Teilchenphysik

Teilchenphysik
Lehrerprogramm - April 2017
Teil III
European Organisation for Nuclear Research
„Magic is not happening at CERN, magic is explained at CERN“ - Tom Hanks
Kristof Schmieden
EP Department
[email protected]
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Wechselwirkungen
• Bosonen (S=1)
Neutrinos bisher vernachlässigt
Kristof Schmieden
2
Schwache
Wechselwirkung
Kristof Schmieden
3
Radioaktivität
• Zurück zum Anfang des 20. Jahrhunderts
• 1895: Wilhelm Röntgen entdeckt Röntgenstrahlung
• 1896: Henri Becquerel entdeckt Strahlung von Urankristallen
• 1898: Marie und Pierre Curie: Strahlung von Pechblende (U + Polonium)
• Dauerte 35 Jahre um diese Phänomene grob zu Verstehen
Kristof Schmieden
4
β-Zerfall
Felder
‘Schwache’ Wechselwirkung
β - Zerfall von Atomkernen
•Beta-Zerfall
von Atomkernen - warum wurden Elektronen mit einem
kontinuierlichen Energiespektrum emittiert?
Beobachtet: AZ → AZ+1 + eVerletzung der Energieerhaltung ?
Z --> (Z+1) + e ?
Meitner, Hahn: 1911
1911 Lise Meitner, Otto Hahn
Verletzung
der Energieerhaltung?
• 1930
Wolfgang Pauli: an extremely light neutral particle* is emitted in beta decay
Pauli: 1930
*‘neutron’, but in 1931 Fermi called it “‘neutrino” (little neutron)
n --> p + e +
Kristof Schmieden
ν
5
β-Zerfall
Felder
‘Schwache’ Wechselwirkung
β - Zerfall von Atomkernen
•Beta-Zerfall
von Atomkernen - warum wurden Elektronen mit einem
kontinuierlichen Energiespektrum emittiert?
Beobachtet: AZ → AZ+1 + eVerletzung der Energieerhaltung ?
Z --> (Z+1) + e ?
Meitner, Hahn: 1911
1911 Lise Meitner, Otto Hahn
Verletzung
der Energieerhaltung?
• 1930
Wolfgang Pauli: an extremely light neutral particle* is emitted in beta decay
Pauli: 1930
*‘neutron’, but in 1931 Fermi called it “‘neutrino” (little neutron)
leichtes Teilchen in Zerfall erzeugt
• Lösung: zusätzliches sehr
n --> p + e + ν
Postulat: AZ → AZ+1 + e- + ν
Neutrino (kleines Neutron)
Nachweis erst 1956.
Kristof Schmieden
5
Fermi‘s Theorie
• Beobachtungen:
• Umwandlung von Materie Teilchen
• Schwach (Lange Lebensdauer im vergleich zu EM Zerfällen)
• Kurz-Reichweitig
Fermi: 1934
neue Wechselwirkung! (1934 nur Gravitation & EM bekannt)
Kristof Schmieden
6
Fermi‘s Theorie
• Beobachtungen:
• Umwandlung von Materie Teilchen
• Schwach (Lange Lebensdauer im vergleich zu EM Zerfällen)
• Kurz-Reichweitig
Fermi: 1934
neue Wechselwirkung! (1934 nur Gravitation & EM bekannt)
• Phänomenologische Erklärung von Enrico Fermi:
• Punktförmige Wechselwirkung von 4 Teilchen
• Schwach: GF 10-5 relativ zur EM WW
• Analogie zu 2 Teilchenströmen: p,n / e,ν
n
p+
eν
Berechnung von β - Zerfällen & Wechselwirkungswahscheinlichkeiten
möglich
Kristof Schmieden
6
“Phänomenologische”
Beschreibung der
Erhaltung
der Wahrscheinlichkeit
schwachen WW durch Enrico Fermi 1934
Problem in ~ 1950
• Großes
Wechselwirkung findet in einem Punkt statt
Enrico Fermi
(1901-1954)
Stärke GF ~ 10-5 relativ
zur(G
elektro-magnetischen
WW
für p +ν~
• Streuquerschnitt
F E ν) n
• Verletzt
Unitarität
für E > 300(Proton-Neutron
GeV (Wahrscheinlichkeit
> 1)
Analogie zu
zwei Teilchen”strömen”
/ ElektronNeutrino)
p
Felder
1934 - 1948
Glashow: 1958
e
Quanten-Elektrodynamik
“Problem” in den 1950er Jahren bei höheren E
• Lösungsansatz:
Wechselwirkung durch schweres Botenteilchen übertragen
• Schwache
Wahrscheinlichkeit
oberhalb 300bekannt)
GeV > 100% (!)
bereits als Botenteilchen
• (Photon
“Renormalisation”
Nacktes Elektron + Vakuum-Fluktuationen = beobachtbare
(“unendlich” - “unendlich” = “endlich”)
Idee von Sheldon Glashow 1958: schwache WW wird
R. P. Feynman
durch schweres Austauschteilchen übertragen
n
n
W-
e
ehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Elektron Streuung
Präzise Berechnungsvorschriften in graphischer Form
p
p
Fermi
Feynman Diagramme
Glashow
Schwinger
Tomonaga
analog zum
Dyson
Photonaustausch
der elektromagnetischen WW
e
Michael Hauschild (CERN), Seite 12
• Große Masse des W - Teilchens erklärt kurze Reichweite (~10-18m) und kleine
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
Kristof Schmieden
7
Elektro-magnetische
und Wechselwirkung
schwache Wechselwirkung zeigen
Elektroschwache
iele Ähnlichkeiten
• Erkenntnis: Elektromagnetische & schwache Wechselwirkung
Vereinigung
der elektro-magnetischen
und der schwachen
sind Manifestationen
derselben zugrundeliegenden
WW sind
Wechselwirkung durch Glashow, Salam, Weinberg 1968
Glashow, Salam,
Weinberg: 1968
Vereinheitlichungund
zur
Elektroschwachen
Wechselwirkung!
