BaBar (erfaring)

BaBar (ifølge karakteren "B meson" og dens antipartikkel, "B-stangen") er et eksperiment i partikkelfysikk gjennomført som en del av et internasjonalt samarbeid med lagringsringen e + e - PEP-II, på Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i California . Den er ment for studiet av B-mesons fysikk og brudd på CP-symmetri i deres svake forfall .

BaBar har sluttet å ta inn data April 2008og har mer enn 570 publikasjoner, ved utgangen av 2017, i Physical Review D og Physical Review Letters .

Vitenskapelig program

De elementærpartikler vise symmetrier som studien bidrar til å forstå innholdet i sine handlinger. Spesielt er de diskrete symmetriene C ( ladningskonjugasjon ), P ( paritet ) og T ( tidsinversjon ) ikke konservert i svake interaksjoner mellom kvarker . The CPT teorem, men slår fast at deres produkt er bevart for all samhandling. Spesielt er massen og den gjennomsnittlige levetiden til en partikkel identisk med massen til dens antipartikkel. Vi vet siden 1964 at CP-symmetrien blir brutt, veldig svakt, i forfallet til nøytrale kaoner .

Den Standardmodellen forklarer dette brudd av CP symmetri ved nærværet av et kompleks term i Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrise som parameterizes den elektro henfall av kvarkene. Dette komplekse begrepet kan bare eksistere når antall kvarkfamilier er minst lik 3, noe som er tilfelle.

BaBar-eksperimentet ble bygget for å studere brudd på CP i svake forfall av nøytrale mesoner B 0 , dannet av en kvark d og en anti-kvark b, og ladet B + , dannet av en kvark u d 'en anti-kvark b.

En utvikling første orden på grunn Lincoln Wolfen (i) og kalt parametrisering Wolfen (i) beskriver det komplekse uttrykk av den CKM matrise basert på et komplekst tall (ρ + i η), hvis fremstilling i det komplekse planet bestemt unitarity trekant av CKM-matrise.

En første og viktig del av det vitenskapelige programmet er metrologien med stor presisjon og sterkt begrenset (det lille antallet modellparametere må utgjøre et stort antall eksperimentelle målinger) av CKM-matrisen. Målingene av trekantenes vinkler, relatert til fasen av (ρ + i η), er bare mulig hvis minst to amplituder som bidrar til samme endelige tilstand forstyrrer . Målinger av sidelengden i trekanten bruker enkle målinger for forgreningshastighet. For disse målingene prøver vi å velge et forfall som et enkelt Feynman-diagram bidrar til første orden, og som kunnskapen om hadroniske parametere for , som gjør det mulig å relatere egenskapene til mesonens forfall - som vi observerer - til kvarkene som utgjør dem - beskrevet av CKM-matrisen - er tilstrekkelig god.

Den andre delen av programmet er søket etter brudd på standardmodellen, på grunn av en mulig "ny" fysikk, som supersymmetri . For dette studerer vi moduser der det dominerende Feynman-diagrammet inneholder en sløyfe: bidraget fra en hittil ukjent partikkel vil da indusere en målbar effekt. Av spesiell interesse er søket etter moduser som standardmodellen forutsier en ekstremt lav filialrate.

Beskrivelse av detektoren

BaBar-detektoren bruker stråler fra PEP-II lagringsringen: en 9 GeV elektronstråle og en 3.1 GeV positronstråle kolliderer i midten av detektoren. Strålenergien justeres slik at energien i referansen til massesenteret tilsvarer massen til meson Υ (4S) , den tre e eksiterte tilstanden til Υ, den første til å være tung nok til å gå i oppløsning i et par B - Bbar. Energiasymmetrien gjør det mulig å måle forskjellen i levetiden til de to B-ene, etter forskjellen i banen før forfall.

