Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ - PowerPoint PPT Presentation

Antony
slide1 n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ PowerPoint Presentation
Download Presentation
Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ

play fullscreen
1 / 61
Download Presentation
Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ
786 Views
Download Presentation

Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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