1 / 61

Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ

Юбилейный семинар И.А.Савина. Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ. В.Кекелидзе Дубна, 7 декабря 2010. 7 декабря 2010. 1 /53. Содержание. БИС: Регенерация K L → K S Формфакторы в полулептонных распадах K L EXCHARM : Эффект выстроенности спинов K*(890)

Antony
Download Presentation

Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Юбилейный семинар И.А.Савина Физика каоновв экспериментах с участием ОИЯИ В.Кекелидзе Дубна, 7 декабря 2010 7декабря 2010 1 /53

  2. Содержание • БИС:Регенерация KL→ KS • Формфакторы в полулептонных распадах KL • EXCHARM : Эффект выстроенности спинов K*(890) • NA48: Обнаружение прямого CP-нарушения • NA48/1: Редкие распады KS (поиск «новой физики») • NA48/2: Поискзарядовой асимметрии (СР-нарушения) • в распадах K • Загадка матрицы унитарности (угол Кабиббо) • Вклад в развитие ChPT – КХД низких энергий • (“cusp” эффект; распад Ке4; редкие распады K) • NA62: Сверхредкие СР нарушающие распады K • (поиск «новой физики») • Заключение 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 2 /53

  3. БИСone of the first electronic experiment at Serpukhov accelerator U-70(1970-1976) Study of neutral kaons 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 3 /53

  4. KL – KS regeneration has been studied for the first time On Hydrogen, Deuterium & Carbon at Serpukhov energies (U-70) Clear picture was obtained of amplitude degeneration with the energy rise, indicating on the Pomerantchuk Theorem K.F. Albrecht et.al., NPB93(1975)237. V.K. Birulev et.al.,NP B115(1976)249. K.-F. Albrecht et.al.,NP B158(1979)29. 4 /53

  5. Vector & axial FF were measured in Ke3 & Km3 decays Ke3: l+ = (3.06± 0.34) x 10-2~ 74k events V.K.Birulev et al., NP B182(1981)1. БИС EXCHARM I.Savin 5 /53

  6. EXCHARMmagnetic spectrometer in the neutral beam extracted from U-70 study of polarized phenomena Search for multi-quark 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 6 /53

  7. For the fist time: Spin alignment of K*(892)± mesons produced in neutron-carbon interactions The values of ρ00 obtained in the transversity frame are: 0.424±0.011(stat)±0.018(sys) for K∗(892)+ 0.393±0.025(stat)±0.018(sys) for K∗(892)− r00 Significant Pt dependence of ρ00 has been observed in K∗(892)+ production K*(892)+ K*(892)- Pt, GeV/c 7 /53

  8. NA48(the first run at CERN SPS in 1997) observation of direct CP-violation 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 8 /53

  9. СР-нарушение в системе нейтральных каонов СР-нарушение (1964) «непрямое» - за счет смешивания состояний (сохранение К1)   K0 K0 KL=K2+ P K0 KS=K1+2 out in  in out не могло бы повлиять на бариогенезис СР-нарушение в распадах К2 – «прямое» 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 9 /53

  10. Measurement of direct CP-violation in neutral kaon decays  =A(KL +) / A(KS +) = || exp(i) 00 = A(KL 00) / A(KS 00) = |00| exp(i00) = (43.4  0.7)º 00- =(0.2 0.4)º(CPT) •  =  + ` 00 =  2 ` The measured value: Re(`/)= (1 R) / 6 R = 00 / 2 (KL 00) / (KS 00) double Ratio: R ————————————— (KL +) / (KS +) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 10 /53

  11. simultaneousKS & KL beams • 4 decay channels are detected simultaneously in common decay volume • ~collinear KSи KL beams 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 11 /53

  12. The NA48 detector Main detector components: • Magnetic spectrometer (4 DCHs): • 4 views/DCH: • Δp/p = 1.0%+0.044%*p [GeV/c]. • Hodoscope • fast trigger (150ps). • Liquid Krypton EM calorimeter (LKr)‏ • Hadron calorimeter • Muon veto counters • Photon vetoes Beam pipe 2-3M K/spill (/K~10), decay products stay in pipe; flux ratio: K+/K– 1.8 K± beams 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 12 /53

  13. Liquid Krypton EM calorimeter (LKr)‏ The first ISTC project at CERN (1995) liquid krypton (~10m3 at 120 K) 13212 cells, granularity 2x2 cm2 E/E = 3.2%/E1/2+0.9%/E + 0.42% [GeV] x=y=0.42/E1/2 + 0.6mm (1.5 mm @ 10 GeV) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 13 /53

