Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ В.Кекелидзе Дубна, 7 декабря декабря /53 Юбилейный семинар И.А.Савина

БИС: Регенерация K L K S Формфакторы в полулептонных распадах K L EXCHARM : Эффект выстроенности спинов K*(890) NA48:Обнаружение прямого CP-нарушения NA48/1:Редкие распады K S (поиск «новой физики») NA48/2: Поиск зарядовой асимметрии (СР-нарушения) в распадах K Загадка матрицы унитарности (угол Кабиббо) Вклад в развитие ChPT – КХД низких энергий (cusp эффект; распад Ке4; редкие распады K ) NA62:Сверхредкие СР нарушающие распады K (поиск «новой физики») Заключение Содержание 2 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

БИС one of the first electronic experiment at Serpukhov accelerator U-70 ( ) Study of neutral kaons 3 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

On Hydrogen, Deuterium & Carbon at Serpukhov energies (U-70) K L – K S regeneration has been studied for the first time Clear picture was obtained of amplitude degeneration with the energy rise, indicating on the Pomerantchuk Theorem K.F. Albrecht et.al., NP B93(1975)237. V.K. Birulev et.al.,NP B115(1976)249. K.-F. Albrecht et.al.,NP B158(1979)29. 4 /53

Vector & axial FF were measured in Ke3 & K 3 decays Ke3: = (3.06 ± 0.34) x ~ 74k events V.K.Birulev et al., NP B182(1981)1. EXCHARM I.Savin БИС 5 /53

EXCHARM magnetic spectrometer in the neutral beam extracted from U-70 study of polarized phenomena Search for multi-quark 6 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

For the fist time: Spin alignment of K*(892) ± mesons produced in neutron-carbon interactions K*(892) + K*(892) - Pt, GeV/c 00 The values of ρ 00 obtained in the transversity frame are: 0.424±0.011(stat)±0.018(sys) for K (892) ±0.025(stat)±0.018(sys) for K (892) Signicant Pt dependence of ρ 00 has been observed in K (892)+ production 7 /53

NA48 (the first run at CERN SPS in 1997) observation of direct CP-violation 8 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

СР-нарушение в системе нейтральных каонов PK0K0 K0K0 K0K0 K S =K K L =K 2 + СР-нарушение в распадах К 2 – «прямое» inout in out СР-нарушение (1964) «непрямое» - за счет смешивания состояний (сохранение К 1 ) не могло бы повлиять на бариогенезис 9 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Measurement of direct CP-violation in neutral kaon decays =A(K L + ) / A(K S + ) = | | exp(i ) 00 = A(K L 0 0 ) / A(K S 0 0 ) = | 00 | exp(i 00 ) = ( )º 00 - = ( )º (CPT) The measured value: Re( `/ ) = (1 R) / 6 R = 00 / 2 (K L 0 0 ) / (K S 0 0 ) double Ratio: R (K L + ) / (K S + ) = + ` 00 = 2 ` 10 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

simultaneous K S & K L beams 4 decay channels are detected simultaneously in common decay volume ~ collinear K S и K L beams 11 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

The NA48 detector K beams Main detector components: Magnetic spectrometer (4 DCHs) : 4 views/DCH: Δp/p = 1.0%+0.044%*p [GeV/c]. Hodoscope fast trigger (150ps). Liquid Krypton EM calorimeter (LKr) Hadron calorimeter Muon veto counters Photon vetoes 2-3M K/spill ( /K~10), decay products stay in pipe; flux ratio: K + /K – 1.8 Beam pipe 12 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

The first ISTC project at CERN (1995) liquid krypton (~10m 3 at 120 K) cells, granularity 2x2 cm2 E /E = 3.2%/E 1/2 +0.9%/E % [GeV] x = y =0.42/E 1/ mm ( GeV) Liquid Krypton EM calorimeter (LKr) 13 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Systematic corrections and uncertainties (98-99 data) 14/53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Stability checks of R 15 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Results of Re ( / ) ( ) x Re( / ) = ( ) x PL B465,335(1999); EPJ C22(2001)231 PL B544(2002)97 NA48 results 5.33 x 10 6 K L 0 0 decays 16 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

PDG /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

NA48/1 (run at CERN SPS in 2002) 18 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010 Search for new physics

Br(K L 0 е + е ) CPV a s a s Im( t ) [Im( t )10 4 ] 2 (KTEV: Br < ) Br(K S 0 e + e ) = a s 2 sensitivity to Im t ( t =V ts *V td ) constructive interference Br(K S 0 + )= (2.8 +./ sys )10 -9 (6 events)J.R.Batley et al.,PL B576(2004)197 NA48/1 first observation: (7 events): Br = (3.0 +./ sys )10 -9 J.R.Batlay et al.,PL B599(2003)43 19 /53

