BaBar (doświadczenie)

BaBar (zgodnie z klasyfikacją "mezonu B" i jego antycząstki, "słupek B") to eksperyment z fizyki cząstek prowadzony w ramach międzynarodowej współpracy z pierścieniem akumulacyjnym e + e - PEP-II w Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) w Kalifornii . Przeznaczony jest do badania fizyki mezonów B i naruszenia symetrii CP w ich słabych rozpadach .

BaBar przestał pobierać dane Kwiecień 2008i ma ponad 570 publikacji na koniec 2017 r. w Physical Review D i Physical Review Letters .

Program naukowy

Te cząstki elementarne wykazują symetrie których badanie pomaga zrozumieć naturę ich interakcji. W szczególności dyskretne symetrie C ( koniugacja ładunku ), P ( parzystość ) i T ( inwersja czasu ) nie są zachowywane w słabych oddziaływaniach kwarków . Twierdzenie CPT, jednak stwierdza, że ich produkt jest zachowana przez wszystkich interakcji. W szczególności masa i średni czas życia cząstki są identyczne jak jej antycząstki. Od 1964 r. Wiemy, że symetria CP jest naruszana, bardzo słabo, w rozpadach neutralnych kaonów .

Standardowy model wyjaśnia naruszenie symetrii CP przez obecność złożonej perspektywie w Cabibbo-Kobayashi-Maskawy (CKM) matrycy, która parametryzuje elektrosłabe rozpady kwarkach. Ten złożony termin może istnieć tylko wtedy, gdy liczba rodzin kwarków jest co najmniej równa 3, co jest prawdą.

Eksperyment BaBar został zbudowany w celu zbadania naruszenia CP w słabych rozpadach neutralnych mezonów B 0 , utworzonych z kwarku d i antykwarka b oraz naładowanego B + , utworzonego z kwarka u d 'antykwarka b.

Rozwój pierwszego rzędu powodu Lincoln Wolfenstein (IN) i zwany parametryzacji Wolfenstein (in) opisuje kompleksową określenie macierzy CKM oparciu o liczbę zespoloną (ρ + I r |), którego reprezentacja w płaszczyźnie zespolonej ustaleniu unitarity trójkąta z następujących Macierz CKM.

Pierwszą i ważną częścią programu naukowego jest metrologia o dużej precyzji i silnych ograniczeniach (mała liczba parametrów modelu musi uwzględniać dużą liczbę pomiarów eksperymentalnych) macierzy CKM. Pomiary kątów trójkątów, związane z fazą (ρ + i η), są możliwe tylko wtedy, gdy co najmniej dwie amplitudy przyczyniające się do tego samego stanu końcowego kolidują . Pomiary długości boków trójkąta wykorzystują proste pomiary szybkości rozgałęzień. Do tych pomiarów staramy się wybrać rozpad, dla którego pojedynczy diagram Feynmana przyczynia się do pierwszego rzędu i dla którego znajomość parametrów hadronowych , które pozwalają na powiązanie charakterystyk rozpadów mezonów - co obserwujemy - do kwarków, które je tworzą - opisanego macierzą CKM - jest dostatecznie dobry.

Druga część programu to poszukiwanie naruszenia Modelu Standardowego ze względu na ewentualną „nową” fizykę, np. Supersymetrię . W tym celu badamy mody, w których dominujący diagram Feynmana zawiera pętlę: udział cząstki nieznanej do tej pory wywołałby mierzalny efekt. Szczególnie interesujące jest poszukiwanie trybów, dla których Model Standardowy przewiduje wyjątkowo niskie tempo rozgałęzień.

Opis czujki

Detektor BaBar wykorzystuje wiązki z pierścienia akumulacyjnego PEP-II: wiązka elektronów 9 GeV i wiązka pozytonów 3,1 GeV zderzają się w środku detektora. Energia wiązki jest regulowana tak, że energia w odniesieniu do środka ciężkości odpowiada masie mezonowej Υ (4S) , po trzech e wzbudzonego stanu Υ pierwszy być ciężkie wystarczy rozpadają się w parę B - Bbar. Asymetria energii umożliwia zmierzenie różnicy w żywotności dwóch B, poprzez różnicę ich drogi przed rozpadem.

