LHCb CP-Verletzung

Eine der großen offenen Fragen in der Teilchenphysik ist, was die Ursache für die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum ist.

In der CPV-Gruppe in Dortmund versuchen wir, mehr über diese Frage zu erfahren, indem wir die unterschiedlichen Zerfallsraten zwischen neutralen B-Mesonen und ihren Antiteilchen untersuchen. Wir messen die Asymmetrie in zeitabhängigen und zeitunabhängigen Studien, und wir messen auch die Verzweigungsverhältnisse als Vorbereitung für zukünftige Arbeiten.

Neben den physikalischen Analysen helfen viele Mitglieder dieser Gruppe auch bei der Entwicklung und Erprobung des Rahmens für die Bestimmung des anfänglichen Flavours des B-Mesons bei seiner Entstehung, so dass wir nach der Vermischung von Teilchen und Antiteilchen beim Zerfall über die Zeit suchen können. Die Dortmunder Gruppe hat wichtige Beiträge zum neuen Inclusive Flavour Tagger und seinem Rahmenwerk für den LHCb-Run 3 geleistet.

Neutrale Mesonen können durch die Schwache Wechselwirkung Übergänge zwischen ihrem Teilchen- und Antiteilchenzustand vollziehen. Dieses Verhalten konnte zuerst 1964 im System neutraler Kaonen beobachtet werden. Seitdem sind diese sogenannten Oszillationen auch im System neutraler B(s) Mesonen und am LHCb Experiment in D Mesonen beobachtet worden.

Die genaue Kenntnis der Oszillationfrequenz trägt nicht nur zu Präzisionstests des Standarmodells bei, sondern reduziert auch wesentlich systematische Unsicherheiten in zerfallszeitbahängigen Messungen im Bereich neutraler Mesonen, die am LHCb Experiment zur Messung von CP Verletzung durchgeführt werden.
Die zurzeit präziseste Messung der Bs0-Bs0bar Oszillationsfrequenz Δms=(17.7683±0.0051±0.0032)ps-1 ist am LHCb Experiment unter Verwendung von flavour-spezifischer Bs0 -> Ds- pi+ Zerfällen durchgeführt worden. Neben dem größten Datensatz an Bs0 Zerfällen liefert das LHCb Experiment auch eine hohe Zerfallszeitauflösung von unter 50fs, die für eine Messung dieser Präzision nötig ist.

Diese Messung umfasst eine Vielzahl für zerfallszeitabhängige Messungen am LHCb Experiment typische Aspekte, die auch deutlich in den Daten (s. Abb.) sichtbar werden. Nach der Signalextraktion ist neben dem exponentiellen Zerfall auch eine zerfallzeitabhängige Effizienz der Rekonstruktion und Selektion zu modellieren, welche sich insbesondere bei kleinen Zerfallszeiten bemerkbar macht.
Darüber hinaus wird der Zustand der B(s)0 Mesonen zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung durch das sogenannte Flavour Tagging, eine auf Algorithmen des maschinellen Lernens basierende Technik bestimmt. Zusammen mit der Kenntnis des Zustandes zum Zeitpunkt ihres Zerfalls, der sich im Falle der flavour-spezifischen Bs0 -> Ds- pi+ Zerfälle aus der Ladung der Tochterteilchen ableiten lässt, kann so der Mischungszustand der Bs0 Mesonen ermittelt werden.
Die Amplitude der auf diese Weise sichtbar gemachten Oszillation wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren gedämpft. Zum einen können die Flavour Tagging Algorithmen keine exakte Vorhersage liefern, zum anderen spielt die endliche Zerfallszeitauflösung eine Rolle.
Dennoch ist es am LHCb-Experiment, dank großer Anteile unserer Arbeitsgruppe, möglich gewesen die Oszillation neutraler Bs0 Mesonen in nie dagewesener Präzision zu messen.