  14. Systematic corrections and uncertainties (’98-’99 data) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 14/53

  15. Stability checks ofR 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 15 /53

  16. Results ofRe(’/) Re(’/) = (14.7  2.2) x 10-4 5.33 x 106 KL00decays NA48 results PL B465,335(1999);EPJ C22(2001)231 PL B544(2002)97 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 16 /53

  17. PDG 2006 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 17/53

  18. NA48/1(run at CERN SPS in 2002) Search for new physics 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 18 /53

  19. constructive interference sensitivity to Im lt Consequence of measurements Br (KS 0l+l) (t=Vts*Vtd) Br(KL0е+е)CPV10-12 15.3as2 6.8as Im(t)104 +2.8[Im(t)104 ]2 (KTEV: Br < 5.11010 ) Br(KS0e+e) = 5.2 109as2 NA48/1 first observation: (7 events): Br = (3.0 + 1.5./-1.2  0.2sys)10-9 J.R.Batlay et al.,PL B599(2003)43 Br(KS 0  + )= (2.8 + 1.5./-1.2  0.2sys)10-9 (6 events) J.R.Batley et al.,PL B576(2004)197 19 /53

  20. KS  + e+e First observations 2000 data KS  0 PL B578(2004)276. Br(atz> 0.2) = (4.9 1.6stat 0.9sys)10-8 prediction of PT: Br (Ks 0) < 3.8  10-8 (z=m2/m2K> 0.2) Eur.Phys.J.C(2003)33 Br = (4.68  0.23stat  0.21syst)10-5 A() = (1.0  4.0stat  1.5syst)% to estimate a boundary on the indirect CPV term in KL + e+e 20 /53

  21. NA48/2(approved by SPSC CERN in 2002) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 21 /53

  22. Rare decays: to testPT & search for ACP Ke4 - scat. length ( ) < 1102 ( > 106events) • K   , K  0 DE K  e+e,K  + , Ke2, K l  l+l, K  0 , K  0l+l, … etc. The Goals of NA48/2 • Direct CP violation in K±  ±+ , K±  ±00 (Ag ) < 210 – 4 (limited bystatistics) g + - g - Ag = ———— g+ + g- • Semileptonic decay Br’s: Ke3, K3 to improve precision of |Vus| & checkCKMunitarity search for fT, fS (less systematics) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 22/53

  23. Search for charged asymmetry in K decays (CP-violation) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 23 /53

  24. ExperimentNA48/2 Main goal–search for CP asymmetry in decays K(3) 2003 run: ~ 50 days 2004 run: ~ 60 days Total statistics in 2 years: K+: ~4·109 K00: ~1·108 Rare K± decays: BR’s down to 10–9were measured > 200 TB of data recorded 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 24 /53

  25. Charged asymmetry in decay K(3) Experimental precisions before NA48/2: E. Gámiz et al., JHEP 10 (2003) 42 [Ag~10-3, dominated by systematics] SM estimate (NLO ChPT):Agc = (–1.41.2)10–5; Agn = (1.10.7)10–5. Smith et al. (1975) “neutral” 10-2 Ford et al. (1970) |Ag| HyperCP prelim. (2000) TNF (2005) “neutral” 10-3 NA48/2 proposal G. D’Ambrosio et al., PLB480 (2000) 164 Models beyond the SM predict substantial enhancement partially within the reach of NA48/2. “neutral” 10-4 “charged” SUSY& 10-5 Asymmetry of integrateddecay widths is stronglysuppressed. SM New physics 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 25 /53

  26. PK spectra, 603 GeV/c BM z 10 cm NA48/2 simultaneous K+ & K- beam line 2-3M K/spill (/K~10), decay products stay in pipe. Flux ratio: K+/K– 1.8 Simultaneous K+ and K beams: high charge symmetry of experimental conditions magnet 54 60 66 K+ K+ beam pipe Be target focusing beams K ~71011ppp, 400 GeV Second achromat K • Cleaning • Beam spectrometer (resolution 0.7%)‏ Front-end achromat Quadrupole quadruplet Beams coincide within ~1mm all along 114mdecay volume • Momentum • selection • Focusing •  sweeping vacuum tank He tank + spectrometer 1cm not to scale 200 250 m 50 100

  27. Формализм распада K±  (3) ± Матричный элемент: |M(u,v)|2 ~ 1 + gu + hu2 + kv2 Далиц плот зарегистрированных распадов Система покоя К: u = 2mK∙(mK/3Eodd)/m2 v = 2mK∙(E1E2)/m2. прямое CP-нарушение: асимметрия параметров Ag= (g+g)/(g++g) 0 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 27 /53

