A measurement of direct CP violation with the NA48 detector

Ziel des NA48 Experiments ist die Messung der direkten CPVerletzungim System der neutralen Kaonen. NA48 misst gleichzeitig dieZerfaellekurzlebiger und langlebiger Kaonen in zwei geladene undneutralePionen. Der Parameter der direkten CP Verletzung wird durchdasDoppelverhaeltnis der vier Zerfallsraten bestimmt. DasExperiment unddie Analyse sind so gestaltet, dass sich systematischeEffekte imDoppelverhaeltnis der Zerfallsraten prinzipiell aufheben.DieBestimmung unvermeidlicher systematischer Abweichungen nimmteinenHauptteil der Dissertation ein. Fuer diese Analyse wurdendie Datender ersten Strahlzeit 1997 verwendet. Das Ergebnis dieserAnalysefuer den Parameter der direkten CP Verletzung ist (18.3 +/-4.6 +/- 5.8) * 10E-4.

Messung der direkten CP-Verletzung mit dem NA48-Detektor

Das Ziel des Experiments NA48 am CERN ist die Messung des Parameters Re(epsilon'/epsilon) der direktenCP-Verletzung mit einer Genauigkeit von 2x10^-4. Experimentell zugänglich ist das DoppelverhältnisR, das aus den Zerfällen des KL und KS in zwei neutrale bzw. zwei geladene Pionengebildet wird. Für R gilt in guter Näherung: R=1-6Re(epsilon'/epsilon).
NA48 verwendet eine Wichtung der KL-Ereignisse zur Reduzierung der Sensitivität auf dieDetektorakzeptanz. Zur Kontrolle der bisherigen Standardanalyse wurde eine Analyse ohne Ereigniswichtung durchgeführt. Das Ergebnis derungewichteten Analyse wird in dieser Arbeit vorgestellt. Durch Verzicht auf die Ereigniswichtung kann derstatistische Anteil des Gesamtfehlers deutlich verringert werden. Da der limitierende Kanal der Zerfall deslanglebigen Kaons in zwei neutrale Pionen ist, ist die Verwendung der gesamten Anzahl derKL-Zerfälle ein lohnendes Ziel.Im Laufe dieser Arbeit stellte sich heraus, dass dersystematische Fehler der Akzeptanzkorrektur diesen Gewinn wieder aufhebt.

Das Ergebnis der Arbeit für die Daten aus den Jahren 1998und 1999 ohne Ereigniswichtung lautet
Re(epsilon'/epsilon)=(17,91+-4,41(syst.)+-1,36(stat.))x10^-4.
Damit ist eindeutig die Existenz der direkten CP-Verletzungbestätigt. Dieses Ergebnis ist mit dem veröffentlichten Ergebnis vonNA48 verträglichSomit ist der Test der bisherigen Analysestrategie bei NA48erfolgreich durchgeführt worden.

Messung der CP-verletzenden Asymmetrie von K + - pi + - pi 0 pi 0 mit dem NA48-Detektor