•Elektro-magnetische
schwache
WW sind zwei Aspekte
der gleichen
“elektroschwachen” Wechselwirkung
•
Sowohl
Quarks
als auch Leptonen
besitzen
eine “schwache”
Neue
„schwache“
Ladung:
besitzen
Quarks & Ladung
Leptonen
n
p
W
Zu dieser Zeit noch
Unbeobachtet
Z0
ungeladen,
“neutraler“ Strom
elektrisch geladen
e
e
e
2 geladene schwere Austauschteichen: W+, W-
(massiv)
•
Z erhalten ihre
Masse durch das Higgs-Feld
neutrale
Austauschteilchen:
γ (masselos), Z0 (massiv)
•W2und
+, W2 neutrale
Austauschteilchen:
(masselos), Z0W
(schwer)
2 el. geladene
Austauschteilchen:
dung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 13
8
“Neutrale
Ströme”
“Neutrale
Ströme”
Entdeckung des neutralen Stroms
0
CERN: 1973
0 am CERN
Hinweis
auf
Z
• Indirekter Indirekter
“Neutrale
Ströme”
Indirekter
Hinweis
aufauf
Existenz
des Zdes
Hinweis
Existenz
Z0 am1973
CERN
1973
elastischervon
Stoß
eines
Neutrinos
mit einem
ElektronElektron
der Atomhülle
Streuung
Neutrino
an
Elektron
Stoß
eines
Neutrinos
mit einem
der Atomhülle
• Elastischeelastischer
0
Indirekter
Hinweis
auf
Existenz des
Z am
1973
schwache
Wechselwirkung,
Austausch
einesCERN
Z0 (“schwaches
Licht”)
aus Atomhülle
0
schwache Wechselwirkung, Austausch eines Z (“schwaches Licht”)
keine el.-magn. Wechselwirkung, kein Photonaustausch
elastischer Stoß
eines Neutrinos mit einem Elektron der Atomhülle
keine el.-magn. Wechselwirkung, kein Photonaustausch
schwache Wechselwirkung, Austausch eines Z0 (“schwaches Licht”)
keine el.-magn. Wechselwirkung,
kein Photonaustausch
0
Z
Z0 e-
e-
Z0
e-
e-
400 MeV Elektron
e-
400 MeV Elektron
e-
400 MeV Elektron
CERN
Gargamelle Blasenkammer
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
hrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
CERN
CERN
Gargamelle Blasenkammer
Gargamelle Blasenkammer
Michael Hauschild (CERN), Seite 14
Kristof Schmieden
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 14
9 (CE
Michael Hauschild
0
Direkte
Entdeckung
des
W
und
Z
Experimenteller
Nachweis
von
W
& Z WW
Elektroschwache
Beschleuniger
im Kollisions
modus:
• SPS
ppS
collider
am CERN 1983
(Nobelpreis 1984,
C. Rubbia + S. van der Meer)
1983
CERN: 1983
Entdeckung der W und Z Bosonen am CERN (1983)
Super Proton Synchroton betrieben als Proton – Antiproton Collider
Proton - Anti-Proton Kollisionen (SppS)
•
2 Experimente/Detektoren: UA1 + UA2 (Underground Area 1 + 2)
• Experimente UA1 & UA2
geladenes lepton
pp̄ ! W + X ! e ⌫¯e + X
Kollision im
UA1 Spurdetektor
Text
W Ereignis im UA-1 Detektor
CarloRubio,
Rubbia,van
Simon
der Meer
dervan
Meer
hochenergetisches Elektron
Hochenergetisches Elektron
ung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 15
10
Elektroschwache Theorie
• Quarks: u, d, s
• Leptonen:
e
νe
µ
νµ
Elektroschwache Wechselwirkung
Elektroschwache Wechselwirkung
•
Zusammenhang
zwischen
Leptonen und Quarks
Reaktionen
der schwachen
Wechselwirkung
Zusammenhang zwischen Leptonen und Quarks
Muon Zerfall
schwache Isospin
1/2 doubletts!
β-Zerfall
~ GF
~ GF
~ GF
~ GF
Konzept der elektroschwachen Ladung von Quarks und Leptonen
Konzept
der elektroschwachen
Ladung von Quarks und Leptonen
Übertragung durch
Austausch
von W und Z Bosonen
Übertragung durch Austausch von W und Z Bosonen
Kopplungsstärke
solle gleich sein: gleiche schwache Ladung für Quarks & Leptonen
•*Unter
der Annahme das die verschiedenen Quark-Zustände etwas ‘vermischt’ sind
*Unter der Annahme das die verschiedenen Quark-Zustände etwas ‘vermischt’ sind
aber leicht unterschiedlich gemessen!
• wurde
d' = d cos θc + s sin θc
“Quark θc = Cabbibo angle ~ 20o
mixing”
Kristof Schmieden
d' = d cos θ
c + s sin θc
s' =“Quark -d sin θc + s cos θ
c
mixing”
s' = -d sin θc + s cos θc
θc = Cabbibo angle ~ 20o
11
Elektroschwache Theorie
Beobachtung in Teilchenreaktionen:
(sdd)
(udd)
⌃ ! n + e + ⌫¯e
⇠ 20
n ! p + e + ⌫¯e
(udd)
(uud)
s
u
u
GF
GF
W-
νe
Kristof Schmieden
d
W-
e-
νe
e-
12
Elektroschwache Theorie
Beobachtung in Teilchenreaktionen:
(sdd)
(udd)
⌃ ! n + e + ⌫¯e
⇠ 20
n ! p + e + ⌫¯e
(udd)
(uud)
s
u
u
GF
GF
W-
νe
Kristof Schmieden
d
Beide Reaktionen sollten gleich
häufig auftreten!
W-
e-
νe
e-
12
Elektroschwache Theorie
• Quarks:
✓
u
d cos ✓C + s sin ✓C
◆
• Leptonen:
✓ ◆✓ ◆
µ
e
⌫µ
⌫e
Cabibbo: 1963
(5 Jahre nach
einführung des W
Bosons)
schwacher Isospin doublets!
Kristof Schmieden
13
Elektroschwache Theorie
• Quarks:
✓
u
d cos ✓C + s sin ✓C
◆
• Leptonen:
✓ ◆✓ ◆
µ
e
⌫µ
⌫e
Cabibbo: 1963
(5 Jahre nach
einführung des W
Bosons)
schwacher Isospin doublets!
• Quarks (u,d,s) werden auch Eigenzustände der starken WW genannt!
• Diese ,Teilchen‘ interagieren miteinander durch starke WW
• Erinnerung: Teilchen sind Wellen!
• Können sich überlagern, interferieren, mischen .... (vgl. Elektrotechnik!)
• An schwacher Wechselwirkung ist eine Mischung obiger Quarks beteiligt
Eigenzustände der starken WW != Eigenzustände der schwachen WW
Damit ist vorheriges Problem gelöst!
