Seltene K-Zerfälle
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Seltene K-Zerfälle
Ivan MikulecHEPHY Wien
31. März 2004 - DPG Tagung, Mainz
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 2
ÜbersichtPhys. Fragestellung der seltenen K-ZerfälleAktive ExperimenteDie Zerfälle KL,S0ll Der Zerfall K+
Die Zerfälle KLKL
Andere aktuelle ResultateGeplante ExperimenteZusammenfassung
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 3
Zielsetzung K-Zerfälle haben wesentlich zum Aufbau des
Standard Modells (SM) beigetragen Hauptinteresse heute: Suche nach neuer Physik
jenseits des SM Messung der seltenen Zerfällen ist komplementär
zur Suche nach neuen Teilchen oder zu Präzisionsmessungen
Verletzungen der SM-Symmetrien können an den Zerfallsraten beobachtet werden
Kurzdistanz-Prozesse am sensitivsten für neue Physik
Die Langdistanz-Prozesse müssen manchmal abgezogen werden - beschrieben durch die chirale Störungstheorie (PT)
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 4
Landkarte der seltenen K-Zerfälle
Einzige Quelle der CP-Verletzung (CPV) in SM: JCP = 2x CKM Fläche = Im(Vud
*VusVts*Vtd) ~ cosc sinc
Imt
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 5
CERN:NA48 1997-2001 KLNA48/1 2000,02 KSNA48/2 2003,04 K±
Fermilab:KTeV 1997,99 KL
Frascati (Daphne):KLOE >2000 KS,KL, K±
BNL:E787 1995-99 K+
E949 >2002 K+
AktiveExperimente
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 6
Aktivitäten der Experimente
NA48/1 2003
NA48 1999KTeV 2001-prel.
NA48/1 2003KLOE 2003
NA48/1 2003
NA48/1 2003-prel.
KTeV 2001
KTeV 1999NA48 2002
KTeV 2000
KTeV 2000-prel.
E787 2002-prel.
NA48/1 prel.
KLOE prel.
KTeV 2000
KTeV 1998NA48 2003
NA48 prel.
E871 1998
E799 1998E865 2000
E871 2000
E787 1997 E865 1999
E865 2000
E949 prel.
KLOE prel.
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 7
Die Zerfälle KL,S0ll
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 8
Analyse des Zerfalls KL0ll
KL0llADCPV~CKM~Im t
AICPV~A(KS0ll)
ACPC~A(KL0)m<110MeV
Neue Analyse des ee Kanals: Buchalla, D’Ambrosio, Isidori, NPB 2003. (BDI)
Direkte CPV:
BDI: BRDCPV(ee)≈4.4x10-12
Indirekte CPV:
CP-erhaltend:
Kurzdistanz-Prozess:
Interferenz
K0-K0 mixing-
CP-verletzenderZerfall:
3 Amplituden
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 9
CP-erhaltende Amplitude von KL0ll In der chiralen Störungsentwicklung haben KL0 und
KSkeinen Beitrag in O(p2). Die O(p4) Amplituden können genau (±5%) berechnet
werden.
Die lokalen O(p6) Beiträge bestimmen die CP-erhaltende Amplitude von KL0ll und müssen gemessen werden.
PT-O(p4): ~0.6x10-6 ~2.1x10-6
m
Der O(p6) Beitrag zu (KL0) bei niedringen m
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 10
Der O(p6) Beitrag in KL0 wird durch Vektor-Meson Austausch (Vector Meson Dominanz Modell: VMD) dominiert.
Die O(p6) Amplitude von KSbestimmt den nicht-VMD Beitrag (klein).