  28. Obtained asymmetry in decays of К K± ±+– K± ±00 Ag x 104 Ag x 104 [1] Ford et al. at BNL (1970) [2] HyperCP at FNAL, prelim. (2000) [3] NA48/2 2003 final [4] NA48/2 2003+2004 prelim. [1] Smith et al. at CERN-PS (1975) [2] TNF at IHEP Protvino (2005) [3] NA48/2 2003 final [4] NA48/2 2003+2004 [1] [2][3] [4] [1] [2][3] [4] Ag0 = (1.8 ±1.7stat0.6syst)10-4 = (1.8 ±1 .8)10-4 g = (0.6 ± 0.7stat ± 0.4trig ± 0.5syst)10-4 g = (0.6 ± 0.9)  10-4 Agc= (1.5 ± 1.5stat ± 0.9trig ± 1.3syst)10-4 Agc = (1.5 ± 2.2)  10-4 EPJ, C52: 875(2007) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 28 /53

  29. Unitarity Matrix Puzzle 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 29 /53

  30. 10-5 contributes ~50% to the total uncertainty  = |Vus| |Vus| K+  0e+ : BNL, E-865 unitarity PDG: Br = (4.86± 0.06)% KTEV Recent BNL data (E-865): Br = (5.17± 0.02± 0.09 ± 0.04)% based on ~ 70k events PDG NEW Hep-ex/0406001 PDG contradicted with CKM Unitarity test of CKM Unitarity Vud .V*ud Vus.V*us Vub.V*ub 1 Br, K, f+(0) (Ke3)  7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 29 /53

  31. NA48/2 Results J.R.Batley et al.,EPJ C50(2007)329. Contributed to solve this puzzle G(K+ 0 e+ n) / G(K+ + 0)= 0.2470± 0.0009± 0.0004syst based on ~ 87k events G(K+ 0 m+ n) / G(K+ + 0)= 0.1637± 0.0006± 0.0003syst based on ~ 77k events • G(K+ 0 e+ n) / G(K+0 m+ n)= 0.663± 0.003± 0.001syst based on ~ 77k events 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 30 /53

  32. Measurement of • pi-pi scattering length • the ChPT basic parameters 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 31 /53

  33.  - scattering lengths S-wave scattering lengths a0, a2(for I=0, 2) - basic parameters of ChPT (Chiral Perturbation Theory or low energy QCD) Theory predictions (inits of 1/m): “Universal Band” (from Roy equations) PLB36 (1971) 353 S.Weinberg, PRL17(1966) 616. a2 ChPT prediction: G.Colangelo, J.Gasser, H.Leutwyller PRL86 (2001) 5008. a0 ChPT constraint 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 32 /53

  34. Measurement of (a0, a2) in experiments: Traditional methods: • K → p+p-en (Ke4 – decay) • life time of mesoatoms for the first time done in NA48/2 experiment: • K → pp0p0(K3pi – decay) “cusp effect” NA48/2 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 33 /53

  35. K → p+p-en 1.13 Mdecays The measurements of: • Form-Factors • pion-pion scattering lengths: a0anda2 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 34 /53

  36. Ke4 selection & background Signal (p+p- en) topology: • 3 charged tracks, good vertex • 2 opposite sign pions • 1 electron (ELKr /P ~ 1) • 1.13 M of fully reconstructed Ke4(2003+2004 data) Main background sources: a) K+ [p- e-n]p+p+ b) K+ [p0 e+e- (g)] (p0) p+ Background seen in «wrongsign» (WS) component (same sign pions) a) 1(WS) / 2(RS) b) 1(WS) / 1(RS) Total background is at the level of 2 x 0.3 % (estimated from WS events & checked by MC) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 35 /53

  37. direction of the total P( momentum in the K+ R.F. direction of the total e+e momentum in the K+ R.F. p*(e) p*()   e K  e K → p+p-en (Ke4) formalism a rare decay [ B.R. = (4.09 ± 0.09) x 105 ] described by 5 variables 5 Cabibbo–Maksymowicz variables: For K K    ee  s≡ M2 , se≡ Me2 e ,,  In the partial wave expansion (only S, P) the amplitude can be written using 4form factors & 1 phase shift: F=Fseis+FpeipcosG=Gpeip H=Hpeip  = s - p 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 36/53

  38. Ke4 phase shift measurement isospin correction (10-15 mrad) to all published points — downward shift errors — combined stat. and syst.; fit to NA48/2 data alone Systematic errors: • bin to bin correlated: • background level; • isospin corrections - bin to bin uncorrelated: • fitting procedure; • trigger efficiency; • acceptance control; background shape; electron identification; radiative correction 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 37/53