Kristof Schmieden
13
Elektroschwache Theorie
• Quarks:
✓
u
d cos ✓C + s sin ✓C
◆
• Leptonen:
✓ ◆✓ ◆
µ
e
⌫µ
⌫e
Cabibbo: 1963
(5 Jahre nach
einführung des W
Bosons)
schwacher Isospin doublets!
• Quarks (u,d,s) werden auch Eigenzustände der starken WW genannt!
• Diese ,Teilchen‘ interagieren miteinander durch starke WW
• Erinnerung: Teilchen sind Wellen!
• Können sich überlagern, interferieren, mischen .... (vgl. Elektrotechnik!)
• An schwacher Wechselwirkung ist eine Mischung obiger Quarks beteiligt
Eigenzustände der starken WW != Eigenzustände der schwachen WW
Damit ist vorheriges Problem gelöst!
• Durch ähnliche Beobachtung anderer Reaktionen wurde ein 4. Quark
vorhergesagt!
Kristof Schmieden
13
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
14
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Doublets der schwachen Ladung
Kristof Schmieden
14
TEILCHENSPEKTRUM
Und was ist das jetzt?
ar das Standard-Modell mit zwei Familien von
eines 3. Leptons
• Entdeckung
und
Quarks etabliert
...
1975
SLAC: 1975
• Das Tauon: τ
man am SLAC ein drittes Lepton!
• Neues, ,schweres‘ Elektron (3500 me)
‘schweres Elektron’ mit M= 3500 me
• Dazu muss ein weiteres Neutrino gehören
... und wer hatte das bestellt?
• Sowie 2 weitere Quarks!
R NEUEN LOGIK DER LEPTON-QUARK
SYMMETRIE
eiteres Neutrino (the ‘tau neutrino’),
Kristof Schmieden
ei weitere Quarks (‘top’ and ‘bottom’).
Marty Perl's Logbook
15
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Bottom & Top am Fermilab entdeckt,
1977
1995
Kristof Schmieden
16
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Doublets der schwachen Ladung
Bottom & Top am Fermilab entdeckt,
1977
1995
Kristof Schmieden
16
Higgs
Kristof Schmieden
17
Higgs
• Higgs Mechanismus spielt eine zentrale Rolle in der
Elektroschwachen Theorie
Higgs,
Englert,
Brout: 1964
• Warum ist der „Higgs Mechanismus“ so Wichtig für die
Teilchenphysik?
• Alle Eichbosonen sind masselos in der Theorie!
• Aber W & Z Bosonen sind massiv in der Natur!
• Wahrscheinlichkeitserhaltung!
Kristof Schmieden
18
Higgs
• Higgs Mechanismus spielt eine zentrale Rolle in der
Elektroschwachen Theorie
Higgs,
Englert,
Brout: 1964
• Warum ist der „Higgs Mechanismus“ so Wichtig für die
Teilchenphysik?
• Alle Eichbosonen sind masselos in der Theorie!
• Aber W & Z Bosonen sind massiv in der Natur!
• Wahrscheinlichkeitserhaltung!
Streuwahrscheinlichkeit > 1
für Q2 groß!
Muss ,Skalar‘
sein: Spin = 0
Kristof Schmieden
Alles zusammen: destruktive
Interferenz
→ Wahrscheinlichkeit < 1
18
Massen der Eichbosonen
•
LG =
1 i iµ⌫
F F
4 µ⌫
1
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
2
i and B
where Fµ⌫
µ⌫ are the field strength tensors of the gauge fiel
Alle Eichbosonen sind masselos in Elektroschwacher
Theorie!Gauge boson mass terms do not a
SU (2)L and U (1)Y , respectively.
as they would break the local gauge invariance of the lagrangian.
and all
bosons
but the photon massive a spontaneous breakdown
Masse ,per hand‘ hinzugefügt: Theorie
bricht
zusammen
symmetry is needed [11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmet
•
• → Eichinvarianz geht verloren
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
• Dynamische Erzeugung der Masse:
• Interaktion mit einem Skalaren
• Erfüllt das ganze Universum
In order to achieve the electroweak symmetry breaking in the simpl
complex scalar fields is added to the theory:
Feld
✓ +◆
'
LS = (Dµ )† (Dµ ) V ( † ); =
, Y = +1, '0 neutral,
0
'
The potential V
• Führt zu Massentermen in Gleichungen
is defined in a gauge invariant way by
V(
Higher orders of (
• Symmetrie des Potentialminimums ,spontan‘
gebrochen
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model
+ ( † )2 , m, 2 R.
Potential
)Higgs
are not- allowed
in order to keep the theory
V
ensure the stability of the vacuum, has to be greater than zero. If in
is chosen negative, the potential takes the famous shape of a mex
†
The scaler product for 3-vectors is always indicated by using variables overs
• Führt zur Brechung der EW Symmetrie
whereas the Einstein summation convention is used for 4-vectors.
• Elektromagnetismus & schwache WW
4
6
• Analoge Effekte bereits aus Festkörperphysik
bekannt! (Supraleitung)
Kristof Schmieden
2
1
Figure 2.1.: Illustration of the shape of the potential according
19 to
Higgs-Feld hat keine Richtung (Skalarfeld)
Massen der Eichbosonen
1
1
i
iµ⌫
LG = V(Fµ⌫
Fdes
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
Potential
)
Higgs-Feldes
4
2
ist komp
•
i and B
where Fµ⌫
fiel
(2 x 2 Komp
µ⌫ are the field strength tensors of the gauge
Alle Eichbosonen sind masselos in Elektroschwacher
Theorie!Gauge boson mass terms do not a
SU (2)L and U (1)Y , respectively.
Sombrero-artige
Form (“Mexikanischer
H
as they would break
the local gauge invariance
of the lagrangian.
and all
bosons
but the photon massive a spontaneous breakdown
Masse ,per hand‘ hinzugefügt: Theorie
bricht
zusammen
Entstehung unmittelbar nach dem Urkna
symmetry is needed [11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmet
•
• → Eichinvarianz geht verloren
heiss
(E >
1015
GeV, T >
(E <
GeV, T < 1029 K)
In order to achieve the electroweak symmetry breaking in the simpl
complex scalar fields is added to the theory:
Feld
✓ +◆
'
†
µ CERN, Oktober
†
0
Lehrerfortbildung
2015=– Teilchenphysik
LS = (D
)
(D
)
V
(
);
µHohe Energiedichte 0 , Y 3 = +1, ' neutral,
'
The potential V
• Führt zu Massentermen in Gleichungen
is defined in a Niedrige
gauge invariant
way by
Energiedichte
V(
Higher orders of (
• Symmetrie des Potentialminimums ,spontan‘
gebrochen
K)
kalt
1014
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
• Dynamische Erzeugung der Masse:
• Interaktion mit einem Skalaren
• Erfüllt das ganze Universum
kühler
1030
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model
+ ( † )2 , m, 2 R.
