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Violação CP no sistema K 0 anti-K 0

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Page 1: Violação CP no sistema K 0 anti-K 0. Simetrias Simetrias importantes em física  Paridade: x → -x (x vector), L = x x p → L.  Conjugação de carga: e-

Violação CP no sistema K0 anti-K0

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Simetrias Simetrias importantes em física

Paridade: x → -x (x vector), L = x x p → L. Conjugação de carga: e- → e+ Simetria no tempo: t → -t

Invariância CPT: Profundo resultado em física M(partícula) = M(antipartícula) Ainda não refutado

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Paridade (P) e Conjugação de Carga (C) Força Electromagnética (P válida) Força Forte (P válida) Força Fraca:

reacção Muões – helicidade direita Anti-neutrinos – helicidade direita Violação máxima

A maior parte das partículas não são estados próprios de C

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Simetria CP Aplicando P ou C o

decaimento deixa de ser possível

Aplicando CP temos de volta um decaimento possível

Será que se verifica sempre?

W+

e+R

L

W+

e+L

R

W

eR

L

W

eL

R

P

C

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Resposta no sistema K0 anti-K0 Sabia-se Supôs-se As partículas podem-se

transformar

K0

K0 K0

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Sistema K0 anti-K0

K0 pseudo escalar

CK0K0Se assumirmos que há simetria CP numa reacçãopodemos construir os estados próprios de CP

PK0 K0 CK0K0

CPK0 K0CPK0 K0

PK0 K0

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Sistema K0 anti-K0

K1 tem valor próprio +1 K2 tem valor próprio -1 Simetria CP

K1 decai em CP=+1 K2 decai em CP=-1

K1 12 K0K0

K2 12 K0K0

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Sistema K0 anti-K0 - decaimentos Os K são as partículas estranhas mais leves Logo, só decaem por força fraca -> três tipos

Hadrónico Semi-Leptónicos Leptónicos

Paridade piões é -1 K1 decai em dois piões K2 decai em três piões

K0 0 0, , 0 00, 0

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Sistema K0 anti-K0 - decaimentos Decaimento em dois piões é muito mais rápido (600x)

Logo, ao fim K1 decair, sobra o estado K2

Devemos apenas observar decaimentos em 3 piões

No local de 3 piões vêem-se também 2 piões !

Verificou-se uma violação de CP!!!

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Sistema K0 anti-K0 – decaimentos Fenómeno observado por Cronin e Fitch em 1964

Os decaimentos em dois piões eram cerca de 0.2%

O estado de vida longa não parece respeitar CP

Pensou-se que tínhamos também uma pequena mistura de K1

ε representa a componente de K1 e tem o valor experimental de cerca de 2.3 *10-4.

KL 11 2 K2 K1

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Sistema K0 anti-K0 – decaimentos leptónicos

Cerca de 39% dos decaimentos de K0 são leptónicos do tipo:

Aplicando CP à 1ª reacção fica-se com a 2ª Ao fim de certo tempo temos apenas um estado KL

KL tem maior componente de K0 do que anti-K0

Há maior decaimentos em neutrinos Há uma distinção inequívoca da matéria!!!

e

e

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Sistema K0 anti-K0 – Δ entre massas de K2 e K1

t H

t atK0 btK0atbtH MK0

MK0

Criado um feixe K0, como vai evoluir no tempo?

Inserir um elemento de mistura Δ

Os estados próprios são

K1 (valor próprio MK- Δ)

K2 (valor próprio MK+ Δ)

K1t i1tK1, 1 M1 2

1K2t i2tK2, 2 M2 2

2

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Sistema K0 anti-K0 – Δ entre massas de K2 e K1

gt i2t i1t

2

K0tK0tgtgtgtgt.K0K0

Agora para K0 e anti-K0

Cálculo K0 → K0 e K0 → anti-K0 (Δm é a diferença de massas entre K1 e K2):

