Forschungs-Highlights - BaBar

1. Messung der CP-Verletzung im System der neutralen B-Mesonen

Messung der CP-Verletzung im System der neutralen B-Mesonen

Abb. 1: Zeitabhängige Verletzung der CP-Symmetrie im Zerfall B0→J/ψ K0S, gemessen mit dem ganzen Datensatz von BABAR. Das B0 und sein Antiteilchen zerfallen unterschiedlich schnell in diesen gemeinsamen Endzustand; dies wird durch die zeitabhaengige Asymmetrie (Abb. unten) gezeigt. Damit ist experimentell nachgewiesen, dass die Natur Teilchen und Antiteilchen unterscheidet: die CP-Symmetrie ist verletzt.

CP-Symmetrie bedeutet die Invarianz einer Reaktion unter Raumspiegelung und gleichzeitigem Austausch von Teilchen gegen ihre Antiteilchen. Experimente in den 1960ern zeigten, dass die schwache Wechselwirkung die CP-Symmetrie verletzt.
Zusammen mit dem Experiment Belle (KEK-B, Japan) hat BABAR die CP-Verletzung im System der neutralen B-Mesonen 2001 zweifelsfrei nachgewiesen. Mittlerweile ist der CP-verletzende Parameter sin 2β mit einer Präzision von besser als 4% bekannt. Die japanischen Physiker Kobayashi und Maskawa haben, ausgehend von einer Theorie des Italieners Cabbibo, 1974 einen Mechanismus postuliert, der CP-Verletzung im Standardmodell der Teilchenphysik erzeugen kann, und damit die damals schon bekannte CP-Verletzung im System der neutralen Kaonen erklärt. Der Mechanismus sagte die Existenz einer weiteren, dritten, Generation von Quarks voraus, die zu dieser Zeit experimentell noch nicht nachgewiesen waren. Zu den vorhergesagten Quarks gehörte das b- (bottom-) Quark, das 1977 entdeckt wurde. Die KM-Theorie sagte voraus, dass im System aus B0 und anti-B0 große CP-verletzende Effekte sichtbar sein sollten. Der Zerfall B0 → J/ψ K0S ist für Messungen der CP-Verletzung besonders gut geeignet: er ist experimentell sehr gut zugänglich, und die Messungen können mit sehr kleinen theoretischen Unsicherheiten auf die fundamentalen Parameter der Theorie übertragen werden. Die experimentelle Präzision, mit der die CP-Verletzung im B-System von BABAR und Belle gemessen wurde, hat mit dazu beigetragen, dass Kobayashi und Maskawa 2008 den Nobelpreis für Physik verliehen bekommen haben.
Die B-Fabriken BABAR und Belle haben CP-verletzende Effekte nicht nur in diesem einen „goldenen“ Kanal gemessen, sondern auch in einer Reihe weiterer Zerfallsarten von B-Mesonen, in denen sich Effekte von Physik jenseits des bekannten Standardmodells zeigen können. Mainzer Physiker sind an diesen Messungen beteiligt.

2. Messungen hadronischer Wirkungsquerschnitte via Radiative Return

Messungen hadronischer Wirkungsquerschnitte via Radiative Return

Abbildung: BABAR-Messung (schwarze Punkte) der Reaktionswahrscheinlichkeit e+e-  im Vergleich zum Weltdatensatz. Diese Messung sowie Messungen weiterer exklusiver hadronischer Kanäle tragen signifikant zum hadronischen Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons (g-2) bei und erlauben einen signifikanten Test des Standardmodells der Teilchenphysik.

Ein Weg zur Suche nach Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik (sog. Neue Physik) besteht in Niederenergie-Präzisionsuntersuchungen, bei denen für ausgewählte Größen eine Theorie-Vorhersage im Rahmen des Standardmodells mit einer hochpräzisen Messung verglichen wird. Findet man eine signifikante Abweichung zwischen Theorie und Experiment, ist dies ein Hinweis für Neue Physik. Bei dem anomalen magnetischen Moment des Myons handelt es sich um ein berühmtes Beispiel für eine solche Präzisionsvariable, die mittlerweile im sub-ppm-Bereich (ppm = parts per million) gemessen und theoretisch vorhergesagt wurde. Die Theorie-Standardmodell-Vorhersage ist vollkommen durch die ungenügende Kenntnis des Beitrags der starken Wechselwirkung limitiert. Die Mainzer BABAR-Gruppe arbeitet an Analysen, die zu einer signifikanten Verbesserung der Theorie-Vorhersage dieses starken Beitrags führen. Dabei werden Messungen der Reaktionswahrscheinlichkeit zur Erzeugung von Hadronen in der Elektron-Positron-Annihilation durchgeführt. Um diese Reaktionswahrscheinlichkeit auch bei PEP-II zu messen, wo eine feste Schwerpunktsenergie des Beschleunigers vorliegt, wird ein besonderer „Trick“ herangezogen, nämlich die Verwendung von Ereignissen mit Photonabstrahlung im Anfangszustand, der sog. Radiative Return. Die Mainzer Gruppe hat diese Methode zuvor bei dem KLOE-Experiment in Frascati entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Verwendet man die Messungen von KLOE und BABAR zur Berechnung der Myon-Anomalie, so beobachtet man eine Abweichung von >3 Standardabweichungen zwischen der Theorie-Vorhersage und der direkten Messung.

3. Hadronspektroskopie

Hadronspektroskopie

Abbildung: BABAR-Messung der Charmonium-Resonanz Y(4260). Dieses neue Elementarteilchen wurde im Zerfall Y(4260)J/ in Ereignissen mit Photonabstrahlung im Anfangszustand (sog. Radiative Return) gefunden.

Neben den Messungen zur Flavour-Struktur der elektroschwachen Wechselwirkung (z.B. der CP-Verletzung im System der neutralen B-Mesonen, s.o.) bieten sich bei BABAR einzigartige Möglichkeiten, die starke Wechselwirkung sowie die Struktur stark gebundener Systeme zu untersuchen. Die Spektroskopie von mesonischen Zuständen mit einem oder mit zwei Charm-Quarks, sog. D-Mesonen und Psi-Mesonen und ihre Anregungen, hat in den letzten Jahren aufgrund einer Vielzahl von Entdeckungen an den B-Fabriken eine Renaissance erlebt. So konnten u.a. bei BABAR die neuen Elementarteilchen X(3872) und Y(4260) mit einer Masse von 3.87 GeV /c2 und 4.26 GeV/c2 entdeckt werden. Die etablierten nichtrelativistischen QCD-Potentialrechnungen sagen keine Teilchen bei diesen Massen voraus. Es wird deshalb spekuliert, ob es sich bei diesen Zuständen z.B. um exotische Elementarteilchen bestehend aus 4 Quarks oder andere Exotika handeln könnte. Sogenannte Radiative-Return-Messungen, an denen Mainzer Physiker maßgeblich beteiligt sind (s.o.), besitzen ein besonderes Potential hinsichtlich der Hadronspektroskopie. In solchen Analysen gelang es auch neue Teilchen bei niedrigeren Energien im Bereich von ca. 2 GeV, zu entdecken.