Potential
)Higgs
are not- allowed
in order to keep the theory
V
ensure the stability of the vacuum, has to be greater than zero. If in
is chosen negative, the potential takes the famous shape of a mex
†
The scaler product for 3-vectors is always indicated by using variables overs
• Führt zur Brechung der EW Symmetrie
whereas the Einstein summation convention is used for 4-vectors.
• Elektromagnetismus & schwache WW
4
6
• Analoge Effekte bereits aus Festkörperphysik
bekannt! (Supraleitung)
Kristof Schmieden
2
1
Figure 2.1.: Illustration of the shape of the potential according
19 to
Das Higgs Teilchen
• Higgs Mechanismus erfordert zwingend ein Teilchen mit Spin = 0 (Skalar)
• Boson des Higgs Feldes, Botenteilchen der Interaktion mit diesem Feld
Kristof Schmieden
20
Das Higgs Teilchen
• Higgs Mechanismus erfordert zwingend ein Teilchen mit Spin = 0 (Skalar)
• Boson des Higgs Feldes, Botenteilchen der Interaktion mit diesem Feld
CERN
(ATLAS &
CMS): 2012
Kristof Schmieden
20
Wie die Teilchen Massiv wurden
Higgs-Mechanismus:
Analogien
II
• Masse der Teilchen hängt von Kopplungsstärke zum Higgsfeld ab:
Bild:für
Higgs-Feld
zähe Flüssigkeit
Verantwortlich
Masse derals
Vektorbosonen:
gV ~ mV2
• DirektAlternatives
masselose Teilchen durchqueren die Flüssigkeit
zunächst lichtschnelle Teilchen (masselos) werden durch die zähe Flüssigkeit
Symmetrie
→Masse)
Goldstone Bosonen → Freiheitsgrade absorbiert in
• Gebrochene
verlangsamt
(Verleihung von
Massiven
Eichbosonen
Verschiedene
Teilchen erfahren unterschiedliche Viskositäten
(unterschiedlich starke Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld)
Fermionen
über
Yukawa
Wechselwirkung:
• Masse der
wenig
Viskosität (Luft)
= wenig
Verlangsamung
= leichtes Teilchen
hinzugefügt
• Explizitmittlere
Viskosität (Wasser) = stärkere Verlangsamung = mittelschweres Teilchen
Viskosität (Sirup) = starke Verlangsamung = schweres Teilchen
• gF ~ mhohe
F
Higgs-Teilchen als kurzzeitiger Anregungszustand der zähen Flüssigkeit
(Higgs-Feld)
Teilchen
Masse
leicht
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
Kristof Schmieden
mittel
schwer
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
21
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
22
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Doublets der schwachen Ladung
Kristof Schmieden
22
Was haben wir jetzt gelernt?
• Dynamische Erzeugung von Masse
• Vereinheitlichung der elektromagnetischen & schwachen Wechselwirkung
• Elektroschwache Symmetriebrechung konsistent Beschrieben
• Wie ist es möglich das W&Z massiv, das Photon aber masselos ist?
• Wie ist es möglich das MW != MZ
Kristof Schmieden
23
Was haben wir jetzt gelernt?
• Dynamische Erzeugung von Masse
• Vereinheitlichung der elektromagnetischen & schwachen Wechselwirkung
• Elektroschwache Symmetriebrechung konsistent Beschrieben
• Wie ist es möglich das W&Z massiv, das Photon aber masselos ist?
• Wie ist es möglich das MW != MZ
• Wieso haben Fermionen eine Masse != 0 ?
• Wieso haben Fermionen unterschiedliche Massen?
• Was Bestimmt die „Massen-Hirachie? [2 MeV (u) -- 173 GeV (t) ]
Kristof Schmieden
23
Letzte Anmerkung zum Higgs
Nobelpreis 1988 (mit Melvin Schwartz und
Jack Steinberger) für die Entdeckung des
Myon Neutrinos 1962
Leon M. Lederman (2007)
des Fermilab),
Nobelpreis
1988
Lederman
schrieb 1993
ein Buch über
• Leon Lederman (frühere Direktor
Teilchenphysik und das Higgs Boson
(mit Wissenschaftsjournalist Dick Teresi)
und das Higgs-Teilchen
• Schrieb 1993 Buch über Teilchenphysik
und gab dem Higgs Boson den Spitznamen
“Das Gottesteilchen”
- „God particle“
• Präge den Begriff „Gottesteilchen“
weil das Teilchen "so central to the state of physics
today, so crucial to our final understanding of the
structure of matter, yet so elusive”
• Und der Grund:
und weil "the publisher wouldn't let us call it the
Goddamn Particle, though that might be a more
appropriate title, given its villainous nature and the
expense it is causing."
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 8
24
Letzte Anmerkung zum Higgs
Nobelpreis 1988 (mit Melvin Schwartz und
Jack Steinberger) für die Entdeckung des
Myon Neutrinos 1962
Leon M. Lederman (2007)
des Fermilab),
Nobelpreis
1988
Lederman
schrieb 1993
ein Buch über
• Leon Lederman (frühere Direktor
Teilchenphysik und das Higgs Boson
(mit Wissenschaftsjournalist Dick Teresi)
und das
Higgs-Teilchen
• Schrieb 1993 Buch über Teilchenphysik
Higgs wird
Allgemeingut
und gab dem Higgs Boson den Spitznamen
“Das Gottesteilchen”
- „God particle“
• Präge den Begriff „Gottesteilchen“
weil das Teilchen "so central to the state of physics
today, so crucial to our final understanding of the
structure of matter, yet so elusive”
• Und der Grund:
und weil "the publisher wouldn't let us call it the
Goddamn Particle, though that might be a more
appropriate title, given its villainous nature and the
expense it is causing."
Lehrerfortbildung
CERN, Oktober
– Teilchenphysik
"so central to the state of physics
today,
so2015crucial
to3 our final
understanding of the structure of matter, yet so elusive”
Michael Hauschild (CERN), Seite 8
but "the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle,
though that might be a more appropriate title, given its villainous
nature and the expense it is causing."