2000 data First observations prediction of PT: Br (K s 0 ) 0.2) K S 0 Br(at z > 0.2) = ( stat 0.9 sys )10 -8 PL B578(2004)276. K S + e + e to estimate a boundary on the indirect CPV term in K L + e + e Br = ( stat 0.21 syst ) A( ) = ( stat 1.5 syst )% Eur.Phys.J.C(2003)33 20 /53

NA48/2 (approved by SPSC CERN in 2002) 21 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Direct CP violation in K ± ± +, K ± ± 0 0 (A g ) < 2 10 – 4 (limited by statistics) g + - g - A g = g + + g - Rare decays: to test PT & search for A CP K e4 - scat. length ( ) 10 6 events) K, K 0 DE K e + e, K +, K e2, K l l + l, K 0, K 0 l + l, … etc. Semileptonic decay Brs: K e3, K 3 to improve precision of |V us | & check CKM unitarity search for f T, f S (less systematics) The Goals of NA48/2 22/53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Search for charged asymmetry in K decays (CP-violation) 23 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Experiment NA48/ run: ~ 50 days 2004 run: ~ 60 days Total statistics in 2 years: K + : ~4·10 9 K 0 0 : ~1·10 8 Rare K ± decays: BRs down to 10 –9 were measured > 200 TB of data recorded Main goal – search for CP asymmetry in decays K (3 ) 24 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Charged asymmetry in decay K (3 ) |A g | Experimental precisions before NA48/2: SM SUSY & Newphysics Ford et al. (1970) HyperCP prelim. (2000) TNF (2005) neutral NA48/2 proposal [ A g ~10 -3, dominated by systematics] charged neutral Smith et al. (1975) neutral SM estimate (NLO ChPT): A g c = (– ) 10 –5 ; A g n = ( ) 10 –5. E. Gámiz et al., JHEP 10 (2003) 42 Models beyond the SM predict substantial enhancement partially within the reach of NA48/2. G. DAmbrosio et al., PLB480 (2000) 164 Asymmetry of integrated decay widths is strongly suppressed. 25 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

1cm Front-end achromat Momentum selection Quadrupole quadruplet Focusing sweeping Second achromat Cleaning Beam spectrometer (resolution 0.7%) ~ ppp, 400 GeV K+K+ K Beams coincide within ~1mm all along 114m decay volume focusing beams BM z magnet K+K+ K beam pipe Simultaneous K + and K beams: high charge symmetry of experimental conditions Be target 2-3M K/spill ( /K~10), decay products stay in pipe. Flux ratio: K + /K – 1.8 P K spectra, 60 3 GeV/c cm 200 vacuum tank not to scale 250 m He tank + spectrometer NA48/2 simultaneous K + & K - beam line

Формализм распада K ± (3 ) ± Матричный элемент: |M(u,v)| 2 ~ 1 + gu + hu 2 + kv 2 Система покоя К: u = 2m K (m K /3 E odd )/m 2 v = 2m K (E 1 E 2 )/m 2. прямое CP-нарушение: асимметрия параметров A g = (g + g )/(g + +g ) 0 Далиц плот зарегистрированных распадов 27 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Obtained asymmetry in decays of К K ± ± 0 0 K ± ± + – [1] [2] [3] [4] [1] Ford et al. at BNL (1970) [2] HyperCP at FNAL, prelim. (2000) [3] NA48/ final [4] NA48/ prelim. [1] Smith et al. at CERN-PS (1975) [2] TNF at IHEP Protvino (2005) [3] NA48/ final [4] NA48/ A g x 10 4 g = (0.6 ± 0.7 stat ± 0.4 trig ± 0.5 syst ) g = (0.6 ± 0.9) A g c = (1.5 ± 1.5 stat ± 0.9 trig ± 1.3 syst ) A g c = (1.5 ± 2.2) g = (0.6 ± 0.7 stat ± 0.4 trig ± 0.5 syst ) g = (0.6 ± 0.9) A g c = (1.5 ± 1.5 stat ± 0.9 trig ± 1.3 syst ) A g c = (1.5 ± 2.2) A g 0 = (1.8 ± 1.7 stat 0.6 syst ) = (1.8 ±1.8) 10-4 EPJ, C52: 875(2007) 28 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Unitarity Matrix Puzzle 29 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

