Measurement of K +- pi +- gamma gamma decays

The goal of this thesis was an experimental test of an effective theory of strong interactions at low energy, called Chiral Perturbation Theory (ChPT). Weak decays of kaon mesons provide such a test. In particular, K± → π±γγ decays are interesting because there is no tree-level O(p2) contribution in ChPT, and the leading contributions start at O(p4). At this order, these decays include one undetermined coupling constant, ĉ. Both the branching ratio and the spectrum shape of K± → π±γγ decays are sensitive to this parameter. O(p6) contributions to K± → π±γγ ChPT predict a 30-40% increase in the branching ratio. From the measurement of the branching ratio and spectrum shape of K± → π±γγ decays, it is possible to determine a model dependent value of ĉ and also to examine whether the O(p6) corrections are necessary and enough to explain the rate.About 40% of the data collected in the year 2003 by the NA48/2 experiment have been analyzed and 908 K± → π±γγ candidates with about 8% background contamination have been selected in the region with z = mγγ2/mK2 ≥ 0.2. Using 5,750,121 selected K± → π±π0 decays as normalization channel, a model independent differential branching ratio of K± → π±γγ has been measured to be:BR(K± → π±γγ, z ≥ 0.2) = (1.018 ± 0.038stat ± 0.039syst ± 0.004ext) ∙10-6. From the fit to the O(p6) ChPT prediction of the measured branching ratio and the shape of the z-spectrum, a value of ĉ = 1.54 ± 0.15stat ± 0.18syst has been extracted. Using the measured ĉ value and the O(p6) ChPT prediction, the branching ratio for z =mγγ2/mK2 <0.2 was computed and added to the measured result. The value obtained for the total branching ratio is:BR(K± → π±γγ) = (1.055 ± 0.038stat ± 0.039syst ± 0.004ext + 0.003ĉ -0.002ĉ) ∙10-6, where the last error reflects the uncertainty on ĉ.The branching ratio result presented here agrees with previous experimental results, improving the precision of the measurement by at least a factor of five. The precision on the ĉ measurement has been improved by approximately a factor of three. A slight disagreement with the O(p6) ChPT branching ratio prediction as a function of ĉ has been observed. This mightrnbe due to the possible existence of non-negligible terms not yet included in the theory. Within the scope of this thesis, η-η' mixing effects in O(p4) ChPT have also been measured.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die experimentelle Überprüfung einer effektiven Theorie der Starken Wechselwirkung bei niedrigen Energien, bezeichnet als Chirale Störungstheorie (ChPT). Schwache Zerfälle von Kaonen ermöglichen einen solchen Test, wobei K± → π±γγ-Zerfälle von besonderem Interesse sind, da es keine Tree-Level O(p2)-Beiträge in ChPT gibt und die führenden Beiträge erst mit O(p4) beginnen. In dieser Ordnung enthalten diese Zerfälle eine unbestimmte Kopplungskonstante, ĉ. Sowohl das Verzweigungsverhältnis als auch die Form des Spektrums von K± → π±γγ-Zerfällen sind sensitiv auf diesen Parameter. Beiträge zu K± → π±γγ in O(p6) sagen eine Erhöhung des Verzweigungsverhältnisses um 30-40% voraus. Die Messung von Verzweigungsverhältnis und Spektrums-Form von K± → π±γγ-Zerfällen ermöglicht eine modellabhängige Bestimmung von ĉ. Daneben kann untersucht werden, ob O(p6)-Korrekturen notwendig bzw. ausreichend sind, um die Zerfallsrate zu erklären. Etwa 40% der in 2003 vom NA48/2-Experiment aufgezeichneten Daten wurden analysiert, und 908 K± → π±γγ-Kandidaten bei 8% Untergrund wurden in der Region z = mγγ2/mK2 ≥ 0.2 selektiert. Unter Verwendung von 5750121 selektierten K± → π±π0-Zerfällen als Normierungskanal wurde ein modellunabhängiges differentielles Verzweigungsverhältnis von K± → π±γγ gemessen: BR(K± → π±γγ, z ≥ 0.2) = (1.018 ± 0.038stat ± 0.039syst ± 0.004ext) ∙10-6. Über den Fit an die O(p6) ChPT-Vorhersage des gemessenen Verzweigungsverhältnisses und die Form des z-Spektrums wurde das Ergebnis ĉ = 1.54 ± 0.15stat ± 0.18syst gemessen. Unter Verwendung des gemessenen Wertes für ĉ und der O(p6) ChPT-Vorhersage wurde das differentielle Verzweigungsverhältnis für z = mγγ2/mK2 < 0.2 berechnet und zu dem gemessenen Resultat addiert. Der somit bestimmte Wert für das totale Verzweigungsverhältnis lautet:BR(K± → π±γγ) = (1.055 ± 0.038stat ± 0.039syst ± 0.004ext + 0.003ĉ -0.002ĉ) ∙10-6, wobei der letzte Fehler die Unsicherheit auf ĉ reflektiert. Das hier vorgestellte Ergebnis für das Verzweigungsverhältnis ist in guter Übereinstimmung mit früheren experimentellen Resultaten, verbessert aber die Genauigkeit der Messung um mehr als einen Faktor fünf. Die Genauigkeit der ĉ-Messung wurde um das ca. Dreifache gesteigert. Ein leichter Widerspruch zur O(p6) ChPT-Vorhersage des Verzweigungsverhältnisses als Funktion von ĉ wurde beobachtet. Dies könnte auf die mögliche Existenz nicht vernachlässigbarer Terme, die in der Theorie noch nicht enthalten sind, zurückzuführen sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden η-η'-Mischungseffekte in O(p4) der Chiralen Störungstheorie gemessen.