Vorlesung - Institut für Kern

Institut für Kern- und Teilchenphysik
„Struktur der Materie I: Teilchen- und Kernphysik“ , M.Kobel
Vorlesung Struktur der Materie, 15.6.09
(in Vertretung: Michael Kobel)
Überblick/WH: Prinzipien der Wechselwirkungen
Entdeckung der Botenteilchen
Erkenntnisse aus e+e- Vernichtung
Zahl der Farbladungen der Quarks
Eigenschaften des Z-Bosons
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1.) Prinzipien von Wechselwirkungen
Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung
Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen
Abstoßend
Anziehend
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Was ist eigentlich eine Ladung?
Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens
Ladungen sind Additiv:
Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)
Ladungen kommen nur in Vielfachen einer
kleinsten Ladungsmenge vor
Ladung ist erhalten,
d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren
Mathematisch:
Ladungen sind die Eigenwerte der
„Generatoren“ von „lokalen Eichsymmetrien“
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Die elektromagnetische Wechselwirkung
Ladung: elektrische Ladung Q
Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ
Botenteilchen: Photon
Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0
masselos : m=0
Teilchen
Up
Down
Neutrino Elektron
Ladung
+2/3
-1/3
O
-1
Besonderheiten:
Unendliche Reichweite
Makroskopisch beobachtbar
Grundlage für (fast) alle makroskopischen Phänomene im Alltag
(alle Lebensprozesse, Chemie, Reibung, Druck, Licht, Technik…)
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Die starke Kraft
Ladung: starke Ladung λ
Arten: 3 Ladungswerte: „Farbladung“,
(für Antiquarks jew. Antifarbe)
Botenteilchen: 8 Gluonen
Eigenschaften: tragen je 1 Farbe und Antifarbe
masselos : m=0
Teilchen
Up
Down
Neutrino Elektron
Ladung
r, b, g
r, b, g
Besonderheiten:
Endliche Reichweite ca 1 fm
Gluonen binden Quarks in Hadronen (Baryonen, Mesonen)
Confinement: Keine freien Quarks, alle Hadronen farbneutral
Meson-Austausch beschreibt Kernkräfte zwischen Nukleonen
Bindungsenergien erklären radioaktiven α-Zerfall
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Potenzial der starken Kraft
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Confinement
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Jet-Bildung durch “Fragmentation” als Feynman Diagramm
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Folge: Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets
• e-p Kollisionen bei HERA am DESY
30 GeV e ¯→ ← p 800 GeV
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Die schwache Kraft
Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3)
Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“
Botenteilchen: W-, Z0, W+
Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3 = -1, 0, 1
Masse : m = 80 – 90 GeV
Teilchen
Up
Down
Neutrino Elektron
I3
+1/2
-1/2
+1/2
-1/2
Besonderheiten:
Endliche Reichweite ca 0.0025 fm
Makroskopisch nicht beobachtbar, außer
Brennen der Sonne
Radioaktive Umwandlung („Zerfall“) des Neutrons
Analog: „Zerfall“ des Myons
µ Æ eνν
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Übersicht: Bausteinteilchen und Wechselwirkungen
Bestimmt durch jeweilige Ladungen
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2) Entdeckung der Botenteilchen
1979: Die Entdeckung des Gluons (PETRA Ring, DESY)
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W-Entdeckung: Super-Antiproton-Proton Synchrotron (S⎯ppS), CERN, 1982
Erstes Ereignis ⎯pp Æ W + … Æ μν + …
Myon als (fast) gerade Spur ekennbar (roter Pfeil)
Neutrino durch fehlenden Transversalimpuls (Summe aller Spuren!) indirekt nachgewiesen
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Resultat der
Entdeckung:
Aus 4 eν Ereignissen:
mW= (81 +- 5) GeV
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Die Entdeckung des Z0 am UA1-Experiment, S⎯ppS, CERN, 1983
Das Z wird über den Zerfall in μμ (weiße Spuren) oder ee u ihre invariante Masse rekonstruiert
Entdeckung (1983, links):
mZ = (94 +-3) GeV
Volle Datensätze (1984, unten)
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3) e+e- Vernichtung
Hadronischer Endzustand über
e+e- Æ γ/Z Æ⎯qq Æ Hadronen oder e+e- Æ W+W- Æ⎯qq⎯qq
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e+e- Vernichtung in Myonen e+e- Æ γ/Z Æ μ+μ−
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3a) Evidenz für 3 Farbladungen der Quarks
ECM
E2CM
3b) Eigenschaften des Z-Bosons
• Das Z Teilchen ist nicht stabil
• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um
e+
Z0
Z0
Z0
e+
eμ+
μτ+
τqq
νν
e-
Zeit
Modell für Zerfallskanäle
e+
eμ+
μτ+
τqq
νν
• Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“
• Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht
vorhersagbar
Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht
vorhersagbar
• Entleerungsdauer Æ absolute Größe der Löcher
Zerfallsdauer Æ Stärke der „Kopplungen“ an
Teilchenpaare
Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht
Z0 so
schwach!
für Übungen!
• Aufgabe
Verhältnis
der Austrittsmengen
Doonerstag,
PC Pool, Willersbau
Æ Größenvergleich
der Löcher119
Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten
Æ Größenvergleich der Kopplungen
Ergebnisse hochaktuell
•
Veröffentlicht in
Physics Reports,
Mai 2006
Teilchenidentifikation = Detektivarbeit
•
•
•
feststellbare
Teilcheneigenschaften:
– aus Quarks
(„Hadronen“)
– elektr. geladen /
ungeladen
– leicht / schwer
Zwiebelschalenartiger
Aufbau verschiedener
Komponenten
Jede Teilchenart
hinterlässt bestimmte
Kombination von Signalen
in den Komponenten
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Wechselwirkungen im Detektor
Mehr Durchschlagskraft für:
- schwere Teilchen
- schwächere Wechselwirkung
Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors
Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen
Press “escape” to exit
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Methodik der Messgrößen
Anteil der jeweiligen Zerfälle (Branching Ratios) Bi
Verhältnisse der Anteile (Ratios of BRs) Ri
Wirkungsquerschnitt
Masse und Breite des Z
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