Bis heute ist die Frage nicht geklärt, warum bei der Entstehung des Universums Materie gegenüber der Antimaterie bevorzugt war und das heutige Materieuniversum entstanden ist. Eine Voraussetzung für die Entstehung dieser Materie-Antimaterie-Asymmetrie ist die Verletzung der Kombination von Ladungs- (C) und Punktsymmetrie (P), die CP-Verletzung. CP-Verletzung kann sich unter anderem in den Zerfällen K+- -> pi+- pi0 pi0 zeigen. Die NA48/2"=Kollaboration zeichnete während den Jahren 2003 und 2004 über 200~TB Daten von Zerfällen geladener Kaonen auf. In dieser Arbeit wurde die CP"=verletzende Asymmetrie der Zerfälle K+- -> pi+- pi0 pi0 mit über 90~Millionen ausgewählten Ereignissen aus diesem Datensatz gemessen. Vorhersagen im Standardmodell der Teilchenphysik sagen hier eine CP"=verletzende Asymmetrie in der Größenordnung zwischen $10^{-6}$ und $10^{-5}$ voraus. In Modellen außerhalb des Standardmodells kann es aber auch größere Asymmetrien geben. Das NA48/2"=Experiment war darauf ausgelegt, mögliche systematische Unsicherheiten zu begrenzen. Um dies zu erreichen, wurden positive und negative Kaonen simultan an einem Target erzeugt und ihr Impuls durch ein Strahlsystem mit zwei Strahlengängen auf ca. $60~GeV/c$ begrenzt. Die Strahlen wurden auf wenige Millimeter genau überlagert in die Zerfallsregion geleitet. Die Strahlengänge von positiven und negativen Kaonen sowie die Polarität des Magneten des Impulsspektrometers wurden regelmäßig gewechselt. Dies erlaubte eine Symmetrisierung von Strahlführung und Detektor für positive und negative Kaonen während der Analyse. Durch ein Vierfachverhältnis der vier Datensätze mit den unterschiedlichen Konfigurationen konnte sichergestellt werden, dass alle durch Strahlführung oder Detektor erzeugten Asymmetrien sich in erster Ordnung aufheben. Um die unterschiedlichen Produktionsspektren von positiven und negativen Kaonen auszugleichen wurde in dieser Arbeit eine Ereignisgewichtung durchgeführt. Die Analyse wurde auf mögliche systematische Unsicherheiten untersucht. Dabei zeigte sich, dass die systematischen Unsicherheiten in der Analyse deutlich kleiner als der statistischer Fehler sind. Das Ergebnis der Messung des die CP-verletzende Asymmetrie beschreibenden Parameters $A_g$ ist: begin{equation} A_g= (1,2 pm 1,7_{mathrm{(stat)}} pm 0,7_{mathrm{(sys)}}) cdot 10^{-4}. end{equation} Diese Messung ist fast zehnmal genauer als bisherige Messungen und stimmt innerhalb ihrer Unsicherheit mit dem Standardmodell überein. Modelle, die eine größere CP-Verletzung in diesem Zerfall vorhersagen, können ausgeschlossen werden.

Messung der K 0 L e + e - e + e - und K 0 L my + my - e + e - Zerfallsraten

Das NA48 Experiment am CERN misst die direkte CP-Verletzung im System der neutralen Kaonen aus der Zerfallsrate von kurzlebigen undlanglebigen neutralen Kaonen in zwei Pionen.Des Weiteren gestattet der experimentelle Aufbau den Nachweis seltenener Kaonzerfaelle.In dieser Dissertation werden Zerfaelle des langlebigen Kaons in Endzustaende mit vier Leptonen untersucht. Fuer das Verzweigungsverhaeltnis von K_L -> e+e-e+e- ergibt sich(3.94E-8 +/- 0.40E-8).Fuer das von K_L -> mu+mu-mu+mu- ergibt sich (3.08E-9 +/- 0.71E-9).Fuer den Leptonenzahl verletzenden ZerfallK_L -> mu(+/-)mu(+/-)e(-/+)e(-/+) wirdeine obere Grenze von 3.5E-10 (CL=90%) gesetzt.

Messung der Zerfallsasymmetrien der radiativen Hyperonzerfälle Xi 0 Lambda gamma und Xi 0 Sigma 0 gamma mit dem NA48/1-Experiment

