
● Eigenzustände mit definierter Masse und Lebensdauer:
➢ Oszillationsfrequenz: ∆m = mH-mL f ~ 3 Thz !
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 31
Messung von B0s-Oszillationen
Messung der zeitabhängigen Asymmetrie:
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 32
Messung von B0s-Oszillationen
Messung der zeitabhängigen Asymmetrie:
Anforderungen
● Selektion von B0s-Mesonen
B0s
Ds
π
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 33
Messung von B0s-Oszillationen
Messung der zeitabhängigen Asymmetrie:
Anforderungen
● Selektion von B0s-Mesonen
● Bestimmung des Flavors beim Zerfall
B0s
Ds+
π-
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 34
Messung von B0s-Oszillationen
Messung der zeitabhängigen Asymmetrie:
Anforderungen
● Selektion von B0s-Mesonen
● Bestimmung des Flavors beim Zerfall
● Messung der Lebensdauer
B0s
Ds+
π-
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 35
Messung von B0s-Oszillationen
Messung der zeitabhängigen Asymmetrie:
Anforderungen
● Selektion von B0s-Mesonen
● Bestimmung des Flavors beim Zerfall
● Messung der Lebensdauer
● Bestimmung des Flavors bei der Produktion
B0s
B0s
Ds+
π-
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 36
B0s-Selektion
Goldener Kanal:
Bs Ds
Ds KK
B0s
Ds
π
π
K
K
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 37
Lebensdauer-Messung
● Lebensdauer t wird gemessen über Zerfallslänge L und Impuls p
● ct-Auflösung reduziert effektiv messbare Asymmetrie:
⇒ ct = 87 fs
L
B0s
p
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 38
Flavor-Tagging
● Same Side Tag (SST):
● Teilchen aus b-Quark-Fragmentation
● Opposite Side Tag (OST):
● Ladung des Jets vom OS-b-Quark● Leptonen und Kaonen
aus Zerfall des OS-B-Hadrons
Same SideOpposite Side
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 39
Tagging-Leistung
Effizienz:
Dilution:
⇒ ⇒
ct = 87 fsD = 0.2ct = 87 fs
Dilution reduzierteffektiv messbare
Asymmetrie:
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 40
Mixing-Fit
● Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Flavor-Tag
➢ Signifikanz: 3 (Evidenz, aber noch keine Beobachtung)
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 41
Verbesserungen
NeuronalesNetz
BisherigeAnalyse
Zusätzlichdurch NNselektiert
Vom NNverworfen
➢ Selektion vonB0
s-Kandidaten durch NeuronalesNetz
➢ Hinzunahme vonweiteren (part. rek.) Zerfallskanälen
➢ Kombination derOS-Tagger mit einem Neuronalen Netz:
D2 = 1.5% → 1.8%
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 42
Mixing-Fit Reloaded
Analyse desselben Datensatzes mit verbesserten Methoden
➢ Signifikanz >5 ⇒ Beobachtung von B0s-Oszillationen!
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 43
Ergebnis
mΔ s = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1
● XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10%
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 44
Ergebnis
mΔ s = 17.77 ± 0.10(stat) ± 0.07(sys) ps-1
● XBs berechnet mit Lattice-QCD, Unsicherheit ~10%● XBs / XB0 genauer berechenbar, Unsicherheit 3-4%
|Vtd| / |Vts| = 0.2060 ± 0.0007(exp) +0.0081 (theor)
⇒
-0.0060
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 45
Auswirkungen auf Unitaritätsdreieck
● Bestimmung der Seitenlänge gegenüber Winkel ➔ Konsistent mit anderen Messung
⇒ SM bestätigt, Parameterraum für neue Physik eingeschränkt
⇒
Ohne Δms-Messung Mit Δms-Messung
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 46
Übersicht
● Entwicklung des Flavor-Konzepts
● CDF-Detektor
● B0s-Oszillationen
● CP-Verletzung im B0s-System
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 47
CP-Verletzung in B0s J/
● Gemeinsamer Zerfallskanal:
B0s/B
0s J/ , J/ +-, K+K-
● CP-verletzende Phase in Interferenz:
VusVub∗
V tsV tb∗
V csV cb∗
s
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 48
CP-Eigenzustände
● Falls CP erhalten:
Massen-Eigenzustände = CP-Eigenzustände:
➢ Identifizierung der Massen-Eigenzustände anhand der Lebensdauer, falls
➢ Identifizierung der CP-Eigenzustände anhand der Zerfallsprodukte:
JPC (J/) = JPC() = 1-- ⇒ CP(J/ ) = (-1)L
J(B0s) = 0 ⇒ L=0,1,2
∆ = L – H = 1/L – 1/H ≠ 0
S-, D-Welle CP geradeP-Welle CP ungerade
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 49
Winkelanalyse
J/ Ruhesystem
Ruhesystem
S-, D-Welle CP geradeP-Welle CP ungerade
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 50
Likelihood-Fit
● Maximum-Likelihood-Fit in Masse, Lebensdauer, Winkel
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 51
Ergebnis
● Unter Annahme vonCP-Erhaltung:
➢ ∆s =0.076
-0.063 (stat) ± 0.006 (syst) ps-1
➢ cs = 456 ± 13 (stat) ± 7 (syst) µm
➔ Konsistent mit SM(p-Wert = 22%)
+0.059
4-fach Ambiguität
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 52
B0s J/ mit Tagging
➔ B0s-Zerfall in CP-Eigenzustand fCP:
✗ Oszillation muss aufgelöst werden
✗ Produktionsflavor mussbestimmt werden
➢ Auch sensitiv auf CP-Verletzung für ∆=0
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 53
Ergebnis
➢ Einschränkung desParameterraums fürneue Physik
➢ Noch konsistent mit SM
p-Wert = 7% (1.8)
➔ Hinweis auf neue Physik?