Sam detektor ma kształt cylindryczny i składa się z kilku warstw:

Krzemowy detektor wierzchołków (SVT) składający się z 5 dwustronnie odczytujących warstw krzemu wykonuje precyzyjną trajektorię naładowanych śladów jak najbliżej wierzchołka (in) zdarzenia,

Komora dryftu (DCH), komora druciana składająca się z 40 warstw komórek, uzupełnia trajektorię, zapewniając w szczególności pomiar impulsu śladu,

Detektor promieniowania Czerenkowa , transmitowany przez całkowite odbicie wewnętrzne (DIRC), składający się ze 144 cienkich prętów kwarcu w układzie cylindrycznym. Światło Czerenkowa emitowane jest do materiału pod kątem zależnym od prędkości naładowanej cząstki, a tym samym od jej masy przy danym pędzie, co daje możliwość identyfikacji natury cząstki. Fotony rozchodzą się wzdłuż paska w wyniku odbicia, przy czym kąt jest starannie zachowany. Na końcu słupka i po przejechaniu około jednego metra w zbiorniku z ultra czystą wodą foton jest wykrywany przez fotopowielacz . Z położenia słupka i fotopowielacza otrzymujemy pomiar kąta Czerenkowa, a tym samym masy cząstki.

Kalorymetr elektromagnetyczny (EMC), składający się z 6,580 migające kryształów o CSI , w którym elektrony i fotony ze przypadku tworzą się prysznic elektromagnetycznego i depozyt większość energii, która jest wyznaczana.

Elektromagnetycznego , zawór elektromagnetyczny nadprzewodnik , który tworzy pole magnetyczne 1,5 T . Trajektoria ładowanych śladów jest zakrzywiona przez pole, co umożliwia pomiar impulsu.

Oprzyrządowany zwrot z pola (IFR). Gruba warstwa żelaza kieruje strumień magnetyczny na zewnątrz magnesu. Materiał ten jest „oprzyrządowany” w płaszczyznach detektorów cząstek, umożliwiając obserwację natrysków tworzonych przez hadrony. W miony tylko przez IFR, bez pozostawiania śladu, wieniec i są w ten sposób zidentyfikowane.

Zarejestrowane dane

Doświadczenie BaBar gromadziło dane przez prawie dekadę, w większości w energii odpowiadającej masie Υ (4S), trzy e radialnego mezonu stanu wzbudzonego Upsilon, to znaczy przy 10,58 GeV . Niewielką część danych uzyskano przy nieco niższej energii, 40 MeV , w celu zbadania szumu tła interakcji e + e - . Ostatecznie w 2008 r. Kilka miesięcy pracy poświęcono na badanie odpowiednio pierwszego i drugiego stanu wzbudzonego mezonu ϒ (2S) i ϒ (3S).

Po szybkim uruchomieniu chwilowa jasność akceleratora osiągnęła i przekroczyła 10 34 cm −2 s −1 .

	Daktyle	Całkowita zintegrowana jasność (fb −1 )	Liczba upsilon
upsilon (4S)	1999 - 2007	426	468 milionów
upsilon (3S)	2008	28	122 miliony
upsilon (2S)	2008	14	99 milionów

Wyniki

Pomiar β

Dzięki silnemu naruszeniu CP w sektorze mezonów B i wysokiej jasności zapewnianej przez akcelerator PEP-II, w eksperymencie BaBar szybko zaobserwowano znaczną różnicę między rozpadem B 0 a rozpadem na mezon. J / ψ i a krótki neutralny kaon K S 0 . Różnica ta pozwoliła zmierzyć wartość sin (2β), gdzie β jest jednym z kątów trójkąta unitarności, wartością dodatnią i niezgodną z zerem - η jest wtedy niezerowe, CP jest naruszone, a trójkąt n nie jest płaskie. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ bar {B}} \, ^ {0}}$

Ten rozpad jest bardzo mało zanieczyszczony hadronowymi niepewnościami, w przeciwieństwie do rozpadów kaonu, które pozwoliły na pierwszą obserwację naruszenia CP - była to pierwsza obserwacja naruszenia CP przez mechanizm CKM (czytaj) .

Miara α

BaBar mierzy kąt α w serii nieuzbrojonych rozpadów (π + π - , ϱ + π - , ϱ + ϱ - ). Zwłaszcza w kanale B → ϱϱ zanieczyszczenie przez wykresy z pętlą jest niskie, a niepewność pomiaru α jest zmniejszona. Phys.Rev.Lett.98: 111801,2007 .

Pomiar γ

Kąt γ jest mierzony w rozpadach mezonów B + na neutralny zaczarowany mezon D (*) i naładowany dziwny mezon K (*), w szczególności dzięki nakładaniu się - a zatem interferencji - w płaszczyźnie Dalitza (en ) rozpady trzech ciał D0 i D̄ 0 do tego samego stanu końcowego Odw. fiz . D78 (2008) 034023 .

