崩壊におけるCP対称性の破れの探索 - 奈良女子大学 高エネルギー物理

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  K   崩壊における


0
CP対称性の破れの探索
奈良女子大学大学院 人間文化研究科
物理科学専攻 高エネルギー物理学研究室
中川 いずみ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
2008.2.14
Introduction
CP対称性の破れについて
KEKB,Belle
事象選別
K 0不変質量分布
崩壊分岐比の測定
CP対称性の破れの探索
まとめ
2007年度 修士論文
•
 粒子とは・・・
1.Introduction
レプトン族
 e     
     
 e     
•  粒子の崩壊
•第3世代に属する
•最も重いレプトン(電子の質量の約3500倍)
•ハドロンに崩壊できる唯一のレプトン
ストレンジネスSを持つ状
態のハドロニック崩壊
カビボ角 sin c  Vus の2
乗がかかり、S=0の崩壊と
比べて抑制されている。
本研究に用いた 
 K 0崩壊はハドロニック崩壊
レプトン領域でのCP対称性の破れを調べるのに最適
CP対称性の破れの測定に最適化された観測量(ξ)を求める
2008.2.14
2007年度 修士論文
2.CP対称性の破れ
• CP対称性の破れ・・・
物質と反物質の対称性が破れていること。
クォーク領域において
・1964年、中性K中間子系におけるCP対称性の破れを観測
・2002年、B中間子系におけるCP対称性の破れを観測
しかし、レプトン領域においては未だ観測されていない。
   K  0
崩壊は荷電レプトン崩壊における
CP対称性の破れを探るのに、非常に良い過程である。
2008.2.14
2007年度 修士論文
C P対称性の破れの観測量(ξ)
もしCP対称性の破れがあれば、2つの振幅
AW(W交換)
,
AH(スカラー交換)
の干渉で見える可能性がある。
•τ-崩壊過程では・・・
| A |2 | AW  eiW ei AH |2  Peven  Podd
•τ+崩壊では・・・
| A |2 | AW  eiW ei AH |2  Peven  Podd
W : CP位相
 : 強い相互作用の位相
観測量
Podd

Peven
CP対称性が破れているなら、ξの平均値<ξ>≠0
2008.2.14
2007年度 修士論文
観測量ξの求め方
• 測定方法
CP対称性の破れの観測感度が高くなるように最適化された
観測量(ξ)を使う。
観測量ξは、Kπ0の質量と崩壊角cosβ,cosψから得られる。
K-π0静止系での崩壊角
角度の定義(K-π0静止系)
cos β・・・
K粒子の方向と
実験系のKπ0方向
の間の角度
cos ψ・・・
実験系のKπ0方向と
τ粒子の方向
の間の角度
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2007年度 修士論文
3.KEKB加速器・Belle検出器
KEKB加速器
Belle検出器
• e e 非対称型加速器
• 重心系のエネルギー:10.58 GeV
• B中間子系でのCPVを探ることを目的に建
設された(世界最高のルミノシティー)
• KEKB加速器で生成された粒子
を検出する大型検出器
• 高い分解能と優れた粒子識別
能力を持つ
BBを大量に作り出すよう設計されている
( ee  BB ・・・年間約 108 個)
 B-ファクトリー
• 同時にほぼ同数の  粒子を生成できる
(ee    ・・・年間約 108 個)

KEKB加速器はB-ファクトリーであると同時に
 -ファクトリー
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としても重要
2007年度 修士論文
解析
4.事象選別
目的:1. 
 K  0 の崩壊分岐比( B  )を測定する。
K
0
2.CP対称性の破れを調べるのに、観測感度が最大になるように
最適化された観測量( ξ )を求める。
本解析の流れ
Belleが収集したデータ
ee    事象選別
解析に用いたデータ
  K 0 事象選別
2000年10月から2002年12月までに
Belle実験で収集された
1
72.2 fb
のデータ
データにおける
K 0質量分布
   K  0 の崩壊分岐比の測定
   事象にして約 6.5 107 に相当する
CP対称性の破れの探索。その観測量ξの測定
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e e   事象選別
 