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 28
24
Neutrinos
Kristof Schmieden
25
Neutrinoquellen
• Sonne / Supernovae: Kernfussion
1
1
2
+
H + H ! H + e + ⌫e + 0, 42 MeV
• Kernreaktoren: Kernspaltung
• β - Zerfall von Spaltprodukten & Neutronen → νe
• Atmosphäre:
• Myonzerfälle aus kosmischer Strahlung → νµ, νe
• Beschleuniger:
• Myonzerfälle → νµ, νe
Kristof Schmieden
26
Neutrinooszillationen
• Nachweis Stellarer Neutrinos im Homestake Experiement:
Davis Jr.: 1960er
• Gemessener Neutrinofluß 50% der Erwartung aufgrund der Sonnenleuchtkraft
Kristof Schmieden
27
Neutrinooszillationen
• Nachweis Stellarer Neutrinos im Homestake Experiement:
Davis Jr.: 1960er
• Gemessener Neutrinofluß 50% der Erwartung aufgrund der Sonnenleuchtkraft
• Nachweis Stellarer Neutrinos in Superkamiokande
• Bestätigung der Homesetake Ergebnisse
Super Kamiokande: 1998
• Nachweis Atmosphärischer Neutrinos
• Fluß der von „oben“ und von „unten“ kommenden Neutrinos unterscheidet sich
um ~50%
• Was passiert mit den Neutrinos?
Kristof Schmieden
27
Neutrinooszillationen
• Nachweis Stellarer Neutrinos im Homestake Experiement:
Davis Jr.: 1960er
• Gemessener Neutrinofluß 50% der Erwartung aufgrund der Sonnenleuchtkraft
• Nachweis Stellarer Neutrinos in Superkamiokande
• Bestätigung der Homesetake Ergebnisse
Super Kamiokande: 1998
• Nachweis Atmosphärischer Neutrinos
• Fluß der von „oben“ und von „unten“ kommenden Neutrinos unterscheidet sich
um ~50%
• Was passiert mit den Neutrinos?
• Neutrinos Oszillieren von einer Art (flavour) zur Anderen
• Nur Elektron & Muon Neutrinos werden Nachgewiesen
Kristof Schmieden
27
Neutrinooszillationen
• Analog zum Quark-Sektor
• Masseneigenzustände != flavour Eigenzustände
• Erlaubt Mischung → Oszialltionen
• Erfordert mv > 0 & mv1 != mv2 != mv3
Elektron Neutrino
Muon Neutrino
Tau Neutrino
Kristof Schmieden
28
Neutrinooszillationen - Nachweis
• Verschiedenen Reaktor & Beschleuniger Experimente
• Detektoren in Unterschiedlichen Entfernungen der Quelle
• Double Chooz, KamLand, DayaBay / T2K, Opera, Minos
• Messen Unterdrückung des Neutrinoflusses
Kristof Schmieden
29
Neutrinooszillationen - Nachweis
• Verschiedenen Reaktor & Beschleuniger Experimente
• Detektoren in Unterschiedlichen Entfernungen der Quelle
• Double Chooz, KamLand, DayaBay / T2K, Opera, Minos
• Messen Unterdrückung des Neutrinoflusses
• Opera: Erscheinen eines tau-Neutrinos nachgewiesen
Opera: 2010-2014
• Neutrinostrahl (µ, e) vom CERN 740km nach Gran Sasso (IT)
• Nachweis von Tau Neutrinos im Neutrinostrahl (5x)
Kristof Schmieden
29
Woher haben Neutrinos ihre Masse?
• Und wieso ist die Masse so klein im Vergleich zu Leptonen? (< 2eV)
• Genauso wie Elektronen, über Kopplung um Higgsfeld?
• Erfordert Links & Rechtshändige Neutrinos
• Nur Linkshändige Neutrinos sind beobachtet worden!
• Anderer Mechanismus?
• Hoch im Trend: See-Saw Mechanismus:
• Neutrinos sind Majorana Teilchen (eigenen Anti-Teilchen)
• Zusätzlich sehr schwere Rechtshändige Neutrinos (sterile Neutrinos)
• Erzwingen sehr kleine Masse für bekannte Neutrinos
• Dies Verletzt Leptonzahlerhaltung & B-L
• Könnte die Existenz von Materie über Leptogenesis erklären
Kristof Schmieden
30
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
31
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Doublets der schwachen Ladung
Kristof Schmieden
31
Erfolg des Standardmodells
Elektroschwache & Starke Wechselwirkung
Quarks, Leptonen, Neutrinos
σ [pb]
Standard Model Production Cross Section Measurements
1011
106
80 µb−1
Status: July 2014
ATLAS Preliminary
Run 1
√
s = 7, 8 TeV
0.1 < pT < 2 TeV
0.3 < mjj < 5 TeV
5
10
104
LHC pp
njet ≥ 0
35 pb
103
−1
√
s = 7 TeV
LHC pp
√
s = 8 TeV
Theory
Theory
Data
Data
4.5 − 4.7 fb−1
20.3 fb−1
njet ≥ 1 njet ≥ 0
35 pb−1
njet ≥ 2
2
10
njet ≥ 3
1
10
njet ≥ 4
njet ≥ 5
1
njet ≥ 1
upper
limit
13.0 fb−1
4.9 fb−1
0.7 fb−1
2.0 fb−1
njet ≥ 3 njet ≥ 4
95% CL
njet ≥ 5
upper
njet ≥ 4 njet ≥ 6
njet ≥ 5
njet ≥ 6
10−2
95% CL
njet ≥ 2
njet ≥ 6
10−1
njet ≥ 0
limit
1.0 fb−1
njet ≥ 7
njet ≥ 8
njet ≥ 7 njet ≥ 7
10−3
pp
Jets Dijets W
R=0.4
total
Kristof Schmieden
Z
tt̄
tt−chan WW+ WW
|y |<3.0 |y |<3.0 fiducial fiducial
y ∗ <3.0
γγ
Wt
WZ
ZZ
tt̄γ
Wγ
Zγ
tt̄W
tt̄Z
WZ
R=0.4
total
total
total
Zjj H→γγW± W± jj ts−chan
EWK
total
fiducial
total
total
total
fiducial fiducial fiducial
njet=0 njet=0
total
total
EWK
fiducial fiducial fiducial
total
32
Noch ein paar lose
Enden ...