V ud. V * ud V us. V * us V ub. V * ub = |V us | contributes ~50% to the total uncertainty test of CKM Unitarity K + 0 e + : PDG: Br = (4.86 ± 0.06)% Recent BNL data (E-865): Br = (5.17 ± 0.02 ± 0.09 ± 0.04)% based on ~ 70k events PDG BNL, E-865 KTEV |V us | unitarity Hep-ex/ NEW 29 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010 PDG contradicted with CKM Unitarity

K + 0 e + K ) = ± ± syst based on ~ 87k events K K ) = ± ± syst based on ~ 77k events K + 0 e + K ) = ± ± syst based on ~ 77k events NA48/2 Results J.R.Batley et al.,EPJ C50(2007)329. Contributed to solve this puzzle 30 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Measurement of pi-pi scattering length - the ChPT basic parameters 31 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

- scattering lengths Universal Band (from Roy equations) PLB36 (1971) 353 ChPT constraint a0a0 a2a2 S-wave scattering lengths a 0, a 2 (for I=0, 2) - basic parameters of ChPT (Chiral Perturbation Theory or low energy QCD) Theory predictions (inits of 1/m ): S.Weinberg, PRL17(1966) 616. G.Colangelo, J.Gasser, H.Leutwyller PRL86 (2001) ChPT prediction: 32 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Measurement of a 0, a 2 ) in experiments: Traditional methods: K e (Ke4 – decay) life time of mesoatoms for the first time done in NA48/2 experiment: K (K3pi – decay) cusp effect NA48/2 33 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

K e The measurements of: Form-Factors pion-pion scattering lengths: a 0 and a M decays 34 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Signal ( + - e ) topology: 3 charged tracks, good vertex 2 opposite sign pions 1 electron (E LKr /P ~ 1) Main background sources: a) K + [ - e - ] + + b) K + [ 0 e + e - ( )] ( 0 ) + Background seen in «wrong sign» (WS) component (same sign pions) a) 1(WS) / 2(RS) b) 1(WS) / 1(RS) Total background is at the level of 2 x 0.3 % (estimated from WS events & checked by MC) Ke4 selection & background 1.13 M of fully reconstructed Ke4 ( data) 35 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

K p*(e ) e e direction of the total e + e momentum in the K + R.F. direction of the total P( momentum in the K + R.F. p*( ) a rare decay [ B.R. = (4.09 ± 0.09) x 10 5 ] described by 5 variables 5 Cabibbo–Maksymowicz variables : For K K e e K e (Ke4) formalism s M 2, s e M e 2 e In the partial wave expansion (only S, P) the amplitude can be written using 4 form factors & 1 phase shift: F=F s e i s +F p e i p cos G=G p e i p H=H p e i p = s - p 36/53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

- bin to bin uncorrelated: -fitting procedure; -trigger efficiency; -acceptance control; background shape; electron identification; radiative correction Ke4 phase shift measurement isospin correction (10-15 mrad) to all published points downward shift errors combined stat. and syst.; fit to NA48/2 data alone -bin to bin correlated: -background level; -isospin corrections Systematic errors: 37/53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

- bin to bin uncorrelated: -fitting procedure; -trigger efficiency; -acceptance control; background shape; electron identification; radiative correction Ke4 phase shift measurement isospin correction (10-15 mrad) to all published points downward shift -bin to bin correlated: -background level; -isospin corrections Systematic errors: errata published in PRL105(2010) PRD81(2010) errors combined stat. and syst.; fit to NA48/2 data alone 37 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Scattering lengths result * Theoretical errors evaluated from isospin corrections & inputs to Roy equations numerical solution CGR EPJ C59 (2009) parameter fit using ChPT link between a 0 and a 2 a 0 = (stat) (syst) (th*) 2 parameter fit (correlation 0.967) a 0 = (stat) (syst) (th*) a 2 = (stat) (syst) (th*) Perfect agreement with theory prediction: a 0 = a 2 = CGL NP B603(2001), PRL 86 (2001) 38 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Cusp effect in K The measurements of: pion-pion scattering lengths: ( a 0 – a 2 ) and a 2 60 M decays 39 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

M(3 ) spectrum 10 3 background is negligible Events cusp effect in K3pi decay + – threshold M 2 ( 0 0 ) spectrum effect of K + – decays through charge exchange + – 0 0 : M 1 interferes destructively with M 0 for M 00