K0 → K0: |g+ (t)|2

K0 → anti-K0: |g- (t)|2 gt2 12t

2Cosh1 2t

2 Cosmt

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Δ massas de K2 e K1, massa do quark c

Δm = (3.491 ± 0.009)*10-6 eV

Sabendo a Δm: Usando o diagrama e Feynman

Na matriz CKM o quark c é dominante

Pode-se encontrar mc

m G2

4mK fK2mc2Cos2cSin2c

Mc=1.5 GeV (mesma ordem que valores mais recentes)

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Sistema K0 anti-K0 – Mixing e Decay

KL 112 K2K1KS 112 K1K2KLt iLtKL

Definir agora um Hamiltoneano em que os estados próprios são KS e KL

KSt iStKS

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Sistema K0 anti-K0 – Mixing e DecayK0tK0tgtp

qgt

qpgtgt.K0K0

gt iSt iLt

2, S,L MS,L

2S,L

p 1212 , q 1 212p ≠ q => fluxo K0 → anti-K0 é diferente de anti-K0 → K0

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K0 anti-K0 – Decaimento em 2 piões

AmplitudeK00 Agt gtAmplitudeK00 Agt 1

gt

( )g t

A

A

( )q g tp

0K

0K

0K( )g t

A

A

( )p g tq

0K

0K

0K

A K0A K0

qpA

A

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K0 anti-K0 – Decaimento em 2 piõesK00 N St 2tCosm t 2LtK00 NSt 2tCosm t 2Lt KLKS, i

Taxas de decaimento para K0 e antiK0 :

Temos assim 3 termos em cada decaimento:1. O termo ГS é o dominante2. O termo ГL é o termo de decaimento directo3. O termo Г é o termo de interferência (ГS - ГL)

Note-se o sinal (-) que mostra

como K0 e anti-K0 são diferentes

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Violação Indirecta e Directa de CP

´

Violação Indirecta de CP

00 2´´

2.20.4103

Violação Directa de CP

Dos diagramas de Feynman obtém-se as relações seguintes

Experimentalmente (com muito trabalho) obtém-se a relação entre ε´ e ε

Ficou então provada a violação directa de CP!

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Experiências e Resultados Experimentais

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Experiências e Resultados ExperimentaisExperiência e Teoria difíceis e laboriosas

Exemplo: artigo de revisão de 1998 (?)

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Uma experiência – NA48 no CERN decaimentos KL,S → π0 π0 e KL,S → π+ π- são

detectados simultaneamente Ao contrário de outras como a KLOE Vantagem: elimina erros sistemáticos Desvantagens:

Detectores de alta precisão Material hermeticamente fechado Rápidas técnicas de detecção (~100MB/s de dados)

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NA48 – Esquema

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NA48 - Esquema

Produzido um feixe KL de protões a 450 GeV Pequena parte do feixe de protões é desviada para

produzir o feixe Ks

Feixes encontram-se (vêem um ângulo entre si) Colocado AntiCounter para definir a zona exacta de

decaimentos A distinção entre decaimentos KL e KS

Coincidências entre o tempo do evento e o tempo do protão na Tagging Station

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NA48 – Tagging Station

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NA48 - Detectores

espectrómetro magnético para os decaimentos π+ π-

4 drift chambers um dipolo magnético (permite que os feixes sejam

separados ) calorímetro electromagnético de krypton

líquido para a reconstrução de π0 π0 → 4γ 13212 células com uma superfície de 2*2 cm2

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NA48 – Esquema dos detectores

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NA48 – Tratamento de dados

Rejeição de dados que não interessam (podem vir de decaimentos em electrões ou muões)

Para eliminar os acontecimentos em electrões usa-se o facto de que estes depositam <80% da sua energia no calorímetro

Á esquerda, resultados intermédios

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NA48 – Tratamento de dados

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As coisas ainda podem-se complicar mais

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Outra experiência (KTeV)

Resultados de outro artigo de revisão:

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Opiniões sobre o futuro

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Outros estudos: B0 anti-B0 e D0 anti-D0