Kristof Schmieden
33
Gravitation
• Gravitation lässt sich nicht innerhalb des SM beschreiben
• Theoretisches Problem: Allgemeine Relativitätstheorie und
Quantenmechanik konnten bisher nicht zusammengefügt werden
• Wieso ist Gravitation so schwach?
• Dominiert makroskopische Objekte
• Auf Teilchenebene vernachlässigbar!
• 10-38 mal so stark wie Elektromagnetische Wechselwirkung!
• Zusätzliche Dimensionen?
Kristof Schmieden
34
Gravitation
• Wieso ist Gravitation so schwach?
• Zusätzliche Dimensionen?
• Vorhersage von ,schwarzen Löchern‘
• Teilchen die am LHC erzeugt werden
könnten
• Streuung an Kompaktifizierten Extra-
Dimensionen
• Kaluza-Klein Tower / Anregungen
(= stehende Wellen in Extra-Dimension)
Bisher nicht beobachtet :(
Kristof Schmieden
35
Gravitation - String Theorie
ab ~1980 bis
heute
• Ein fundamentales Objekt:
• String (Saite)
• Größe ~ Planck Länge: 10-35m
• Können offen oder Geschlossen sein
• Angeheftet auf „Welt-Brane“
• Schwingungsmoden entsprechen Beobachtbaren
Teilchen
• Branen leben in 11 Dimensionalen Raum
• M-Theorie
• Sehr Einfacher, eleganter Ansatz
• Vereinheitlichung aller bekannten Kräfte (beinhaltet Quanten-Gravitation)
• Unglaublich schwer zu Berechnen. Bisher keine Überprüfbaren Vorhersagen
Kristof Schmieden
36
Wo ist die Antimaterie?
• Bekannte Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie kann
beobachtete Materie im Universum nicht Erklären.
• CP - Verletzung der schwachen Wechselwirkung
• Teilchen und Anti-Teilchen werden Leicht
unterschiedlich behandelt
• LHCb untersucht dies (u.a.)
• Muss Wechselwirkungen außerhalb des
Standardmodells geben!
Kristof Schmieden
37
Wo ist die Antimaterie?
• Bekannte Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie kann
beobachtete Materie im Universum nicht Erklären.
• CP - Verletzung der schwachen Wechselwirkung
• Teilchen und Anti-Teilchen werden Leicht
unterschiedlich behandelt
• LHCb untersucht dies (u.a.)
• Muss Wechselwirkungen außerhalb des
Standardmodells geben!
• => Wie viel Energie ist im Universum?
Bekannte Teilchen - Antiteilchen asymmetrie:
Erzeugte Menge an Materie / Antimaterie im Urknall > totale Energiedichte
Kristof Schmieden
37
Intermezzo - Kosmologie
• Beobachtungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung:
WMAP /
Planck: 2010
/ 2015
• Universum kühlt ab => Neutrale Atome => Durchsichtig
• Strahlung von diesem Zeitpunkt: Durchquert Universum, Wellenlänge durch
Ausdehnung des Raums gedehnt: Röntgen → Mirkowellen
Planck Collaboration: The Planck mission
Planck Collaboration: The Planck mission
6000
DT T [µK2 ]
5000
4000
3000
2000
1000
DT T
0
600
60
30
0
-30
-60
300
0
-300
-600
2
10
30
500
1000
1500
2000
2500
Fig. 7. Maximum posterior CMB intensity map at 50 resolution derived from the joint baseline analysis of Planck, WMAP, and
Fig. 9. The
Planck
2015 temperature power spectrum. At multipoles ` 30 we show the maximum likelihood fre
408 MHz observations. A small strip of the Galactic plane, 1.6 % of the sky, is filled in by a constrained realization
that has
the same
temperature spectrum computed from the Plik cross-half-mission likelihood with foreground and other nuisance
statistical properties as the rest of the sky.
mined from the MCMC analysis of the base ⇤CDM cosmology. In the multipole range 2  `  29, we plot the
estimates from the Commander component-separation algorithm computed over 94 % of the sky. The best-fit base ⇤
spectrum fitted to the Planck TT+lowP likelihood is plotted in the upper panel. Residuals with respect to this mo
the lower panel. The error bars show ±1 uncertainties. From Planck Collaboration XIII (2015).
• Fit des ΛCDM Modells an Daten. Parameter: Baryon-Dichte, Materie-Dichte,
Raumkrümmung, ....
Kristof Schmieden
38
Apropos Dunkle Materie
Kristof Schmieden
39
Apropos Dunkle Materie
• Gravitationszentrum
• Per „Weak-Lensing“
Kristof Schmieden
39
Apropos Dunkle Materie
• X-ray Emission von
heisem Gas
• höchste Baryonendichte
• Gravitationszentrum
• Per „Weak-Lensing“
Kristof Schmieden
39
Apropos Dunkle Materie
Planck: 2015
Dunkle Materie ?
Baryonen
Dunkle Energie ???
• Mehrere Kandidaten + Erweiterungen des SM zur Beschreibung DM
Kristof Schmieden
40
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
Kristof Schmieden
41
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
Kristof Schmieden
→ Neutrinos?
41
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
Kristof Schmieden
→ Neutrinos?
Nein! Nur nicht-relativistische Teilchen
tragen zur Strukturbildung bei!
41
Dunkle Materie
• Eigenschaften:
• Massiv (Gravitation)
• Wechselwirken schwach
• ~Nichtrelativistisch
• Ansätze mit ,heißer‘ dunkler
Materie existieren
Kristof Schmieden
• Kandidatenliste:
• WIMPs
Particle?)
(Lightest Supersymmetric
• Axionen
• Sterile Neutrinos
42
Supersymmetrie
• Neue Symmetrie:
• Jedem Boson (S=0,1) wird ein neues Fermion (S=1/2) zugeordnet,
und umgekehrt
Kristof Schmieden
43
Supersymmetrie
2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~
vor dem Einfluss von Vakuumfluktuatione
• „Komplettiert“ SM → alle Symmetrien ausgeschöpft
•
Neue Teilchen Beeinflussen das „laufen“
der Kopplungen
3) Vereinigung
von elektroschwacher und st
• Große Vereinheitlichung möglich
4) Mögliche Erklärung der kosmologischen M
5) Dunkle Materie ?