 
• 荷電飛跡の本数が少ない
 粒子が1本の飛跡へ崩壊
 粒子が3本の飛跡へ崩壊
 粒子崩壊の特徴

e

e
: 約85%
: 約15%


e

e


• ニュートリノ( )により測定できない質量、
運動量の不足分(missing)が存在する
荷電飛跡の数:2又は4本
全電荷( Q )=0
このようにして、
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
missing

W

ee    事象を約22.7×106事象観測した
2007年度 修士論文

K
0
  K  事象選別
0
*事象軸に垂直な平面で事象を2つに分ける
事象軸:他の荷電飛跡から90度以上離れていて、
最も運動量の大きな荷電飛跡
0
*半球ごとに  K  崩壊の選別を行う
  K 0 選別条件
1:1つの半球中に  がひとつある
0
2:1つの半球中に荷電粒子がひとつである
0 0
3:  0を2個以上含む事象(    など)の除去
0
・・・
 0 から崩壊した2つの光子以外に
高いエネルギー(200MeV以上)の光子が
あれば、除く
4:荷電粒子がKである
・・・粒子識別を用いてKである確率P(K)>0.9をKとみなす
 
 
5: e e    崩壊の除去
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
0
のシグナル
S 
(m  m 0 )

m 0 :  0 の質量 (134.98MeV)
m :  の不変質量
シグナル領域
6  S  5
  : m の分解能(5MeV)
サイドバンド領域
右: 9  S  7
左: 7  S  9
●DATA
□MC(シグナル)
■MC(non-τ)B.G.
シグナル領域に入った  のバック
グラウンドをサイドバンドを用いて見
積もった
0
11 
 left
right
Nsignal  Nsitotal

(
N

N
)

g
side
 side
4 

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2007年度 修士論文
粒子識別
K粒子らしさ
back-to-back領域
P( K )  0.9
cos(bb)<-0.8
●DATA
●DATA
□MC(シグナル)
□MC(シグナル)
■MC(non-τ)B.G.
■MC(non-τ)B.G.
1に近いほどK粒子らしい
2008.2.14
以上のようにして
2007年度 修士論文
  K 0 事象を選別
5. K 質量分布
0
データにおける
K
0
質量分布
・K*(892)のピークがきれいに見えている
τ→K*ντ
崩壊が支配的
●DATA
データとバックグラウンドの事象数
□MC(シグナル)
■MC(feed-down)B.G.
■MC( 
 
0
)B.G.
種類
事象数
DATA
B.G.τ→ππ0ντ decay

B.G. other decay
B.G. Non-

total BG
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276,449
58.0%
8.2%
9.8%
76.0%
6.崩壊分岐比の測定
BK
事象の検出効率
バックグラウンドの割合
事象数
NK (1  b feed down  bnon ) 
1


 (  )  ID
2N
(1  b )
 K ( K )( KIDrate )
0
0
0
N K :   K  0
0
0
崩壊(シグナル)の事象数
N :  
対事象の数
b feed down :
シグナル事象中に含まれる他の崩壊過程からくるB.G.割合
bnon :
シグナル事象中に含まれる ee    崩壊過程以外からのB.G.の割合
b :  
対生成事象中に含まれる
 :  
 K :
対の検出効率
ee    崩壊過程以外からのB.G.の割合
発生させた事象中、τ対生成事象の選別後にシグナル事象が検出される割合
0
 KID :
τ対生成事象選別後のシグナル候補事象中からシグナルを検出する効率
0
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Kとπ粒子の識別による補正
D0→K-π+崩壊によるKとπの識別を利用し、次の補正係数を得る
• Kが含まれる崩壊の補正係数
K-ID効率=1.004±0.009
この値をシグナル事象数にかけて補正する。
• πが含まれる崩壊の補正係数
πfake rate=2.25±0.21
この値をπ粒子が含まれるB.G.崩壊の事象数にかけて補正。
• バックグラウンドの割合は、
b feed down : 0.66
(シグナル事象中に含まれるB.G.)
bnon
: 0.098
(シグナル事象中に含まれる e
b
: 0.074
(τ対生成事象中に含まれる
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e   
 
