Das NA48-Experiment - CP-Verletzung bei neutralen Kaonen




Messung von direkter CP-Verletzung


Ziel des NA48-Experiments war die genaue Messung der direkten CP-Verletzung im System der neutralen Kaonen. Die 1964 entdeckte Verletzung der P-Symmetrie (Nobelpreis 1980) beruht im wesentlichen auf der Mischung der des neutralen Kaons K0 mit seinem Antiteilchen, welche zur sogenannten indirekten CP-Verletzung führt, einem Effekt der Größenordnung 10-3, der durch den Parameter epsilon beschrieben wird.

Bei der direkten CP-Verletzung zerfällt der CP-Eigenzustand K_2 (CP = -1) direkt in zwei Pionen mit CP = +1. Dieser Fall ist noch wesentlich seltener als die indirekte CP-Verletzung, der Parameter epsilon', der die Amplitude beschreibt, ist von der Ordnung 10-6. Die direkte CP-Verletzung ist wesentlich interessanter als die indirekte: Innerhalb des CKM-Mechanismus der schwachen Wechselwirkung haben direkte und indirekte CP-Verletzung denselben Ursprung, während in anderen Theorien (z.B. der der superschwachen Wechselwirkung) keine direkte CP-Verletzung existieren sollte. Zudem wird zur Erklärung der im Universum beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie direkte CP-Verletzung benötigt, da nur diese zu einer Asymmetrie in den Zerfallsraten von Teilchen und Antiteilchen führt.

Das Verhältnis von direkter zu indirekter CP-Verletzung lässt sich über die Messung der Zerfälle der lang- und kurzlebigen neutralen Kaonen KL und KS in zwei Pionen messen:

          Γ(KL -> π0 π0)       /  Γ(KL -> π+ π-)

  R =  -----------------------    /    -----------------------   \approx  1 - 6 * Re(ε'/ε)

          Γ(KS -> π0 π0) /       Γ(KS -> π+ π-)


Zur Messung der direkten CP-Verletzung müssen alle vier Zerfallskanäle gemessen werden. Die meisten systematischen Effekte kürzen sich durch die Doppel-Verhältnisbildung und durch die gleichzeitige Messung aller Kanäle heraus. Allerdings ist eine enorm hohe Statistik notwendig (über 1 Million Zerfälle in jedem der Kanäle), um eine Abweichung von 1 in der Größenordnung 10-3 zu messen.

Die NA48-Datennahme fand in den Jahren 1997-2001 statt. An zwei verschiedenen Targets wurden gleichzeitig Strahlen neutraler Kaonen erzeugt. Im KL-Strahl, erzeugt 120 m vor der Zerfallsregion, sind alle kurzlebigeren Teilchen bereits zerfallen. Vom KS-Strahl, der kurz vor der Zerfallsregion erzeugt wurde, werden dagegen hauptsächlich Zerfälle des kurzlebigen KS-Mesons nachgewiesen. Strahlführung und Detektor wurden so konzipiert, dass beide Strahlen fast parallel auf den Detektor treffen und beide Zerfallskanäle in π+ π- und π0 π0 gleichermaßen nachgewiesen werden können. Insgesamt wurden über 3 Millionen Zerfälle des statistisch limitierenden Kanals KL -> pi0 pi0 aufgezeichnet. Das Ergebnis von


   Re(ε'/ε) = (14.7 +- 2.2) * 10-4


bestätigt zweifelsfrei die Existenz der dierekten CP-Verletzung in Zerfällen neutraler Kaonen.

Messungen weiterer K0-Zerfälle


Außer der Messung der direkten CP-Verletzung wurden auch eine Reihe seltener und seltenster Zerfälle der neutralen Kaonen gemessen. Diese sind vor allem im Hinblick auf ein tieferes Verständnis der chiralen Störungstheorie von großem theoretischen Interesse, aber auch bei der Messung von bzw. Suche nach CP-Verletzung in anderen Zerfallskanälen. Aber auch häufiger auftretende Zerfallsmodi sind nicht zu vergessen: Unter anderem die genaue Messung des CKM-Parameters |Vus| in semileptonischen Zerfällen ist von hohem Interesse.

Mit Mainzer Beteiligung wurden die folgenden Datenanalysen durchgeführt:

  • Messung des Zerfalls KL -> π0 γ γ

  • Messungen der Zerfallsraten von KS -> γ γ und KL -> γ γ

  • Messungen der Zerfälle KL -> e+ e- γ und KL -> e+ e- γ γ

  • Messungen der sehr seltenen Zerfälle KL -> e+ e- e+ e- und KL -> μ+ μ- e+ e-

  • Suche nach dem CP-verletzenden Zerfall KS -> π0 π0 π0

  • Messung der Zerfallsrate von KL -> π e ν und des CKM-Matrixelements |Vus|

  • Messung der Rate des CP-verletzenden Zerfalls KL -> π+ π-

  • Messung der Dalitzplotasymmetrie im Zerfall KL -> π0 π0 π0

  • Suche nach dem seltenen Zerfall KL -> π0 π0 γ