Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP) Glanzlichter und Zukunftsaussichten des Belle Experiments Martin Heck | 27.03.2014 Institut für Experimentelle Kernphysik
Jan 15, 2016
Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP)
Glanzlichter und Zukunftsaussichten des Belle Experiments
Martin Heck | 27.03.2014Institut für Experimentelle Kernphysik
Was Machen Wir bei Belle?
Was Machen Wir bei Belle?
Hauptmotivation der Intensity-Frontier
• Kopplungen oder Effekte, die im Standardmodell unterdrückt oder verboten sind;
• Z.B. bei der Überprüfung der KM-Theorie über B-Mixing tauchen Faktoren V
td ~1%
in den Amplituden auf. Beschleuniger bis 2010
Beschleuniger ab 2016
Warum B-Fabriken?Schließlich gibt es an Hadron-Maschinen
• mehr B-Mesonen, da 𝛔B viel größer ist,
• einfachere Lebensdauermessungen, da Zerfallslänge der B-Mesonen im Laborsystem viel größer ist.
KEKB: ~ 180 m𝛍( = 0,4)𝛃𝛄SuperKEKB: ~ 125 m𝛍 ( = 0,28)𝛃𝛄Typisch für LHC-Experimente:
~ 104 m𝛍
e+e-→Y(4S)
X 106
Darum B-Fabriken!
Die geringe Zahl an Untergrundprozessen erlaubt das Arbeiten bei deutlich höheren Luminositäten.
Bei Y(4S)-Produktion entstehen 2 B-Mesonen und sonst nichts, was viel reinere Analysen erlaubt mit
• ein oder auch mehreren 𝛑0-Mesonen im Endzustand;
• 30-40% Flavour-Tagging-Effizienz;(O(10) mehr als bei Hadronmaschinen);
• Möglichkeit der vollständigen Ereignisinterpretation, für Zerfälle mit s.𝛎
1036
1033 LHCb
x 103Y(4S)
Bkinet. E:~10 MeV
BImpuls:~330
MeV
Charm-Physik (𝛔Prod
(cc) ähnlich wie Y(4S))
• CP-Verletzung;
• Verzweigungsverhältnisse;
• Spektroskopie angeregter Zustände;
• ...
“Exotische” Analysen
• Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s-Paarproduktionsereignissen;
• Dark-Photon, Weinberg-Winkel;
• ...
Physik bei BelleB-Physik• CP-Verletzung;• Verzweigungsverhältnisse,
insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos;
• ...𝛕-Physik (𝛔
Prod( ) ähnlich wie Y(4S))𝛕𝛕
• Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung;
• …Weitere Spektroskopie• X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium;
Charm-Physik (𝛔Prod
(cc) ähnlich wie Y(4S))
• CP-Verletzung;
• Verzweigungsverhältnisse;
• Spektroskopie angeregter Zustände;
• ...
“Exotische” Analysen
• Hadronisierung mit Hilfe von u/d/s-Paarproduktionsereignissen;
• Dark-Photon, Weinberg-Winkel;
• ...
Physik bei BelleB-Physik• CP-Verletzung;• Verzweigungsverhältnisse,
insbesondere auch Zerfälle mit Neutrinos;
• ...𝛕-Physik (𝛔
Prod( ) ähnlich wie Y(4S))𝛕𝛕
• Verzweigungsverhältnisse, auch Lepton-Flavour-Verletzung;
• …Weitere Spektroskopie• X, Y, Z, Bottomonium, Charmonium;
Aktuelle CP-Verletzungsstudien
Ursprüngliche Hauptmotivation für Belle:
CP-Verletzung in B → J/ K𝛙 S
(Messung von 𝛷1, bzw.
sin(2𝛷1)
Belle: 0.667 ± 0.023 ± 0.012Babar: 0.687 ± 0.028 ± 0.012)
Testet:KM-Mechanismus ist einegute Erklärung für CP-Verletzung im Kaon-System (𝛆K).
Grafische Darstellung der CKM Matrix-Parameter:Unitaritätsdreieck(e) normiert→2 Seiten, 3 Winkel;Nur eines ist nicht fast degeneriert.
Aktuelle CP-VerletzungsstudienAktuelle Arbeiten fokussieren auf 𝛷
2 :
(B→𝓑 𝛒0𝛒0) = (1,02 ± 0,30 ± 0,15) x 10-6 [BABAR: (0,92 ± 0,32 ± 0,14) x 10-6]
Longitudinale Polarisation: 𝔣L ~ 0,21 ± 0,2 ± 0,13
Durch Analyse, die Isospin-Symmetrienutzt, kann 𝛷
2 bestimmt werden.
B+→𝛒0𝛒+ erfordert Möglichkeit 𝛑0 Zerfällemessen zu können, wie auch andereMethoden 𝛷
2 zu bestimmen.𝛷
2 = (84.9 ± 12.9)°
[Ø aller Messungen: ~(85,4 ± 3,9)° ]
Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation
Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des “Tag”-Mesons:
• p( Bsig ) = - p( Btag ),
• alle verbleibenden Teilchen im
Detektor sollten vom Bsig kommen,
• Flavour Bsig @ Zeit (Zerfall Btag) =
- Flavour Btag,
• genaues Btag Vertexing → bessere
Schätzung der Zerfallslängendifferenz.
● ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden;
● ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein;
Studien mit vollständiger Ereignisinterpretation
Gewinnung von Informationen über das Signal-Meson durch Rekonstruktion des “Tag”-Mesons:
• p( Bsig ) = - p( Btag ),
• alle verbleibenden Teilchen im
Detektor sollten vom Bsig kommen,
• Flavour Bsig @ Zeit (Zerfall Btag) =
- Flavour Btag,
• genaues Btag Vertexing → bessere
Schätzung der Zerfallslängendifferenz.
● ~3 Promille der B-Mesonen können in rein hadronischen Zerfällen vollständig rekonstruiert werden;
● ~1% in semileptonischen B-Zerfällen, aber weniger rein;
𝛑
K
D
𝛑 tatsächlich 1000e Endzustände möglich;𝛑
𝛑
B → 𝛕 𝛖Selektion:
• Nur eine Spur auf der Signalseite;
• Energie im Kalorimeter, die keinem interpretierten Endzustandsteilchen zugeordnet werden kann(E
extra) klein;
• Struktur der fehlenden Masse, berechnet aus Anfangszustand und Impulsen der gemessenen Teilchen;
Verzweigungsverhältnis proportional zu |Vub
|, einer Seite im
nicht-degenerierten Unitaritätsdreieck:
• durch die letzte Belle-Analyse wieder ans SM herangerückt; BR~(0,72 ± 0,27) x 10-4
• Analyse mit semileptonischer Tag-Seite auf dem Weg.
Bessere Überein- stimmung mit SM
Einfluss dieser Messung
Details...
Relativ leicht zu messen.
B → h(*) 𝛖 𝛖
Selektion ähnlich wie B → ;𝛕 𝛖
Ähnliche Signatur für andere mögliche unsichtbare Teilchen wie Axionen;
B → D(*) 𝛑klar zu erkennen und entfernbar.
Pion-Impuls im Ruhesystem des Signalseiten B
B → h(*) 𝛖 𝛖Verteilung der Extra-Energie** in den
verschiedenen Kanälen.
• Keiner der Signalbeiträge ist signifikant.
Hinweis
Heute Nachmittag in Flavour 3 werden noch weitere Analysen dieser Art vorgestellt.Raum: GFH 01-701
Vollständige Ereignisinterpretation im Charm-Sektor
Die vollständige Ereignisinterpretation erlaubt auch absolute Verzweigungsverhältnisse im Charm-Sektor zu bestimmen.
Dazu wird z. B. in der Reaktion e+e- → cc → Dtag Kfrag Xfrag Ds*
mit Ds* → Ds das D𝛾 s nicht mitrekonstruiert.
o Das Dtag wird zum Ausgleich der Charm-Quantenzahl benötigt und
kann D0, D+, Λc+, D +∗ oder D*0 sein.
o Beim Λc+ wird noch ein Antiproton gefordert.
o Das Kfrag wird zum Ausgleich der Strangeness- Quantenzahl
benötigt.
o Xfrag kann eine Anzahl Pionen sein.
o Das aus dem D𝛾 s* ermöglicht eine gute kinematische Bedingung.
Ds-Resultate
Wir
• erhalten ca. ~100.000 völlig inklusiv rekonstruierte Ds Mesonen.
• eliminieren damit die Hadronisierungs- unsicherheit auf die Produktionsrate.
• rekonstuieren nun in einem sehr reinen
Ereignisrest spezielle Ds Zerfallskanäle,
und erhalten u.a.
(D𝓑 s→ ) =𝛍𝛖 (0,531 ± 0,028 ±
0,020)%
(D𝓑 s→ ) =𝛕𝛖 (5,70 ± 0,21 ± 0,30)%
und daraus 𝔣DS= (255,5 ± 4,2 ± 5,1) MeV.
(Weltbeste Einzelmessung!)
𝔣DS
ist der Formfaktor des Ds und seine
Messung ein wichtiger Test für die Gitter-QCD.Z.B.
C. Davies et al. (2010)𝔣DS
= (248,0 ± 2,5) MeV
Oder inklusive 𝛬c- Rekonstruktion
Resultat hier:
Wiederum ist diese Messung absolut und unabhängig von einem Referenzkanal.
Dies ist der Referenzkanal für alle anderen Messungen des c.𝛬
Die PDG Schätzung basiert of modellabhängigen Messungen von ARGUS und CLEO und ist:
Exotische Spektroskopie
Entdeckung des X(3872) durch Belle hat enormes Interesse an exotischer Spektroskopie hervorgerufen:
Entdeckung X(3872)869 Zitate
“Goldener Kanal”690 Zitate
Mehr Zitate als der “goldene Kanal” zur Überprüfung des KM-Mechanismus für den Belle gebaut wurde.
CMS und ATLAS haben auf Spires nur je ein Physik-Papier mit mehr Zitaten.