2-fach Ambiguität
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 54
Neue Physik?
➔ (Noch?) keine Evidenz für neue Physik
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 55
Ausblick
Falls s ≫ sSM
➔ Realistische Chancefür Evidenz odersogar Beobachtungvon neuer Physikam Tevatron
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 56
Zusammenfassung
➢ Interaktion der Quark-Flavor und CP-Verletzung wird im SM durch die CKM-Matrix beschrieben
➔ Erfolgreich bestätigt im B0-System
➢ Auch gültig für B0s-System?
➔ Vermessung des B0s-Sytems am Tevatron
✔ B0s-Oszillationen werden gut vom SM beschrieben
✔ CP-Verletzung im B0s-System (noch) verträglich mit dem SM
➔ Entdeckung einer neuen Quelle von CP-Verletzungam Tevatron möglich
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 58
Two-Track-Trigger
➢ Auswahl von Spuren von sekundären Vertices
● Rekonstruktion von Spuren in der Driftkammer in 5 µs
➔ Selektion von Spurpaaren mit pT > 2 GeV/c
● Hinzufügen von Hits im Silizium-Vertex-Detektor in 20 µs
➔ Selektion von Spurenmit d0 > 100 µm
✔ Reduktion der Ereignisrate: 2.5 Mhz → <100 Hz
d0(1)
d0(2) 1
2B0
s
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 59
Weitere B0s-Zerfallskanäle
Bs Ds und Bs Ds mit
● Ds , KK● Ds K*K, K* K● Ds
N≈1400 N≈700
N≈700 N≈600 N≈200
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 61
Verbesserung des OS-Tagging
● Bisher hierarchische Entscheidung Erst Myon-Tag, dann Elektron-Tag, dann Jet-Tag
➢ Kombination der Tagger mit Neuronalem Netz
● Benötige Datensatz für Netzwerk-training mit
B-Hadronen Bekanntem B-Flavor
● Simulierte Daten beschreiben nicht alle Details der realen Daten
➔ Training auf realen DatenB-
Hadr
on
OS-TagO
S-B
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 62
Lepton+Sekudärvertexspur
➔ Datensatz angereichert mit semileptonisch zerfallenden langlebigen Teilchen
● Unterdrückung von Charm-Ereignissen durch Schnitt auf invariante Masse von Lepton+SV-Spur
● Statistische Subtraktion von Untergrundereignissendurch Ereignisse mit d0 < 0
● Ladung des Leptons gibt Flavor an mit prichtig = 82%
➔ Training des Taggers aufOS-B
d0
Lepton
SV-Spur
B-Ha
dron
OS-TagO
S-B
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 63
NN-OS-Tagger
● Optimal trainiertes Netz:
➔ Netzausgabe o (skaliert auf [0,1]) = Signalwahrscheinlichkeit p
● Ereignisweiser Schätzwert der Dilution:
➢ Verbesserungdurch NN-Komb.:
D2 = 1.5% → 1.8%
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 67
Fit-Bias
● Parameter unbestimmt für 2s=0
● s und unbestimmt für =0
● Reduzierte Anzahl Freiheitsgrade ➔ Bias weg von =0, 2s=0
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 68
Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit
● Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = |Ak|eik, 0 := 0
● Mittere Zerfallsbreite: = (L – H) / 2
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 69
Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit
● Polarisationsamplituden: Ak = Ak(t=0) = |Ak|eik, 0 := 0
● Mittere Zerfallsbreite: = (L – H) / 2
CP-gerade
CP-ungerade
Interferenz
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 70
4-fach Ambiguität
➔ Invarianz unterTransformationen:
Physikalisches Kolloquium 07.11.2008Thomas Kuhr Seite 71
Zerfallsraten-Wahrscheinlichkeit
B0s: = +1
B0s: = -1
Ambiguitätreduziert von4- auf 2-fach