CP-erhaltende Amplitude von KL0ll
BR(KL0)30<m<110MeV < 0.6x10-8
BDI 2003: BR(KL0ee)CPC < 3x10-12
(konservativ) => vernachlässigbar klein
NA48
PLB 2002
BR(KS) = (2.78±0.07)x10-6NA48/1
€
A(p6)(gemessen )A(p4 )(χPT)
= (15 ± 3)% Bester Test der chiralen Störungsentwicklung: mK
2/(4F)2≈20%
PLB 2003
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 11
Suche nach KS0llZiel: Bestimmung der indirekt-CPV Amplitude des
Zerfalls KL0ll
Theorie(PT): BR(KS0ll) ~ ?x10-9
Unbekannter Formfaktor: WS~aS+bS(mll/mK)2
Von der Messung von ee und im Prinzip aS und bS unabhängig messbar (4 Lösungen)
PT+VMD Modell: aS/bS=0.4 BR(KS0ee)/BR(KS0)=0.23 Experimenteller Hinweis: BR(K++ee)/BR(K+
+ )=0.167±0.036
KS~K1+K2 KL~K2+K1 BR(KL0ll )ICPV~2BR(KS0ll) K1, K2 - CP Eigenzustände
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 12
Suche nach KS0eeWichtiger Untergrund:KS00 mit 0eeDalitz oder Konversion)
Benötigt einen Schnitt:mee>0.165 GeV/c2
SignalbereichBlinde Analyse
NA48/1
Dieser Bereichsehr gut verstanden
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 13
Suche nach KS0eeRestlicher Untergrund:Zufällige Koinzidenzen: Signalfenster: |t| < 3 ns Datensatz mit erweitertem Zeitfenster: 3 ns < |t| < 50 ns
KLee2001 Daten mit KL Fluss 10x grösser als 2002
NA48/1
Auch restlicher Untergrund «1 Ereignis
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 14
Suche nach KS0eeUntergrund Erwartung:
Quelle EreignisseKL0
D0D <0.01
KLee 0.08+0.03-
0.02
Zuf. Koinz. 0.07+0.07-
0.03
Summe 0.15+0.10-
0.04
NA48/1
7 Ereignissebeobachtet
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 15
Suche nach KS0 Wichtigste Untergrundsquelle:
Zufällige Koinzidenzen von KL und KS00
Durch 50x Erweiterung (auf 150ns) des Zeitfensters gemessen
Quelle EreignisseKL0 0+0.02
-0.00 KL 0.04±0.04Zuf. Koinz. 0.18+0.18
-
0.11
Summe 0.22+0.19-
0.12
erwarteter Untergrund
NA48/1
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 16
Suche nach KS0
Schnitte in m ausserhalb des kinematischen Bereichsbessere Akzeptanz als ee Kanal
NA48/1KL0
6 Ereignisseim Signalbereichbeobachtet
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 17
KS0ll Verzweigungsverhältnisse
BR(KS0ee) = (5.8+2.8-2.3 stat ± 0.8syst) x10-9
BR(KS0) = (2.9 +1.9-1.4 stat ± 0.2syst) x10-9
BR(KS0ee)mee>165MeV = (3.0 +1.5-1.2 stat ± 0.2syst) x10-9
Zentralwert extrapoliert mit Formfaktor WS(mee)=1:
€
BRKS → 0BRKS → 0
=0.50±0.33Kompatibel mitPT+VMD: 0.23
NA48/1Bei 0 keine Extrapolierung notwendig:
PLB 2003
prel.
