TH-PHD-2015-008

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 Bs0 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 -> D0bar) 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 D0D0bar-Paaren aus Psi(3770)-Zerfällen.

In der vorliegenden Arbeit wird die Messbarkeit von CP-Verletzung und D0D0bar-Mischung am PANDA-Experiment in einer zeitabhängigen Dalitz-Diagramm-Analyse des Zerfalls D0 -> Ks pi+ p- 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 D0-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 D0 -> Ks pi+ pi- aufzulösen und gibt eine finale Abschätzung der erreichbaren Präzision in der Messung von D0D0bar-Mischung mit der verwendeten Methode am PANDA-Experiment.