Seltene K-Zerfälle Ivan Mikulec HEPHY Wien 31. März 2004 - DPG Tagung, Mainz

Seltene K-Zerfälle

Ivan MikulecHEPHY Wien

31. März 2004 - DPG Tagung, Mainz

31. März 2004 I. Mikulec: Seltene K-Zerfälle 2

Übersicht

Phys. Fragestellung der seltenen K-Zerfälle

Aktive Experimente

Die Zerfälle KL,S0ll

Der Zerfall K+

Die Zerfälle KLKL

Andere aktuelle Resultate

Geplante Experimente

Zusammenfassung


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)


Landkarte der seltenen K-Zerfälle

Einzige Quelle der CP-Verletzung (CPV) in SM: JCP = 2x CKM Fläche = Im(Vud

*VusVts*Vtd) ~ cosc sinc

Imt


CERN:NA48 1997-2001 KL

NA48/1 2000,02 KS

NA48/2 2003,04 K±

CERN:NA48 1997-2001 KL

NA48/1 2000,02 KS

NA48/2 2003,04 K±

Fermilab:KTeV 1997,99 KL

Fermilab:KTeV 1997,99 KL

Frascati (Daphne):KLOE >2000 KS,KL, K±

Frascati (Daphne):KLOE >2000 KS,KL, K±

BNL:E787 1995-99 K+

E949 >2002 K+

BNL:E787 1995-99 K+

E949 >2002 K+

AktiveExperimente

AktiveExperimente


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.


Die Zerfälle KL,S0ll


Analyse des Zerfalls KL0ll

KL0llKL0ll

ADCPV~CKM~Im tADCPV~CKM~Im t

AICPV~A(KS0ll)AICPV~A(KS0ll)

ACPC~A(KL0)m<110MeVACPC~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


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

Der O(p6) Beitrag zu

(KL0) bei niedringen m


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

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)%

€

A(p6)(gemessen )A(p4 )(χPT)

= (15 ± 3)% Bester Test der chiralen Störungsentwicklung: mK

2/(4F)2≈20%

Bester Test der chiralen Störungsentwicklung: mK

2/(4F)2≈20%

PLB 2003


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


Suche nach KS0eeWichtiger Untergrund:KS00

mit 0eeDalitz oder Konversion)

Benötigt einen Schnitt:mee>0.165 GeV/c2

SignalbereichBlinde Analyse

SignalbereichBlinde Analyse

NA48/1

Dieser Bereichsehr gut verstanden

Dieser Bereichsehr gut verstanden


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


Suche nach KS0ee

Untergrund Erwartung:

Quelle Ereignisse

KL0D0

D <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

7 Ereignissebeobachtet


Suche nach KS0 Wichtigste Untergrundsquelle:

Zufällige Koinzidenzen von KL und KS00

Durch 50x Erweiterung (auf

150ns) des Zeitfensters gemessen

Quelle Ereignisse

KL0 0+0.02-0.00

KL 0.04±0.04

Zuf. Koinz. 0.18+0.18-

0.11

Summe 0.22+0.19-

0.12

erwarteter Untergrund

NA48/1


Suche nach KS0

Schnitte in m ausserhalb des kinematischen Bereichsbessere Akzeptanz als ee Kanal

NA48/1

KL0KL0

6 Ereignisseim Signalbereichbeobachtet

6 Ereignisseim Signalbereichbeobachtet


KS0ll Verzweigungsverhältnisse

BR(KS0ee) = (5.8+2.8-2.3 stat ± 0.8syst) x10-9BR(KS0ee) = (5.8+2.8

-2.3 stat ± 0.8syst) x10-9

BR(KS0) = (2.9 +1.9-1.4 stat ± 0.2syst) x10-9BR(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:

€

(BR KS → 0)

(BR KS → 0 )ee

=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


PT: Bestimmung des Formfaktors WS

WS~aS+bS(mll/mK)2aS und bS können nur bedingt begrenzt werden durch hohe Korrelation der Ellipsen und grosse statistische Fehler

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

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


Suche nach KL0ee KTeV: preliminary

1999 Daten 0.99±0.35 Untergrund-

Ereignisse erwartet

KL(00D 0D+0accKL(00D 0D+0acc

1 Ereignisbeobachtet

1 Ereignisbeobachtet

KTeV

KLeeKLee


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)


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

KLKL


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):


Der Zerfall K+


Suche nach K+Reine Kurzdistanz Physik: BR(K+)~(-0)2+

(2Von 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 IRegion I

Region IIRegion II

E787


Suche nach K+ E787

BR(K+)=(15.7+17.5-8.3)x10-11BR(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


Suche nach K+ E949

1 Ereignissdazugekommen!

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) x10-11BR(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


Die Zerfälle KLKL


Analyse des Zerfalls KL

KLKL

ASD~(0CKM)ASD~(0CKM)

Adisp~K* BMS Modell(83)

~ DIP Modell(98)

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)x10-9

Langdistanz:

Aabs~A(KL)Aabs~A(KL)


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


KLFormfaktoren KTeV

K*

2.6DiskrepanzzwischenNA48 undKTeV eeResultaten

K*(ee )= -0.186±0.011±0.009

K*(eeee )= -0.03±0.13±0.04

K*(ee )= -0.19±0.11

(DIP)=-1.611±0.044Keine Sensitivität zu (DIP)


Messung des Zerfalls KL

KLOE

Neue 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)-


CKM-Unitaritätsdreieck heuteIsidori, Unterdorfer 2003

E787+E94968% CL nach Isidori

Beliebige Ausgrenzung der roten Ellipse würde neue Physik signalisieren


Andere aktuelle Resultate


Der Zerfall KL0e Interessant für PT: z.B. Streuung

Formfaktoren:5 Cabibbo-MaksymowiczVariablen gefittet:fS= 0.052 ± 0.006 ± 0.002

fP= -0.051 ± 0.011 ± 0.005

g= 0.087 ± 0.019 ± 0.006

h = -0.32 ± 0.012 ± 0.07

BR(KL0e) = (5.21 ± 0.07stat ± 0.09syst)x10-5

NA48

2.5xbessere

Genauigkeit

--

-

NA48 preliminary


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) < 2.1x10-7BR(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


Der Zerfall KSeCPT Test: Erste Messungder Ladungsasymmetrie in KS:

S(e) = (-2±9±6) x10-3

KLOE

KLOE 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

KLOE

E865

PDG fit

E865KLOE E865

KLOE

PT –p4 PT –p6

Vus

K L O E P R E L I M I N A R Y

PDG PDG


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:


CERN: NA48/3 ?

K+CERN: NA48/3 ?

K+

Fermilab: CKMK+Fermilab: CKMK+

KEK: E391aKL0Stufe II geplantmit J-PARK

KEK: E391aKL0Stufe II geplantmit J-PARK

BNL: KOPIOKL0BNL: KOPIOKL0

geplanteExperimente

geplanteExperimente


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

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