Selve detektoren er sylindrisk i form og består av flere lag:

En silisium-toppunktdetektor (SVT) som består av 5 dobbeltsidige lesesilisiumlag, utfører en presisjonstrajektografi av de ladede sporene så nær toppunktet (in) av hendelsen,

Et drivkammer (DCH), et ledningskammer som består av 40 lag av celler, fullfører trajektografien, og gir spesielt en måling av sporets impuls ,

En Cherenkov- strålingsdetektor , overført av total intern refleksjon (DIRC), bestående av 144 tynne kvartsstenger i et sylindrisk arrangement. Cherenkov-lys sendes ut i materialet i en vinkel som avhenger av hastigheten til den ladede partikkelen, og derfor, ved et gitt momentum, av dens masse, og gir dermed en mulighet for å identifisere partikkelens natur. Fotonene forplanter seg langs stangen ved refleksjon, og vinkelen blir nøye bevart. På slutten av baren, og etter en reise på omtrent en meter i en tank med ultrarent vann, oppdages fotonet av en fotomultiplikator . Fra posisjonene til baren og fotomultiplikatoren får vi en måling av Cherenkov-vinkelen og derfor av massen til partikkelen.

Et elektromagnetisk kalorimeter (EMC) består av 6,580 glitrende krystaller av CsI , der elektronene og fotonene fra arrangementet skaper en elektromagnetisk dusj og avleverer mesteparten av energien, som dermed måles.

En solenoid , solenoid supraleder som skaper et magnetfelt på 1,5 T . Banen til de ladede sporene er buet av feltet, som tillater måling av impulsen.

En instrumentert feltretur (IFR). Et tykt lag av jern kanaliserer magnetstrømmen tilbake til utsiden av magneten. Dette materialet er "instrumentert" med plan av partikkeldetektorer, noe som gjør det mulig å observere dusjene som skapes av hadronene. De myoner bare gjennom IFR, uten å etterlate spor krans, og blir således identifisert.

Registrerte data

BaBar-opplevelsen har samlet data i nesten et tiår, for det meste i en energi som tilsvarer massen til Υ (4S), den tre e radiale eksiterte tilstandsmesonen Upsilon, det vil si ved 10,58 GeV . En liten brøkdel av dataene ble anskaffet med litt lavere energi, 40 MeV , for å studere bakgrunnsstøyen til e + e - interaksjoner . Til slutt, i 2008, ble noen få måneders drift viet til studiet av henholdsvis ϒ (2S) og ϒ (3S), den første og andre eksiterte tilstanden til of meson.

Etter en rask start nådde gasspedalen øyeblikkelig lysstyrke og oversteg 10 34 cm −2 s −1 .

	Datoer	Total integrert lysstyrke (fb −1 )	Antall mantel
upsilon (4S)	1999 - 2007	426	468 millioner
upsilon (3S)	2008	28	122 millioner
upsilon (2S)	2008	14	99 millioner

Resultater

Måling av β

Takket være det sterke CP-bruddet i B-mesonsektoren og den høye lysstyrken som ble gitt av PEP-II-akseleratoren, observerte BaBar-eksperimentet raskt en signifikant forskjell mellom forfallet av B 0 og forfall til et meson. J / ψ og a kort nøytral kaon K S 0 . Denne forskjellen gjorde det mulig å måle verdien av sin (2β), hvor β er en av vinklene til enhetstrekanten, en positiv verdi og ikke kompatibel med null - η er da ikke-null, CP brytes og trekanten n er ikke flat. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ bar {B}} \, ^ {0}}$

Dette forfallet var veldig lite forurenset av hadroniske usikkerheter i motsetning til kaonforfallet som tillot den første observasjonen av bruddet på CP - dette var den første observasjonen av bruddet på CP ved mekanismen til CKM (les) .

Mål på α

BaBar måler vinkelen α i en serie av uskadede forfall (π + π - , ϱ + π - , ϱ + ϱ - ). Spesielt i kanal B → ϱϱ er forurensningen av diagrammene som har en sløyfe lav, og usikkerheten ved måling av α reduseres. Phys.Rev.Lett.98: 111801,2007 .

Måling av γ

Vinkelen γ måles i forfallet til B + mesoner til et nøytralt sjarmert D (*) meson og et ladet merkelig K (*) meson, spesielt takket være overlappingen - og derfor til interferensen - i Dalitz-planet (en ) tre-kroppsråter av D0 og D̄ 0 til samme endelige tilstand Phys.Rev. D78 (2008) 034023 .

PEP-II Accelerator er ikke bare en B-meson-fabrikk med veldig høy lysstyrke. Den produserer også hundrevis av millioner av sjarmerte mesoner, fra lepton τ ..