Akcelerator PEP-II to nie tylko fabryka mezonów B o bardzo wysokiej jasności. Produkuje również setki milionów zaklętych mezonów, z leptonu τ ..

Odkrycie Y (4260)

Badając układ J / ψ π + π - wytworzony w oddziaływaniu e + e - po napromieniowaniu fotonu w stanie początkowym odkryliśmy nową cząstkę o masie zbliżonej do 4,260 GeV / c 2 . Ten dotąd nieznany rezonans ma inne właściwości niż zwykły mezon charmonium , stan związany kwarka c i antykwark c, i być może jest nowym stanem materii, pierwszym zaobserwowanym stanem d 'hybrydowym mezonem, związanym stanem kwarku ac i ac antykwark i gluon (czytaj) .

Odkrycie η b

Analizując rozpady na Υ (3S) mezon w dedykowanych danych uzyskanych na początku 2008 roku, Babar odkrył Ti b The stan podstawowy z bottomonium mezonem które były poszukiwane po odkryciu Υ w 1977. r | b konieczności, myśli -t jednego, bardzo wielu kanałów rozpadu, badania prowadzono w sposób inkluzywny, obserwując jedynie foton odrzutu rozpadu radiacyjnego ϒ (3S) → η b γ. (czytaj) .

Wskaźniki odchyleń od prognoz modelu standardowego cząstek elementarnych

Oprócz rdzenia programu naukowego opisanego powyżej, oddziaływań elektrosłabych i silnych oddziaływań w ramach standardowego modelu cząstek elementarnych , BaBar bada serię reakcji, które mogą dostarczyć wskazówek co do obecności „nowej fizyki”, wykraczającej poza model standardowy . Żadne z tych badań nie wykazało dotychczas znaczącego odchylenia , to znaczy wartości p odpowiadającej więcej niż pięciu odchyleniom standardowym ( ). Te wskazówki wymagają potwierdzenia lub zaprzeczenia przez inne eksperymenty. ${\ Displaystyle 5 \ sigma}$

Szybkość produkcji hadronów w oddziaływaniu elektron-pozyton i „anomalny” moment magnetyczny mionu

Moment magnetyczny elementarnej cząstki jest proporcjonalna do wirowania , a współczynnik proporcjonalności, który wiąże się do czynnika , który równanie Diraca prognozuje dla cząstek wirowania 1/2. Odchylenia od tej wartości spowodowane efektami kwantowej teorii pola wywodzą nazwę anomalnego momentu magnetycznego dla . Dokładny pomiar anomalnego momentu magnetycznego elektronu zapewnia dokładny pomiar stałej struktury drobnoziarnistej α. Precyzyjny pomiar anomalnego momentu magnetycznego mionu umożliwia następnie przetestowanie jego przewidywania za pomocą modelu standardowego . Niepewność co do szybkości produkcji hadronów w interakcjach elektron-pozyton, będąca największym wkładem w niepewność prognozy , BaBar opracował metodę wykorzystującą promieniowanie w stanie początkowym (we) do systematycznego pomiaru wszystkich dostępnych stanów końcowych w kampanii. można poprawić dokładność znajomości tych wskaźników. Istotność różnicy między pomiarem a prognozą wyniosła na koniec 2017 roku 4,1 odchylenia standardowego . $sol$ ${\ Displaystyle | g | = 2}$ $sol$ ${\ displaystyle g _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle g _ {\ mu}}$

Powszechność elektrosłabych sprzężeń leptonów

Standardowy model opisuje 3 znanych naładowane leptony na elektron , na mion i tau , ponieważ różnią się one tylko w swojej masie. Uważa się, że ich ładunek elektryczny i stała sprzężenia elektrosłabego są takie same. Babar, pomiar szybkości rozpadów i porównując je do siostrzanych rozpadów i stwierdza, nadmiar o znaczeniu 3,4 odchyleń standardowych . Następnie eksperymenty Belle i LHCb potwierdziły efekt: pod koniec 2017 r. Łączne znaczenie odchylenia wyniosło 4,1 odczytanego odchylenia standardowego . ${\ Displaystyle B \ do D ^ {(*)} \ tau \ nu _ {\ tau}}$ ${\ Displaystyle B \ do D ^ {(*)} \ mu \ nu _ {\ mu}}$ ${\ Displaystyle B \ do D ^ {(*)} e \ nu _ {e}}$ $\ tau$

Wykluczenie „czarnego fotonu” jako źródła odchylenia nieprawidłowego momentu mionowego