Kristof Schmieden
44
Supersymmetrie
2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~
vor dem Einfluss von Vakuumfluktuatione
• „Komplettiert“ SM → alle Symmetrien ausgeschöpft
•
Neue Teilchen Beeinflussen das „laufen“
der Kopplungen
3) Vereinigung
von elektroschwacher und st
• Große Vereinheitlichung möglich
• Neue Erhaltungsgröße: R-Parität (+1 für Teilchen, -1 für Superpartner)
•
•
4) Mögliche Erklärung der kosmologischen M
Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen kann nicht Zerfallen!
Kandidat für Dunkle Materie
5) Dunkle Materie ?
Kristof Schmieden
44
Supersymmetrie
2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~
vor dem Einfluss von Vakuumfluktuatione
• „Komplettiert“ SM → alle Symmetrien ausgeschöpft
•
Neue Teilchen Beeinflussen das „laufen“
der Kopplungen
3) Vereinigung
von elektroschwacher und st
• Große Vereinheitlichung möglich
• Neue Erhaltungsgröße: R-Parität (+1 für Teilchen, -1 für Superpartner)
•
•
4) Mögliche Erklärung der kosmologischen M
Leichtestes Supersymmetrisches Teilchen kann nicht Zerfallen!
Kandidat für Dunkle Materie
5) Dunkle Materie ?
• Parameterraum für Supersymmetrie Riesig
• Parameter bestimmen Teilchenmasse, sind (fast) beliebig
• Nicht ausschließbar
Kristof Schmieden
44
Axionen
• Lösen das „starke CP Problem“
• QCD erlaubt CP verletzende Reaktionen. Stärke beschrieben durch Parameter θ
• CP Verletzung → Elektrisches Dipolmoment des Neutron
• Experimentell: EDM(n) < 10-25 e·cm
• Wieso? Erscheint nicht „natürlich“ (fine tuning)
Kristof Schmieden
45
Axionen
• Lösen das „starke CP Problem“
• QCD erlaubt CP verletzende Reaktionen. Stärke beschrieben durch Parameter θ
• CP Verletzung → Elektrisches Dipolmoment des Neutron
• Experimentell: EDM(n) < 10-25 e·cm
• Wieso? Erscheint nicht „natürlich“ (fine tuning)
• Einführung eines weiteren komplexen, skalaren Feldes
• Mit Dazugehöriger Symmetrie, die spontan gebrochen ist
Peccei, Quinn:
1977
(Analog zum Higgs Mechanismus)
• θ wird ,dynamisch‘ exakt 0
• Neues, massives Teilchen: Axion
• Kandidat für dunkle Materie
Primakov Effekt
Kristof Schmieden
45
Alles dunkle ist spannend
Planck: 2015
Dunkle Materie ?
Baryonen
Dunkle Energie ???
• Dunkle Energie ist völlig Unerklärt
• Zusammenhang mit Inflation?
• Vakuumfluktuationen?
• Quintessenz ?
Kristof Schmieden
46
Viele Ungelößte Probleme
• Gravitation lässt sich nicht innerhalb des SM beschreiben
• Wieso ist Gravitation so schwach?
• Wieso gibt es keine Antimaterie im Universum?
• Der Dunkle Sektor? (Dunkle Materie, Dunkle Energie)
• Was ist die Natur der Neutrinos?
• Wieso gibt es 3 Familien?
• Wieso haben Teilchen unterschiedliche Masse?
•
•
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics
Kristof Schmieden
47
The End
Kristof Schmieden
48
Literaturverzeichnis
[2] Rainer Müller - Eigene Grafik, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8742784
[3] Von Kurzon - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32422326
[4] By Sch (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/
copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
[5] Economist: http://www.economist.com/blogs/graphicdetail/2012/07/daily-chart-1
[6] CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=75046
[7] http://www.orbitals.com/orb/
[8] C. Anderson, PhysRev.43.491, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.43.491
[9] Own work by uploader Emokderivative work: WikiMichi (talk) - Casimir plates.svg, CC BY-SA 3.0, https://
commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8900709
[10] http://www.cosmiq.de/qa/show/934946/wie-funktionieren-austauschteilchen/
[11] Determination of the energy measurement accuracy for charged particles by their range in nuclear photoemulsion
A.S. Barabash (Moscow, ITEP) et al.. Nov 2012. 8 pp. Phys.Inst. 39 (2012) 300-304 http://arxiv.org/abs/1211.1471v2
[12] ATLAS-CONF-2013-041, https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2013-041/
[13] M. Breidenbach, J. I. Friedman, H. W. Kendall, et. al. Phys. Rev. Lett. 23, 935
[14] Von MissMJderivative work: Polluks (talk) - Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg, CC BY 3.0, https://
commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11307906
[15] D. Perkins: Introduction to high energy physics
[16] www.physi.uni-heidelberg.de/~uwer/lectures/PhysikV/Vorlesung/Kapitel-VIIa.pdf
Kristof Schmieden
49
Gibt es mehr als 3 Familien?
• Untersuchung des Z-Teilchens im 0Detail:
Vermessung der Z Resonanzkurve
Breit-Wigner Kurve
Gemessen
in Reaktion:
e+ e- → Z → e+ eKurvenform:
Breit-Wigner
(wie Spektralline
oder harmonischer
Oszillator)
→ harmonischer Oszillator
Exakte Form abhängig von
Resonance position
MZ
Peak
section
Vakuumfluktuationen
e f
• cross
Resonance width
Z
• Abstrahlung von Photonen
•
Photonen
zwischen
Form derVirtuelle
Resonanzkurve
stark abhängig
von zusätzlichen Beiträgen höherer
Ordnung (Vakuumpolarisation etc.)
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Leptonen
Michael Hauschild (CERN), Seite 19
50
Gibt es mehr als 3 Familien? - Nein
des Z-Teilchens im Detail:
• UntersuchungAnzahl
der Generationen
Z0 Resonanzform abhängig von Anzahl
der (leichten)
Gemessen
in Reaktion: e+ e- → Z → e+ eNeutrinogenerationen
had
nb
2g
3g
ALEPH
DELPHI
L3
OPAL
30
20
Exakte Form abhängig von
4g
• Vakuumfluktuationen
Anzahl der leichten(!)
neutrino
Generationen:
von Photonen
• Abstrahlung
average measurements,
error bars increased
by factor 10
N = 2.9840 ± 0.0082
10
0
• Virtuelle Photonen zwischen Leptonen
“leicht” = Zerfälle Z0
Anzahl
der
leichten
müssen
möglich
sein:
Mv < ½ MZ Neutrino
•
86
88
90
92
94
,Flavour‘
Ecm GeV
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 20
51
Inflation
Kristof Schmieden
52
Überschrift
[5]
Kristof Schmieden
53
Frage - haben Bosonen Anti-Teilchen?