BR(KL0ee)CPV ≈ (17IND ± 9INT + 4DIR) x10-12
BR(KL0)CPV ≈ (9IND ± 3INT + 1DIR) x10-12
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 18
PT: Bestimmung des Formfaktors WS
WS~aS+bS(mll/mK)2 aS und bS können nur bedingt begrenzt werden durch hohe Korrelation der Ellipsen und grosse statistische Fehler
Mit dem VMD Ansatz:|aS|ee=1.06+0.26
-0.21±0.07|aS|=1.55+0.38
-0.32±0.05
NA48/1
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 19
Suche nach KL0ee KTeV: preliminary
1999 Daten 0.99±0.35 Untergrund-
Ereignisse erwartet
KL(00D 0D+0acc
1 Ereignisbeobachtet
KTeV
KLee
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 20
1997 Daten (PRL 2001): 2 Kandidaten bei 1.06±0.41 Untergrund BR(KL0ee) < 5.1x10-10 (90%CL)1999 Daten (preliminary): 1 Kandidat bei 0.99±0.35 Untergrund BR(KL0ee) < 3.5x10-10 (90%CL)kombiniert BR(KL0ee) < 2.8x10-10 (90%CL)
-1.3x10-3 < Im t < 1.0x10-3
Suche nach KL0ee KTeV
oder |CKM|<3.3 (BDI: 2.6)
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 21
Suche nach KL0
Hauptuntergrund
1997 Daten (PRL 2000) 2 Kandidaten bei 0.87±0.15 Untergrund
BR(KL0) < 3.8x10-10 (90%CL)
|CKM|<7
KTeV
KL
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 22
Zusammenfassung KL0ll Zur Zeit KTeV
Obergrenzen eine Grössenordnung höher als im SM erwartet
Sensitivität auf Im t nur im Fall einer konstruktiven Interferenz zwischen dir. und indir. CPV Amplituden
Benötigt wesentlich höhere Statistik sowohl in KS als auch in KL
KLeeUntergrund kritisch
Von NA48/1 KS Messungen und BDI 2003 (konstruktive Interferenz angenommen):
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 23
Der Zerfall K+
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 24
Suche nach K+Reine Kurzdistanz Physik: BR(K+)~(-0)2+
(2
Von SM: BR=(8.0±1.1)x10-11
Experiment E787 auf AGS BNLDaten 1995-992 Signalbereiche:
– Region I: voll analysiert– Region II: mehr Untergrund
Region I
Region II
E787
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 25
Suche nach K+ E787
BR(K+)=(15.7+17.5-8.3)x10-11
Daten
Reg
Sig. Untergr.
95-99
I 2 0.15±0.05
PRL 2002
1996II
1 0.7±0.2 PLB 2002
1997 0 0.5±0.2 Prelimin. Region I
BR(K+) < 22x10-10 90%CL
Region II
0.29 < | t |/10-3 < 1.2 68% CL
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 26
Suche nach K+ E949
1 Ereignissdazugekommen!
neu!
E949: Nachfolge-Experiment von E787
Erste Daten im 2002 Resultat von Region I
wurde letzte Woche angekündigt
E787+E949 kombiniert:BR(K+) = (14.7+13.0
-8.9) x10-11
BR(K+) > 4.2x10-11 90%CL
oder
Vergleich SM: BR=(8.0±1.1)x10-11
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 27
Die Zerfälle KLKL
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 28
Analyse des Zerfalls KL
KL
ASD~(0CKM)
Adisp~K* BMS Modell(83)~ DIP Modell(98)
SM: BRSD≈(0.8±0.3)x10-9
Absorptiv:
Dispersiv:
Kurzdistanz Physik:
Interferenz
-+…
dominant
E871 2000:BR=
(7.18±0.17)x10-9Langdistanz:
Aabs~A(KL)
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 29
KLVerzweigungsverhältnisse
BR(KLee)(prel.)(10.19 ± 0.04 ± 0.07 ± 0.29) x 10-6
BR(KLeeee)(prel.)(4.16 ± 0.13 ± 0.13 ± 0.17) x 10-8
BR(KLee)(PRL 2003)(2.69 ± 0.24 ± 0.12) x 10-9
KTeV
stat syst norm
stat syst norm
stat syst
Vergleich der BR(KLee) Messungen
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 30