Sukces standardowego modelu kosmologicznego wskazuje na istnienie sektora materii niebarionowej , której nie widzimy, czarnego , dla którego zaproponowano wiele modeli teoretycznych, ale do tej pory nie przeprowadzono żadnej detekcji. W ten sam sposób, w jaki naładowana zwykła materia podlega oddziaływaniom elektromagnetycznym , ciemna materia może oddziaływać poprzez wymianę masywnych „czarnych fotonów”; interakcje tych obiektów ze zwykłą materią mogą być przyczyną odchylenia od anormalnego momentu magnetycznego mionu. . BaBar szukał śladów takich czarnych fotonów w reakcjach , w których albo opuszczają detektor, albo rozpadają się do stanu końcowego, który opuszcza detektor bez interakcji, „niewidzialny”. Tylko foton byłby obserwowany. Nie stwierdziwszy żadnego istotnego wskaźnika obecności takich zdarzeń, BaBar wyklucza wartości parametrów tych czarnych fotonów niezbędne do rozwiązania odchylenia , czytaj . $W$ ${\ Displaystyle e ^ {+} e ^ {-} \ do \ gamma A}$ $W$ ${\ displaystyle g _ {\ mu}}$

Standardowy model i naruszenie CP po BaBar

Wyniki eksperymentu BaBar i Belle zlokalizowanego w KEK są kompilowane przez Particle Data Group i Heavy Flavor Averaging Group , a dopasowanie modelu CKM do wyników eksperymentu jest dokonywane przez dwie grupy, CKMfitter i UTfit .

Wszystkie wyniki wykazują dużą spójność, a dopasowanie niewielkiej liczby parametrów modelu CKM umożliwia uwzględnienie wszystkich wyników eksperymentalnych. Wykazano, że model CKM jest źródłem wszystkich przejawów naruszenia CP obserwowanego w sektorze kwarków, z eksperymentalną precyzją, jaką mamy dzisiaj. W 2008 roku Kobayashi i Maskawa otrzymali Nagrodę Nobla „za odkrycie pochodzenia złamania symetrii, które przewiduje istnienie co najmniej trzech rodzin kwarków w przyrodzie”. (czytaj) i Prog.Theor.Phys. 49 (1973) 652 .

Z drugiej strony nie zaobserwowano żadnych znaczących oznak fizyki poza standardowym modelem. W rzeczywistości ta nieobecność zjadliwie kwestionuje istnienie takiej fizyki w skali TeV, której eksperymenty w LHC zaczęły na próżno szukać do tej pory. Jeśli istnieje nowa fizyka, konieczne będzie zrozumienie całkowitego braku widocznej aktywności w sektorze smaku .

Eksperymentalne badanie naruszenia CP wiąże się z problemem barioogenezy : Andreï Sacharow wykazał w 1967 r., Że nie można uzyskać silnie asymetrycznego obecnego wszechświata, którego materia jest znacznie bardziej rozpowszechniona niż antymateria, wychodząc z rzekomo symetrycznego wszechświata, tylko do szeregu warunków , w szczególności do naruszenia CP. W rzeczywistości naruszenie CP w sektorze kwarków, badane przez BaBara, nie jest wystarczające do wyjaśnienia barioogenezy: jest o 10 rzędów wielkości za krótkie. Nierozwiązany pozostaje problem barioogenezy.

Najbliższa przyszłość fizyki tego smaku leży w rękach eksperymentów, takich jak LHCb, które pobrały dane z 2010 roku z akceleratora protonów LHC . Naruszenie CP w rozpadach zarówno piękny i dziwny mezon, B s , jest wtedy dostępny - B s jest zbyt ciężkie, aby być produkowane w rozpadów na Υ (4S).

W dłuższej perspektywie konkurowały ze sobą dwa projekty superfabryki mezon B, Super Belle w Japonii (która powinna zacząć zbierać dane w 2018 r.) I SuperB we Włoszech (od czasu porzucenia), które powinny być w stanie zgromadzić sto razy więcej danych. BaBar lub Belle.

Instytuty członkowskie BaBar

BaBar jest współpracą głównie z Ameryki Północnej i Europy, która liczy do 74 instytutów i ponad 500 naukowców.

Uwagi i odniesienia

Zobacz też

Powiązane artykuły

Standardowy model fizyki cząstek

Publikacje

Wyniki fizyki: linki .

Detektor: przeczytaj .

Szczegółowy, ale dość długi artykuł (928 stron) napisany wspólnie przez dwa eksperymenty BaBar i Belle: The Physics of the B Factories Eur.Phys.J. C74 (2014) 3026 .

Linki zewnętrzne

(pl) Oficjalna strona doświadczeń BaBar