Der radiative Zerfall eines Hyperons in ein leichteres Hyperon und ein Photon erlaubt eine Untersuchung der Struktur der elektroschwachen Wechselwirkung von Hadronen. Dazu wird die Zerfallsasymmetrie $alpha$ betrachtet. Sie beschreibt die Verteilung des Tochterhyperons bezüglich der Polarisation $vec{P}$ des Mutterhyperons mit $dN / d cos(Theta) propto 1 + alpha |vec{P}| cos(Theta)$, wobei $Theta$ der Winkel zwischen $vec{P}$ und dem Impuls des Tochterhyperons ist. Von besonderem Interesse ist der radiative Zerfall $Xi^0 to Lambda gamma$, für den alle Rechnungen auf Quarkniveau eine positive Asymmetrie vorhersagen, wohingegen bisher eine negative Asymmetrie von $alpha_{Lambda gamma} = -0,73 +- 0,17$ gemessen wurde. Ziel dieser Arbeit war es, die bisherigen Messungen zu überprüfen und die Asymmetrie mit einer deutlich höheren Präzision zu bestimmen. Ferner wurden die Zerfallsasymmetrie des radiativen Zerfalls $Xi^0 to Sigma^0 gamma$ ermittelt und zum Test der angewandten Analysemethode der gut bekannte Zerfall $Xi^0 to Lambda pi^0$ herangezogen. Während der Datennahme im Jahr 2002 zeichnete das NA48/1-Experiment am CERN gezielt seltene $K_S$- und Hyperonzerfälle auf. Damit konnte der weltweit größte Datensatz an $Xi^0$-Zerfällen gewonnen werden, aus dem etwa 52.000 $Xi^0 to Lambda gamma$-Zerfälle, 15.000 $Xi^0 to Sigma^0 gamma$-Zerfälle und 4 Mill. $Xi^0 to Lambda pi^0$-Zerfälle mit nur geringem Untergrund extrahiert wurden. Ebenso wurden die entsprechenden $antiXi$-Zerfälle mit etwa einem Zehntel der obigen Ereigniszahlen registriert. Die Bestimmung der Zerfallsasymmetrien erfolgte durch den Vergleich der gemessene Daten mit einer detaillierten Detektorsimulation und führte zu den folgenden Resultaten dieser Arbeit: $alpha_{Lambda gamma} = -0,701 +- 0,019_{stat} +- 0,064_{sys}$, $alpha_{Sigma^0 gamma} = -0,683 +- 0,032_{stat} +- 0,077_{sys}$, $alpha_{Lambda pi^0} = -0,439 +- 0,002_{stat} +- 0,056_{sys}$, $alpha_{antiLambda gamma} = 0,772 +- 0,064_{stat} +- 0,066_{sys}$, $alpha_{antiSigma^0 gamma} = 0,811 +- 0,103_{stat} +- 0,135_{sys}$, $alpha_{antiLambda pi^0} = 0,451 +- 0,005_{stat} +- 0,057_{sys}$. Somit konnte die Unsicherheit der $Xi^0 to Lambda gamma$-Zerfallsasymmetrie auf etwa ein Drittel reduziert werden. Ihr negatives Vorzeichen und damit der Widerspruch zu den Vorhersagen der Quarkmodellrechnungen ist so zweifelsfrei bestätigt. Mit den zum ersten Mal gemessenen $antiXi$-Asymmetrien konnten zusätzlich Grenzen auf eine mögliche CP-Verletzung in den $Xi^0$-Zerfällen, die $alpha_{Xi^0} neq -alpha_{antiXi}$ zur Folge hätte, bestimmt werden.

The search for the neutron electric dipole moment

A permanent electric dipole moment of the neutron violates time reversal as well as parity symmetry. Thus it also violates the combination of charge conjugation and parity symmetry if the combination of all three symmetries is a symmetry of nature. The violation of these symmetries could help to explain the observed baryon content of the Universe. The prediction of the Standard Model of particle physics for the neutron electric dipole moment is only about 10e−32 ecm. At the same time the combined violation of charge conjugation and parity symmetry in the Standard Model is insufficient to explain the observed baryon asymmetry of the Universe. Several extensions to the Standard Model can explain the observed baryon asymmetry and also predict values for the neutron electric dipole moment just below the current best experimental limit of d n < 2.9e−26 ecm, (90% C.L.) that has been obtained by the Sussex-RAL-ILL collaboration in 2006. The very same experiment that set the current best limit on the electric dipole moment has been upgraded and moved to the Paul Scherrer Institute. Now an international collaboration is aiming at increasing the sensitivity for an electric dipole moment by more than an order of magnitude. This thesis took place in the frame of this experiment and went along with the commissioning of the experiment until first data taking. After a short layout of the theoretical background in chapter 1, the experiment with all subsystems and their performance are described in detail in chapter 2. To reach the goal sensitivity the control of systematic errors is as important as an increase in statistical sensitivity. Known systematic efects are described and evaluated in chapter 3. During about ten days in 2012, a first set of data was measured with the experiment at the Paul Scherrer Institute. An analysis of this data is presented in chapter 4, together with general tools developed for future analysis eforts. The result for the upper limit of an electric dipole moment of the neutron is |dn| ≤ 6.4e−25 ecm (95%C.L.). Chapter 5 presents investigations for a next generation experiment, to build electrodes made partly from insulating material. Among other advantages, such electrodes would reduce magnetic noise, generated by the thermal movement of charge carriers. The last Chapter summarizes this work and gives an outlook.