• Ja
• Allgemein: Teilchen die keine Ladung haben sind ihre eigenen Anti-teilchen
• Ladungen: Elektrisch, Schwach, Farbe
Kristof Schmieden
54
Frage - haben Bosonen Anti-Teilchen?
• Ja
• Allgemein: Teilchen die keine Ladung haben sind ihre eigenen Anti-teilchen
• Ladungen: Elektrisch, Schwach, Farbe
• W+ W- sind Anti-Teilchen zueinander
• Z0 & Photon sind ihre Eigenen Anti-Teilchen
• Vektor-Boson-Fusion: W++W- → Z0;
Z0+Z0 → H
• Gluonen besitzten Farbe & Anti-Farbe: Teilchen-Antiteilchen Paare
• Bosonen gehorchen Bose-Statistik:
• können einzeln erzeugt und Vernichtet werden!
• Fermionen gehorchen Fermi-Statistik
• können nur Paarweise erzeugt / Vernichtet Werden
• Leptonzahl / Baryonzahl Erhaltung
Kristof Schmieden
54
Überschrift
Kristof Schmieden
55
The covariant derivative is defined as
Stabilität des Universums
Dµ = @µ
ig
~⌧ ~
· Wµ
2
ig 0
Y
Bµ
2
(2.8)
• Entspricht Vakuum Energie des Higgs Feldes lokalen oder globalen Minimum?
L and Y = 2 for R. The kinetic energy term of the gauge fields,
dded to LF , is written as
µ⌫
1 i iµ⌫
F F
4 µ⌫
1
Bµ⌫ B µ⌫ , (i = 1, 2, 3)
2
(2.9)
Energie?
• Falls lokal, gibt es Zustand geringerer
are the
strength Universum
tensors of the gauge
corresponding
to
Könnte
infields
diesen
Zustand
Tunneln?
• field
LG =
, respectively. Gauge boson mass terms do not appear in this theory
ak the local gauge invariance of the lagrangian. To make fermions
t the photon massive a spontaneous breakdown of the electroweak
d [11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmetry is broken as:
• Abhängig von Higgs & Top Masse
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
(2.10)
e the electroweak symmetry breaking in the simplest way a doublet of
ds is added to the theory:
✓ +◆
'
µ
†
) V(
); =
, Y = +1, '0 neutral, '+ charged. (2.11)
0
'
bilität des Vakuums
defined in a gauge invariant way by
V(
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model of Particle Physics
+ ( † )2 , m, 2 R.
(2.12)
= unser Universum) stabil?
- Potential
)Higgs
are not allowed
in order to keep the theory renormalizable. To
Vgreater than zero. If in addition m2 = µ2
y of the vacuum,(durch
has to be
umenergie
das
Higgs-Feld) nur einem lokalen
, the potential takes the famous shape of a mexican hat, illustrated
†
Minimum des
for 3-vectors is always indicated by using variables overset with vector symbols,
ustand
geringerer
Energie?
ein summation
convention is used
for 4-vectors.
zu diesem Zustand durchtunneln?
und Higgs-Masse
2
?
1
nis: Das Vakuum
ist meta-stabil
ationim
of Bereich
the shape of
the 10
potential
according
100 Jahren
eit
von
Kristof Schmieden
to Eq. (2.12). The
t feature is the degenerate ground state lying on a circle around the
56
The covariant derivative is defined as
Stabilität des Universums
Dµ = @µ
ig
~⌧ ~
· Wµ
2
ig 0
Y
Bµ
2
Stabilität des Vakuums
(2.8)
Ist das Vakuum (= unser Universum) stabil?
• Entspricht Vakuum Energie des Higgs Feldes lokalen oder globalen Minimum?
L and Y = 2 for R. The kinetic energy term of the gauge fields,
dded to LF , is written as
entspricht die Vakuumenergie (durch das Higgs-Feld) nur einem lokalen Minimum d
Higgs-Potentials?
1 i iµ⌫ 1
µ⌫
LG =
F F
Bµ⌫ B , (i = 1, 2, 3)
(2.9)
gibt
es evtl. einen Zustand geringerer Energie?
4 µ⌫
2
µ⌫
• Falls lokal, gibt es Zustand geringerer Energie?
könnte das Vakuum zu diesem Zustand durchtunneln?
are the
strength Universum
tensors of the gauge
corresponding
to
Könnte
infields
diesen
Zustand
Tunneln?
• field
, respectively. Gauge boson mass terms do not appear in this
theory
hängt
ab von Top- und Higgs-Masse
ak the local gauge invariance of the lagrangian. To make fermions
Vorläufiges Ergebnis: Das Vakuum ist meta-stabil
t the photon massive a spontaneous breakdown of the electroweak
d [11], i.e. the Higgs mechanism [1]. The symmetry is broken as:
Aber: Durchtunnelzeit im Bereich von 10100 Jahren
• Abhängig von Higgs & Top Masse
SU (2)L ⌦ U (1)Y ! U (1)em .
(2.10)
e the electroweak symmetry breaking in the simplest way a doublet of
ds is added to the theory:
✓ +◆
'
µ
†
) V(
); =
, Y = +1, '0 neutral, '+ charged. (2.11)
0
'
bilität des Vakuums
defined in a gauge invariant way by
V(
†
) = m2
†
2.1. The Standard Model of Particle Physics
+ ( † )2 , m, 2 R.
(2.12)
= unser Universum) stabil?
- Potential
)Higgs
are not allowed
in order to keep the theory renormalizable. To
Vgreater than zero. If in addition m2 = µ2
y of the vacuum,(durch
has to be
umenergie
das
Higgs-Feld) nur einem lokalen Minimum des
Lehrerfortbildung
CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 3
, the potential takes the famous shape of a mexican
hat, illustrated
†
Michael Hauschild (CERN),
for 3-vectors is always indicated by using variables overset with vector symbols,
ustand
geringerer
Energie?
ein summation
convention is used
for 4-vectors.
zu diesem Zustand durchtunneln?
und Higgs-Masse
2
?
•Tunnelzeit ~ 10100 Jahre
1
nis: Das Vakuum
ist meta-stabil
ationim
of Bereich
the shape of
the 10
potential
according
100 Jahren
eit
von
Kristof Schmieden
to Eq. (2.12). The
t feature is the degenerate ground state lying on a circle around the
56