Cusp-effect: theory No rescattering amplitude Subleading effect M 2 ( 0 0 ), (GeV/c 2 ) Cusp point Leading effect Arbitrary scale (1)Original explanation: – rescattering amplitude, depends on a 0 –a 2 Cabibbo, PRL 93 (2004) Predicted: Budini, Fonda, PRL6(1961)419 (3) The Bern-Bonn group description: Colangelo et al., PLB638 (2006) 187; Bissinger et al., PLB659(2008)576; NPB806(2009)178: effective non-relativistic Lagrangian; simultaneous fit of charged and neutral K 3 modes; electromagnetic and radiative corrections included. Cabibbo-Isidori theory (2) More complete computation: Cabibbo, Isidori, JHEP 503(2005)21: other amplitudes: – –, etc. two-loop O(a i 2 ) corrections. provides sensitivity to a 2 alone. 41 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Fit quality & pionium signature Combined sample 7 data bins skipped around the M( + – ) threshold Excess of events in the excluded interval, if interpreted as due to pionium decaying as A 2 0 0, gives R= (K + A 2 )/ (K + – ) = ( ) 10 –5. (Data–MC)/Data Fit to M 2 ) spectrum 42 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Result of fit to M 2 ) spectrum parameters: a 0 –a 2, a 2, Dalitz plot slopes, normalization (fit also includes – decays) 43 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010 (a 0 –a 2 )m + = stat syst ext. a 2 m + =– stat syst ext. with ChPT constraint: (a 0 –a 2 )m + = stat syst ext ChPT prediction: (a 0 –a 2 )m + = with rad.corrections without rad.corrections ChPT constraint (statistical error only) a2m+a2m+ (a 0 –a 2 )m + a2m+a2m+ with rad.corrections without rad.corrections ChPT constraint

pion-pion scattering lengths: summary of measurements in Ke4 and K3pi decays 44 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

(a 0, a 2 ) measurements: summary M, GeV NA48/2: two independent measurements with different samples, theory and systematics for the first time, good sensitivity to a 2 Combination of NA48 measurements Vs M, rad S118 NA48/2 E865 E865 measurement is consistent with NA48/2 after erratum published: PRD81 (2010) /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Comparison with other measurements of a 0 BNL E865 (2010) ChPT prediction: a 0 = /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Rare decays of K (precise tests of ChPT) 47 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

IB INT DE K 3 terms: IB, DE & INT contributing to the decay could be disentangled in W spectra (integrated over T* ) IBDE 48 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010 EPJ C68 (2010)75 600k decays = Likelihood fit to W spectra: Frac(DE) = (3.32 ± 0.15 stat ± 0.14 syst ) ·10 -2 Frac(INT) =(-2.35 ± 0.35 stat ± 0.39 syst ) ·10 -2 First evidense of nonzero INT contribution

Br(K Sensitive to O(p4) & O(p6) contributions events selected 40 times more than the world sample 3% Bkg mainly from Normalization K2 (~6 M) Main systematics : acceptance Preliminary: Br = ( stat 0.08 syst ) Last measurement: BNL E787(1991): 31 candidates, 5 BG events: BR = ( ) /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

NA62 (recommended at CERN SPS) Super rare CP-violating K decays 50 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010 K decays

Flavor Changing Neutral Current loop process: s d coupling & highest CKM suppression hadronic matrix element can be extracted from measured quantities of Ke3 NA62: decay – clear test of SM sensitive to New Physics 51 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

The bar for future NA62 NA events Mean: E787/949 E787/949 (6 ev) Br=( –1.05) × SM 52 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

kaons still provide variety of physics tasks for the research & have high potential of interesting discoveries the corresponding uptodate experiments require the development of frontier technology in detectors Conclusions 53 /53В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Spare 2 /36В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Распады каонов дают уникальную возможность как для изучения - фундаментальных вопросов физики частиц -настройки и проверки вопросов -КХД низких знергий Выводы Экспериментальная физика каонных распадов раздел физики частиц, занятый преодолением предела интенсивности событий («intensity frontier» - D. Bryman, KAON2009) и, соответственно, предела точности 2 /36В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010

Scattering matrix: S| >=exp(2i )| > parameterized by 2 phases: 0,2 = –a 0,2 k + O(k 2 ) S-wave scattering lengths a 0, a 2 are essential low-energy parameters of Chiral Perturbation Theory (ChPT).

the FF & are extracted minimazing a log-likehood estimator in each of: Fit procedure Roy equations (unitarity, analyticity & crossing symmetry) numerical solutions compute phases from data using a 0 and a 2 in the isospin symmetry limit Evts/bin evts Evts/bin evts MCData 9.8 M M K- K+ Isospin corrections are evaluated as a correction to phase differences [CGR EPJ C59(2009)777] Radiative effects are included in simulation Gamov factor ( + - Coloumb attraction) in matrix element & PHOTOS generator for real photons emission 10(M )x5(Me )x5(cos e)x5(cos )x12( ) = equi-populated bins in each bin the correlation between the 4+1 parameters is taken into account. 2 /36В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина 7 декабря 2010