Discovery of the Y (4260)

Når vi studerte J / ψ π + π-systemet - produsert i e + e- interaksjonen - etter stråling av et foton i begynnelsestilstanden, oppdaget vi en ny partikkel med en masse nær 4,260 GeV / c 2 . Denne hittil ukjente resonansen har forskjellige egenskaper fra en vanlig charmonium meson , den bundne tilstanden til en c kvark og en anti-c kvark, og er kanskje en ny tilstand av materie, den første observerte tilstanden d 'en hybrid meson, bundet tilstand av ac kvark og ac anti-kvark og en gluon (les) .

Oppdagelsen av η b

Ved å analysere forfallet til ϒ (3S) meson i dedikerte data ervervet tidlig i 2008, oppdaget BaBar η b , grunntilstanden til bottomonium meson som var blitt ettertraktet etter oppdagelsen av ϒ i 1977. η b har, tenker -t en, veldig mange forfallskanaler, ble forskningen utført på en inkluderende måte, bare rekylfotonen til det strålende forfallet ϒ (3S) → η b γ ble observert. (les) .

Avviksindekser fra spådommer fra standardmodellen for elementære partikler

Ved siden av kjernen i det vitenskapelige programmet beskrevet ovenfor, elektrosvak interaksjon og sterk interaksjon innenfor standardmodellen for elementære partikler , studerer BaBar en rekke reaksjoner som sannsynligvis vil gi ledetråder til tilstedeværelsen av "ny fysikk", utover standardmodellen . Ingen av denne forskningen har observert et betydelig avvik , det vil si med en p-verdi som tilsvarer mer enn fem standardavvik ( ) til dags dato. Disse ledetrådene krever bekreftelse eller benektelse av andre eksperimenter. ${\ displaystyle 5 \ sigma}$

Frekvens av hadronproduksjon i elektron-positron-interaksjonen og det "anomale" magnetiske øyeblikket til muonet

Det magnetiske moment av en elementærpartikkel er proporsjonal med sin spinn , med en proporsjonalitets-koeffisient som innbefatter en faktor , som Dirac ligning spår for partikler med spinn 1/2. Avvik fra denne verdien på grunn av virkningene av kvantefeltteori resulterer i navnet på et avvikende magnetisk moment for . Nøyaktig måling av det anomale magnetiske momentet til elektronet gir en nøyaktig måling av den fine strukturkonstanten , α. Den nøyaktige målingen av det avvikende magnetiske øyeblikket til muonet gjør det mulig å teste prediksjonen ved standardmodellen . Usikkerhet om produksjonshastighetene for hadron i elektron-positron-interaksjonene er det største bidraget til usikkerheten i prediksjonen , BaBar har utviklet en metode som bruker stråling i utgangstilstanden (in) for en systematisk måling av alle tilgjengelige slutttilstander som er forbedret nøyaktigheten av kunnskap om disse prisene. Betydningen av forskjellen mellom målingen og spådommen av var ved utgangen av 2017 4,1 standardavvik . $g$ ${\ displaystyle | g | = 2}$ $g$ ${\ displaystyle g _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle g _ {\ mu}}$

Universalitet av elektrosvake koblinger av leptoner

Den Standardmodellen beskriver 3 kjente ladde leptoner, den elektron , den myonet og tau , som atskiller seg bare ved deres masse. Deres elektriske ladning og elektrosvake koblingskonstant antas å være den samme. BaBar, måler forfallshastigheten og sammenligner dem med søsterforfall, og finner et overskudd av med en betydning på 3,4 standardavvik . De Belle og LHCb eksperimenter deretter bekreftet virkning: ved slutten av 2017 den kombinerte betydningen av avviket var 4,1 standardavvik lese . ${\ displaystyle B \ til D ^ {(*)} \ tau \ nu _ {\ tau}}$ ${\ displaystyle B \ til D ^ {(*)} \ mu \ nu _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle B \ til D ^ {(*)} e \ nu _ {e}}$ $\ tau$

Ekskludering av "svart foton" som opprinnelse til avviket til det unormale muonmomentet