KLFormfaktoren KTeV
K*
2.6DiskrepanzzwischenNA48 undKTeV eeResultaten
K*(ee )= -0.186±0.011±0.009K*(eeee )= -0.03±0.13±0.04K*(ee )= -0.19±0.11
(DIP)=-1.611±0.044Keine Sensitivität zu (DIP)
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 31
Messung des Zerfalls KL
KLOENeue Messung von KLOE: (PLB 2003)(KL)/(KL000) =
(2.79 ± 0.02stat ± 0.02syst) 10-3
stimmt gut übereinmit NA48: (PLB 2003)(KL)/(KL000) = (2.81 ± 0.01stat ± 0.02syst) 10-3
Schlussfolgerung für KL(Isidori, Unterdorfer 2003): -0.5 < CKM < 2.1 (2.9)-
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 32
CKM-Unitaritätsdreieck heuteIsidori, Unterdorfer 2003
E787+E94968% CL nach Isidori
Beliebige Ausgrenzung der roten Ellipse würde neue Physik signalisieren
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 33
Andere aktuelle Resultate
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 34
Der Zerfall KL0e Interessant für PT: z.B. Streuung
Formfaktoren:5 Cabibbo-MaksymowiczVariablen gefittet:fS= 0.052 ± 0.006 ± 0.002fP= -0.051 ± 0.011 ± 0.005g= 0.087 ± 0.019 ± 0.006h = -0.32 ± 0.012 ± 0.07
BR(KL0e) = (5.21 ± 0.07stat ± 0.09syst)x10-5
NA48
2.5xbessereGenauigkeit
---
NA48 preliminary
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 35
Der Zerfall KS000
Dane: e+e- KS KL KS identifiziert durch KL+-
KLOE
4 Signalereignisse bei 3±1.3±0.2 Untergrund E.
BR(KS000) < 2.1x10-7
|000| < 2.4x10-2
CP-Verletzender Zerfall:KLOE preliminary: 90% CL
NA48/1 prel.: BR < 3x10-7
SM Erwartung 3x10-9
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 36
Der Zerfall KSeCPT Test: Erste Messungder Ladungsasymmetrie in KS:
S(e) = (-2±9±6) x10-3
KLOEKLOE preliminary (Moriond 2004):BR(-e+) = (3.54±0.05stat±0.05syst)x10-4
BR(+e-) = (3.54±0.05stat±0.04syst)x10-4
BR(e ) = (7.09±0.07stat±0.08syst)x10-4
CKM Unitaritätstest: |Vud|2+|Vus|2 +|Vub|2 = 1
PDG2002: ~2 AbweichungNeue Resultate in bessererÜbereinstimmung mit Unitarität(theoretische Unklarheiten)
L(e) = (3.32±0.07) x10-3
KLOEE865
PDG fit
E865KLOE E865KLOE
PT –p4 PT –p6
Vus
K L O E P R E L I M I N A R Y
PDG PDG
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 37
Messung des BR(KLe)NA48 Bisherige Situation:
signifikanter Unterschied zwischen KTeV und Theorie
Radiative Korrekturen wichtig
Versuch einer modellunabhängigen Messung: MC gewichtet mit K-Energie und e* aus Daten
(KLe)/(KLe) = (9.60 ± 0.07 +0.12-0.11) x10-3
NA48 preliminär:
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 38
CERN: NA48/3 ?K+
Fermilab: CKMK+
KEK: E391aKL0Stufe II geplantmit J-PARK
BNL: KOPIOKL0
geplanteExperimente
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31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 39
Zusammenfassung Die neuen NA48/1 Messungen von KS0ll haben die
Verhältnisse zwischen Kurzdistanz- und Langdistanz-Amplituden in KL0ll geklärt. Die direkte CP-Verletzung ist nur durch positive Interferenz mit der indirekten CPV-Amplitude erreichbar.
E787+E949 haben 3 K+Ereignisse beobachtet Vorgestellte experimentelle Ergebnisse können benützt
werden, um Modelle jenseits des SM einzuschränken Projekte für neue Experimente im Bereich der seltenen
K-Zerfälle existieren Schwerpunkt: die Zerfälle Kfrei von Langdistanz-Prozessen und hoch sensitiv für einige Modelle jenseits des Standard-Modells