D0-D0bar-Mischung im Zerfall D0 -> Ks pi+ pi- am PANDA-Experiment

Abstract

Einer der am wenigsten getesteten Aspekte des Standardmodells der Teilchenphysik ist die Verletzung der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie, welche formal die Invarianz bei sukzessiver Anwendung der Ladungskonjugation C und der Raumspiegelung P bricht. Der im heutigen Universum beobachtete Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie legt nahe, dass die CP-Invarianz kurz nach dem Urknall bei hohen Energieskalen in einem Umfang verletzt worden ist, den das Standardmodell quantitativ nicht zu erklären vermag. Ein Test der CP-verletzenden Mechanismen des Standardmodells bietet daher hohes Potential die gängige Theorie zu erweitern. Experimentell gibt es bislang ausschließlich im Bereich der neutralen Mesonen K0, B0 und Bs Evidenz für das Auftreten von CP-Verletzung, im Charm-Quark-Sektor (D0) konnte diese bislang nicht bestätigt werden. Bei den bekannten Mechanismen der CP-Verletzung handelt es sich neben direkter um sogenannte indirekte CP-Verletzung, die auf physikalisch erlaubten Übergängen zwischen Teilchen und Antiteilchen beruht (z. B. D0 -> anti-D0) und als solche zeitabhängig ist. Das zukünftige PANDA-Experiment am FAIR-Komplex in Darmstadt bietet durch seinen Aufbau mit ruhendem Target sowie hoher Orts- und hierdurch bedingter Zerfallszeitauflösung gute Vorraussetzungen für eine zeitabhängige Analyse von korrelierten D0-D0bar-Paaren aus psi(3770)-Zerfällen. In der vorliegenden Arbeit wird die Messbarkeit von CP-Verletzung und D0-D0bar-Mischung am PANDA-Experiment in einer zeitabhängigen Dalitz-Diagramm-Analyse des Zerfalls D0 -> Ks pi+ pi- untersucht. Der erste Teil der Arbeit entwickelt hierzu ausgehend von der Methode der maximalen Likelihood einen Fitalgorithmus, der es ermöglicht, Parameter der dynamischen Übergangsamplitude, Mischungs- und CP-verletzende Parameter aus der beobachteten Verteilung der Viererimpulse der Endzustandsteilchen zu bestimmen. Durch eine explizite Faltung von Übergangsamplitude und Auflösungsfunktion der Zerfallszeit wird hierbei auch der nicht vernachlässigbare Messfehler der Zerfallszeit berücksichtigt. Eine rein statistische Analyse erlaubt es, die zur Messung notwendige Ereignismenge abzuschätzen und den Einfluss der Zeitmessung auf diese zu quantifizieren. Im zweiten Teil wird anhand einer detaillierten Simulationsstudie im PANDA-Simulations-Framework PandaRoot die Rekonstruierbarkeit des betrachteten Zerfallskanals untersucht. Neben der Auflösung relevanter invarianter Massen und einer allgemeinen Charakterisierung der Teilchenidentifikation liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Messung der wenige hundert Mikrometer kurzen Zerfallslänge des D-Mesons innerhalb des Detektors. Hierbei wird auch gezeigt, dass es für die Analyse nicht erforderlich ist, den experimentell schwierig zu bestimmenden primären Antiproton-Proton-Interaktionspunkt direkt zu messen. Zudem wird die Separierbarkeit des Signalkanals von hadronischen Untergrundreaktionen untersucht. Der abschließende dritte Teil zeigt durch Anwendung des erstellten Fitalgorithmus auf simulierte Stichproben, inwieweit es gelingt, die resonante Dynamik des Dreikörperzerfalls D -> Ks pi+ pi- aufzulösen und gibt eine finale Abschätzung der erreichbaren Präzision in der Messung von D0-D0bar-Mischung mit der verwendeten Methode am PANDA-Experiment. Violation of particle-antiparticle symmetry, corresponding to a non-invariance under successive application of charge conjugation C and parity transformation P, is one of the least tested aspects in the Standard Model of particle physics. The observed baryon asymmetry of the universe indicates CP-violation at high energy scales shortly after the Big Bang, which quantitatively cannot be explained by the Standard Model. Therefore a test of CP-violation has great potential to expose phenomenology beyond the current theoretical framework. So far, experimentally there is only evidence for CP-violation in decays of the neutral mesons K0, B0 und Bs, while in the charm-quark sector (D0) no occurance of CP-violation could be established. Despite direct CP-violation, a well known mechanism of violating CP invariance is the so called indirect CP-violation, induced by time dependant particle-antiparticle (e. g. D0 -> D0bar) mixing. With its high vertex- and therefore decay time resolution, the future fixed target experiment PANDA at the FAIR facility in Darmstadt will be well suited to study correlated D0-D0bar-pairs from psi(3770) decays.In this thesis a time dependant Dalitz plot analysis of the D0 -> Ks pi+ pi- decay is used to examine the feasibility of CP-violation- and D0-D0bar-mixing measurements at the PANDA experiment.Based on the maximum likelihood method, the first part of this thesis develops a fit algorithm, suitable for measuring parameters of the dynamic amplitude, CP-violating and mixing parameters from the observed four-momentum distribution. The not negligible decay time resolution is explicitly taken into account by a convolution of the transition amplitude with the decay time resolution function. A statistical analysis allows to estimate the event yield needed with and without effects of decay time resolution.In the second part, the reconstruction performance for the used decay channel is studied using a detailed simulation within the PANDA simulation framework PandaRoot. Besides the resolution of relevant invariant masses and a general characterisation of particle identification, the focus lies on the reconstruction of the, only several hundred micrometre short, decay length of the D0 within the detector. It is shown that there is no need of direct reconstruction of the experimentally hard to measure primary antiproton proton interaction vertex.Further the separability of the signal channel from hadronic background reactions is studied. The concluding third part shows by application of the developed fit algorithm on simulated data samples how well the resonant dynamic of the three body decay D0 -> Ks pi+ pi- can be disentangled and estimates the reachable precision in the measurement of D0-D0bar mixing with the used method at the PANDA experiment.