Suksessen til den standard kosmologiske modellen indikerer eksistensen av en sektor av ikke-baryonisk materie , som vi ikke ser, svart , som mange teoretiske modeller har blitt foreslått for, men ingen deteksjon utført til dags dato. På samme måte som ladet vanlig materie gjennomgår elektromagnetiske interaksjoner , kan mørkt materie samhandle ved å utveksle massive "svarte fotoner"; samspillet mellom disse objektene og vanlig materie kan være opprinnelsen til avviket til det unormale magnetiske øyeblikket til muonet. . BaBar så etter spor av slike svarte fotoner i reaksjoner , der enten kommer ut av detektoren eller forfaller til en endelig tilstand som går ut av detektoren uten å samhandle, "usynlig". Bare fotonet ble observert. Etter å ha funnet noen signifikant indeks over tilstedeværelsen av slike hendelser, utelukker BaBar verdiene til parametrene til disse svarte fotonene som er nødvendige for å løse avviket fra , lese . $PÅ$ ${\ displaystyle e ^ {+} e ^ {-} \ to \ gamma A}$ $PÅ$ ${\ displaystyle g _ {\ mu}}$

Standardmodellen og CP-brudd etter BaBar

Resultatene av BaBar-eksperimentet og Belle- eksperimentet lokalisert ved KEK er samlet av Particle Data Group og Heavy Flavor Averaging Group , og tilpasning av CKM-modellen til de eksperimentelle resultatene er laget av to grupper, CKMfitter og UTfit .

Alle resultatene viser god konsistens, justering av det lille antallet parametere i CKM-modellen gjør det mulig å gjøre rede for alle eksperimentelle resultater. Det er vist at CKM-modellen er kilden til alle manifestasjonene av CP-overtredelsen observert i kvarksektoren, med den eksperimentelle presisjonen vi har i dag. I 2008 mottok Kobayashi og Maskawa Nobelprisen "for oppdagelsen av opprinnelsen til symmetribruddet som forutsier eksistensen av minst tre familier av kvarker i naturen". (les) og Prog.Theor.Phys. 49 (1973) 652 .

På den annen side ble det ikke observert noen signifikante tegn på fysikk utover standardmodellen. Faktisk setter dette fraværet spørsmål ved tilstedeværelsen av slik fysikk på TeV-skalaen, som eksperimenter ved LHC har begynt å søke, forgjeves til dags dato. Hvis det er ny fysikk, vil det være nødvendig å forstå dets totale fravær av synlig aktivitet i smaksektoren .

Den eksperimentelle studien av brudd på CP er knyttet til problemet med baryogenese : Andreï Sakharov demonstrerte i 1967 at man ikke kunne oppnå et nåværende sterkt asymmetrisk univers, saken var mye mer utbredt enn anti-materien, til å starte fra et antatt symmetrisk universet, bare til en rekke betingelser , spesielt at CP brytes. Faktisk er brudd på CP i kvarksektoren, studert av BaBar, ikke tilstrekkelig til å forklare baryogenese: det er 10 størrelsesordener kort. Problemet med baryogenese er fortsatt ikke løst.

Den nærmeste fremtiden for denne smaksfysikken er i hendene på eksperimenter som LHCb, som tok data fra 2010 fra LHC- protongasseleratoren . CP-bruddet i forfallet til både den vakre og den rare mesonen, B s , er da tilgjengelig - B s er for tung til å produseres i forfallet til ϒ (4S).

På lengre sikt har to superfabrikkprosjekter fra meson B vært i konkurranse, Super Belle i Japan (som skal begynne å ta data i 2018) og SuperB i Italia (siden forlatt), som skal kunne samle hundre ganger mer data. BaBar eller Belle.

BaBar medlemsinstitutter

BaBar er et hovedsakelig nordamerikansk og europeisk samarbeid, som har telt opptil 74 institutter og mer enn 500 forskere.

Merknader og referanser

Se også

Relaterte artikler

Standard modell for partikkelfysikk

Publikasjoner

Fysikkresultater: lenker .

Detektor: les .

Detaljert, men noe lang artikkel (928 sider) skrevet av de to eksperimentene BaBar og Belle: The Physics of the B Factories Eur.Phys.J. C74 (2014) 3026 .

Eksterne linker

(no) Offisielt nettsted for BaBar-opplevelsen