Weitere Durchbrüche
• 2011 entdeckte Belle die geladenen Z
b(10610) und Z
b(10650) mit einer
Signifikanz von 16 Sigma.o Masse → 2 b-quarks;o Ladung → Zustände können nicht aus
nur 2 b-quarks bestehen.
• 2013 wird das neue Z(3900)+ in den Daten von BES III, Belle und CLEO gefunden und die neue exotische Spektroskopie von vielen Medien wahrgenommen.
Y(5S) → Zb 𝛑
Eine Neue Form der Spektroskopie ist Entstanden
• Es gibt eine Reihe (O(10)) weiterer Zustände, die schlecht in Charmonium-Schema passen, als einzelne Entdeckungen zwar trotzdem wohl als solche interpretiert worden wären, aber nun anders behandelt werden.
• Je nach Produktion und Zerfall sind Dalitz-Plot oder Helizitätswinkel-Analysen möglich, die Aufschluss über Quantenzahlen geben;
o das X(3872) ist z.B. ein 1++ Zustand.
• Wahrscheinliche Interpretationen:
o 4-Quark-Zustand, Meson-Meson-Mokekül, Schwellen-Effekte,...
Neue Experimente mit viel höherer Luminosität haben hier viele Möglichkeiten weitere Zustände zu entdecken und die Natur der Zustände genauer zu erforschen.
Die Zukunft von Bellefür 50 ab-1
Positronen(4 GeV)
Elektronen(7 GeV)
Myon und KLong
Detektor
mit Widerstandsplatten-
kammern und
SzintillatorenStrahlrohr1,2 cmRadius
Driftkammer mitverlängertem Hebelarm
Aerogel-RICH
EM-Kalorimeter mitverbesserter Zeitauflösung
Propagationszeitmesser(Misst Flugzeit und Cherenkov-Winkel)
4 Lagen DSSD mit Neigung
2 Lagen DEPFET-Pixel-Detektoren
DEPFET-Pixel Detektor
• 8-bit Auflösung für die Energiedeposition im Pixel;
• Ortsauflösung O(10 );𝛍• Kommt mit Untergrund-Niveau bei R = 1,4 cm zurecht;
• 75 m dicke Siliziumschicht;𝛍• Elektronik auf Balkon an der Seite der Sensorfläche;
• Geringe elektrische Leistung mit entsprechend geringem Kühlbedarf;
→ sehr wenig Material innerhalb der Detektorakzeptanz;
SVD
• Zeitbestimmung von Hits mit einer Genauigkeit von wenigen ns.
• Geneigte Sensoren reduzieren das Materialbudget für Spuren in Vorwärtsrichtung.
Tracking
• Stark verbessertes Stand-Alone Tracking mit dem Vertexdetektor hilft beim Auffinden von Spuren mit geringem Impuls.
• Verschiedene weitere Verbesserungen sollen auch die Impulsbestimmung bei niederenergetischen Spuren verbessern, was z.B. bei der Assoziierung von langsamen Pionen zu D*→D Zerfällen hilft.𝛑
• Viele weitere Ideen, die z.B. der Vollständige Ereignisinterpretation und der Teilchenidentifikation helfen können.
Propagationszeitmesser
Messung vollständig intern reflektierter Cherenkov-Strahlung (à la DIRC in BABAR):
• x, y, t (𝛔t= 40 ps),
• Deutliche Verbesserung gegenüber Belle Aerogel + Flugzeitmessung im zentralen Bereich.→ Verbessert die Möglichkeiten der vollständigen Ereignisinterpretation.
Leistung bei 3 GeV/c Impuls
Rekonstruktion und Analyse
Analysen mit vollständiger Ereignisinterpretation können am meisten von neuen Techniken profitieren, da dieser relativ neue Ansatz* noch nicht voll erforscht ist.Einige Möglichkeiten:
• Einbinden inklusiverer Zerfälle, z.B. auch D → K(*) l nu;
• Verwenden teil- oder schlecht rekonstruierter 𝛑0;
• Bessere Verzahnung von (Spur-, Gamma-) Rekonstruktion und Analyse, z.B. für Nutzung von D* Trick;
• klügere Ereignisinterpretation (statt E extra);
• bessere Wahrscheinlichkeitsinterpretationen in der hierachischen Rekonstruktion des der B-Mesonen.
*noch 2001 dachten viele eine GigaZ Fabrik könnte B→ tau nu besser als Belle
Zusammenfassung + Ausblick• CP-Verletzungsstudien, Seltene Zerfälle, und Exotische Spektroskopie gehören zu
den Glanzlichtern der Physik bei Belle;o aktuell immer noch ca. 30 Publikationen pro Jahr;o in Zukunft liefert Beschleuniger eine Luminosität von ~1036 [cm s]-1
(O(100) mehr als zuvor).
• Belle wird mit fantastischen neuen Technologien aufgewertet, und neue Analysetechniken speziell für B-Fabriken werden entwickelt.o Daran beteiligen sich ~600 Personen, davon ~100 aus Deutschland mit
besonderem Fokus auf den DEPFET-Pixel-Detektor und die Software-Entwicklung.
Das wars!