  39. Ke4 phase shift measurement isospin correction (10-15 mrad) to all published points — downward shift errors — combined stat. and syst.; fit to NA48/2 data alone errata published in PRL105(2010)019901 PRD81(2010)119903 Systematic errors: • bin to bin correlated: • background level; • isospin corrections - bin to bin uncorrelated: • fitting procedure; • trigger efficiency; • acceptance control; background shape; electron identification; radiative correction 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 37 /53

  40. Scattering lengthsresult 2 parameter fit (correlation 0.967) a0= 0.22200.0128(stat) 0.0050(syst)0.0037(th*) a2 = - 0.0432 0.0086(stat) 0.0034(syst)0.0028(th*) 1 parameter fit using ChPT link between a0and a2 a0= 0.22060.0049(stat) 0.0018(syst)0.0064(th*) * Theoretical errors evaluated from isospin corrections & inputs to Roy equations numerical solution CGR EPJ C59 (2009) 777 . Perfect agreement with theory prediction: a0 = 0.220  0.005 a2 = - 0.0444  0.0010 CGL NP B603(2001), PRL 86 (2001) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 38 /53

  41. Cusp effect inK → pp0p0 60 Mdecays The measurements of: pion-pion scattering lengths: (a0–a2) anda2 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 39 /53

  42. “cusp effect” in K3pi decay 103 M(3) spectrum a clear change of slope (“cusp”) at +– threshold is observed. M2(00) spectrum Events background isnegligible effect of K+– decays through charge exchange +–00: +– threshold M1 interferes destructively with M0 for M00<2m+ 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 40 /53

  43. Cusp-effect: theory Original explanation: +–00rescattering amplitude, depends on a0–a2 Cabibbo, PRL 93 (2004) 121801 Predicted: Budini, Fonda, PRL6(1961)419 Cabibbo-Isidori theory (2) More complete computation: Cabibbo, Isidori, JHEP 503(2005)21: • other amplitudes: +–+–, +0+0, etc. • two-loop O(ai2) corrections. • provides sensitivity to a2 alone. Arbitrary scale Cusp point No rescatteringamplitude Subleadingeffect Leading effect (3) The “Bern-Bonn” group description: Colangelo et al., PLB638 (2006) 187; Bissinger et al., PLB659(2008)576; NPB806(2009)178: • effective non-relativistic Lagrangian; • simultaneous fit of charged and neutral K3 modes; • electromagnetic and radiative corrections included. 0.076 0.078 0.080 0.072 0.074 0.082 M2(00), (GeV/c2)2 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 41 /53

  44. Fit to M2(00) spectrum Fit quality & pionium signature (Data–MC)/Data 7 data bins skipped around the M(+–) threshold Combined 2003+2004 sample Excess of events in the excluded interval,if interpreted as due to pionium decaying as A200,gives R=(K+A2)/(K+–) = (1.820.21)10–5. Prediction [Z.K. Silagadze, JETP Lett. 60 (1994) 689]: R=0.810–5 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 42 /53

  45. Result of fit to M2(00) spectrum parameters: a0–a2, a2, Dalitz plot slopes, normalization (fit also includes K+–decays) (statistical error only) a2m+ a2m+ with rad.corrections with rad.corrections (a0–a2)m+ = 0.25710.0048stat. 0.0025syst. 0.0014ext. ChPT constraint ChPT constraint a2m+=–0.024  0.013stat. 0.009syst. 0.002ext. withoutrad.corrections withoutrad.corrections (a0–a2)m+ with ChPT constraint: (a0–a2)m+= 0.2633 0.0024stat 0.0014syst  0.0019ext ChPT prediction: (a0–a2)m+ = 0.265  0.004 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 43 /53

  46. pion-pion scattering lengths: summary of measurements in Ke4 and K3pi decays 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 44 /53

  47. (a0, a2) measurements: summary Combination ofNA48 measurements  Vs M , rad NA48/2 S118 E865 measurement is consistent with NA48/2 after erratum published: PRD81 (2010) 119903 E865 M, GeV NA48/2: • two independent measurements • with different samples, theory • and systematics • for the first time, good sensitivity to a2 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 45 /53

  48. Comparison with other measurements of a0 ChPT prediction: a0=0.2200.005 BNL E865 (2010) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 46 /53

  49. Rare decays of K (precise tests of ChPT) 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 47 /53

  50. IB INT DE K → pp0g EPJ C68 (2010)75 3 terms: IB, DE &INT contributing to the decay could be disentangled in W spectra (integrated over T*p) IB DE Likelihood fit to W spectra: 600kdecays Frac(DE) = (3.32 ± 0.15stat ± 0.14syst) ·10-2 Frac(INT) =(-2.35 ± 0.35stat ± 0.39syst)·10-2 First evidense of nonzero INT contribution r=- 0.93 7декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 48 /53

More Related