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ee   
崩壊以外のB.G.)
崩壊以外のB.G.)
崩壊分岐比の測定結果
•事象の検出効率
•事象数
 : 0.326 (τ対の検出効率)
 K : 0.389 (τ→Kπ0候補の検出効率)
(Kπ0候補からのシグナル検出
ID
 K : 0.326 効率)
0
N : 22,372,504
NK 0 : 276,449
0
•事象数、検出効率、バックグラウンドの割合から
崩壊分岐比を求める・・・
Br(τ→Kπ0)=(4.09±0.05±0.39)×10-3
系統誤差
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崩壊分岐比の測定結果
  K  


0
の崩壊分岐比を他の実験結果と比較
CLEO’94
ALEPH’99
(5.1±1.0±0.7)×10-3
(4.44±0.26±0.24)×10-3
OPAL’04
(4.71±0.59±0.23)×10-3
PDG’06
BaBar’07
今回の結果
(4.54±0.30)×10-3
(4.16±0.03±0.18)×10-3
(4.09±0.05±0.39)×10-3
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7.CP対称性の破れの探索
• CP対称性の破れの観測感度が高くなるように最適化された
観測量ξを求める。
• CP対称性の破れがないモンテカルロシミュレーションで、シグナルと
バックグラウンドの観測量のチェックを行う。
• (平均値<ξ>)=0で、CP対称。
• 以下の項目についてチェックする。
| A |2 (   K  0 )  Peven  Podd
1. シグナルモンテカルロ
   K  0 崩壊過程
| A |2 (   K  0 )  Peven  Podd

観測量
2. 主要バックグラウンド

  0 崩壊過程

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  
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Podd

Peven
モンテカルロのξ分布
Kπ0の質量
0.6GeV/c2<M<1.6GeV/c2
□MC (シグナル)
■MC (feed-down) B.G.
■MC (     0
■MC (non-τ) B.G.
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) B.G.
シグナルモンテカルロ
主要B.G. τ→ππ0ντ崩壊
(上)電荷ごと(τ+とτ-)の平均値
(上)電荷ごと(τ+とτ-)の平均値
(下)平均値の差
(下)平均値の差
●τ+
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●τ+
▲τ-
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▲τ-
実験データのξ分布
Kπ0の質量
0.6GeV/c2<M<1.6GeV/c2
●DATA
□MC(シグナル)
■MC(feed-down)B.G.
■MC(     0 )B.G.
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実験データの<ξ>のMKπ0依存性
●τ+
▲τ-
平均値の差
(0.73±0.60)×10-3
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CP対称性の破れの結果
(<ξ+>-<ξ->)
0.6<M(Kπ0)<1.6GeV/c2
0.85<M(Kπ0)<1.45GeV/c2
(0.73±0.60)×10-3
(0.82±0.73) ×10-3
10-3の精度でCPが保存されている
またCLEO ’01で報告されたτ±→K0π±ντ崩壊におけるξの値は、
(<ξ+>-<ξ->)
Full sample
0.85<M(Kπ0)<1.45GeV/c2
(-1.5±1.5 )×10-3
(-1.7±1.7 )×10-3
2倍程度の感度を得られた
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8.まとめ
本解析のまとめ
• 2000年10月から2002年12月にBelle実験が収集した 72.2 fb1 のデータ
   K  0 事象を約28万事象観測
• 得られた崩壊分岐比の値
今回の結果 B=(4.09± 0.05 ± 0.39)×10-3
• CP対称性の破れの観測量ξを測定
• 電荷ごとに測定した観測量の平均値<ξ>の差を求めた
<ξ+>-<ξ->=(0.82 ± 0.73)×10-3
10-3の精度でCPは保存している
• CLEOで報告されている結果の2倍程度の感度を得られた。
今後は・・・
今回解析に用いたデータは、現在Belle実験が収集したデータの約1/10。
データ量を増やすことでCP対称性の破れの感度を1桁あげることができると期待さ
れる
2008.2.14
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