Vorlesung 1/2
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Einführung in die experimentelle Elementarteilchenphysik Themen • Historische Einführung • Das Standardmodell der Teilchenphysik Einheiten Quarkmodell Voraussetzungen Wintersemester 2001/02 Relativistische Kinematik Relativistische Wellengleichungen Kräfte/Wechselwirkungen/Teilchen Feynman-Diagramme Wechselwirkung von Teilchen und Materie Hamilton/Lagrange Formalismen • Elektrodynamik DESY-Hamburg Maxwell Gleichungen Notkestrasse 85 Schrödingergleichung • Spezielle Relativitätstheorie email: [email protected] Lorentz-Transformation Metrik 1 • Beschleuniger Zyklotron Synchrotron Collider Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 2 • DESY-Hamburg http://www.desy.de/ http://www.desy.de/summerstudents/ Der Klassiker unter den Textbüchern für Teilchenphysiker, sehr empfehlenswert, aber recht theoretisch, daher eher für Fortgeschrittene B.R. Martin, G. Shaw: Particle Physics, John Wiley 1992 • CERN Genf http://welcome.cern.ch/ Guter phänomenologischer Überblick, leicht lesbar Nachschlagewerk V.D.Barger, R.J.N.Phillips: Collider Physics, Addison&Wesley, 1987 Particle Data Group: Review of Particle Physics, Eur. Phys. J. C15, 1-878 (2000) Theoretisch aber auch nahe am Experiment, setzt einige Kenntnisse voraus Vollständiges Nachschlagewerk aller bekannten Daten und gute Zusammenfassungen der theoretischen Grundlagen. Wird alle 2 Jahre publiziert. Auch unter http://pdg.lbl.gov mit regelmässigen Aktualisierungen • Fermilab Chicago http://www.fnal.gov/ • SLAC Stanford http://www.slac.stanford.edu/highlighted.html Donald H. Perkins: Einführung in die Hochenergiephysik, Addison&Wesley, 1987 • Populärwissenschaftliche Behandlungen des Themas Ein Klassiker, viel Material, Rechnungen zum Teil schwer nachvollziehbar , teilweise veraltet http://hands-on-cern.physto.se/hoc_v1en/main.html http://wwwpdg.cern.ch/pdg/cpep/adventure_home.html http://quarknet.fnal.gov/index_st.shtml http://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/Grundl_d_TPh/titelseite.html http://kworkquark.desy.de/ Detektoren K.Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner, 1992 E. Lohrmann: Hochenergiephysik, Teubner Studienbücher Physik, 1992. W.R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer 1994 Knapp und elementar C. N i e bu h r Vo r l e s u n g 1 / 2 Einige nützliche Links F. Halzen, A. D. Martin: Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, John Wiley, 1984 Leicht verständlich und interessant geschrieben Neutrinooszillationen CP Verletzung Higgs Suche Kalorimeter Spurdetektoren Festkörperdetektoren Weiterführende Literatur D.Griffiths: Einführung in die Elementarteilchenphysik, Akademie Verlag, Berlin 1996 • Aktuelle Themen • Detektoren • Quantenmechanik Tel: 01709234443 C. N i e bu h r • Grundlagen • Klassische Mechanik Carsten Niebuhr Symmetrien/Eichtheorien Fermionen/Bosonen Elektroschwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung / QCD Higgs Mechnismus 3 Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 4 Vo r l e s u n g 1 / 2 Woraus ist die Welt gemacht ??? Anspruch der Teilchenphysik • Elementarteilchenphysik = Hochenergiephysik untersucht die fundamentalen Bestandteile der Materie und ihre Wechselwirkungen Wasser Feuer Luft Die Suche nach den elementaren Bestandteilen aller Materie ist alt: ☺ einfach, ökonomisch # leider falsch ! ca. 600 v. Chr. :Thales von Milet und sein Schüler Anaximander: vier Grundelemente ca. 400 v.Chr. Demokrit: Atome (ατοµοσ) sind ewig, ungeworden und unzerstörbar. Sie sind von Ewigkeit her in Bewegung, nur nach Gestalt und Grösse, Anordnung und Lage verschieden. ☺ zutreffende Beschreibung # zu kompliziert für endgültige Theorie C. N i e bu h r 5 Axiomen und mit einer minimalen Anzahl von Parametern (Ästhetik z.B. Symmetrie!) • Vorgehensweise: Experimentell – Streuvorgänge: Teilchen aufeinanderschiessen $ Messung des Ablenkwinkels – Spontane Zerfälle: Beobachtung der "Bruchstücke" – Gebundene Systeme: Untersuchung der Systemeigenschaften gibt Information über Bestandteile und die Wechselwirkung zwischen ihnen Theoretisch – Modellbildung üblicherweise in Form einer mathematischen Beschreibung der experimentellen Befunde – Idealerweise ist dies ein Satz von nur wenigen Formeln, aus denen alles abgeleitet werden kann – Gültigkeit und Glaubwürdigkeit steht und fällt natürlich mit der Vorhersage weiterer bisher unbeobachteter Phänomene Erde ca. 1900 Dalton/Mendelejew: Periodische System der chemischen Elemente • Ziel: "Erklärung" aller experimentellen Beobachtungen aus einem Satz von wenigen Vo r l e s u n g 1 / 2 • Gegenwärtiger Stand: Standardmodell der Elementarteilchenphysik – es ist in der Lage alle gesicherten experimentellen Beobachtungen im Rahmen von Quantenfeldtheorien zu beschreiben – dennoch ist es sicherlich noch nicht die endgültige Theorie, sondern nur ein Schritt dorthin (aus vielen Gründen, u.a. ≈25 willkürliche Parameter, die experimentell bestimmt werden müssen) C. N i e bu h r Beginn der Teilchenphysik: Entdeckung des Elektrons 1897 Joseph J. Thomson Rutherford Homogener positiv geladener Brei Elektronen wie "Pflaumen im Pudding" d a • geladene Teichen in E und B Feldern: F = q ⋅ (E + v × B) • gerade Spur in orthog. E und B Feldern: E F = q ⋅ E = q ⋅ v ⋅ B ⇒ v = ---B Thomson’s Experiment stellt gewissermassen den Prototyp eines Teilchenphysikexperiments dar: m ⋅ v2 ⁄ r = q ⋅ v ⋅ B ⇒ q ⁄ m = v ⁄ ( B ⋅ r ) • b) Beschleunigung gel. Teilchen im • c) Bestimmung von v, q/m in E und B $ positive Ladung und fast die gesamte Masse sind auf einem winzigen Teil im Inneren des Atomvolumens konzentriert. • d) Nachweis und Positionsbestimmung Bohr 1913: Analogie zum Planetensystem Feld mp • q ⁄ m Proton war bekannt! $ m ≈ ------------ !! e 2000 mit Fluoreszensschirm 7 Rutherford’s Streuung von Alpha-Teilchen an einer dünnen Goldfolie widerlegt diese Vorstellung, da die Winkel-verteilung der gestreuten Alpha-Teilchen einen Ausläufer zu großen Winkeln (Rückwärtsstreuung) aufweist: dσ ( Ze 2 ) 2 ------- = ------------------------------- (Z=Kernladung, E=Energie) dΩ 4E 2 sin4 θ ⁄ 2 Rutherfords Folgerung 1911: Alpha-Teilchen stossen auf etwas sehr Kleines, sehr Hartes und sehr Schweres • a) Erzeugung geladener Teilchen longitudinalen E-Feld (notwendige Voraussetzung: Vakuum) • Ablenkung im B Feld: C. N i e bu h r Vo r l e s u n g 1 / 2 Thomson’s Vermutung über die Struktur der Materie: c b 6 Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 8 Vo r l e s u n g 1 / 2 Photon Entdeckung der Anti-Teilchen: das Positron 1900: M.Planck: Schwarzkörperstrahlung $ Emission und Absorption sind quantisiert UV-Licht 1905: A.Einstein erklärt den photoelektrischen Effekt: Maximalenergie der ausgelösten Elektronen ist unabhängig von der Intensität der Bestrahlung e– E < hν-W=Emax (W=Austrittsarbeit) $ das elektromagnetische Feld ist quantisiert Impuls des Lichtquants: p = E/c = hν/c = h/λ ∆λ = 2 λe sin2(ϕ/2) Detektor RöntgenQuelle BraggKristal λ' λ C. N i e bu h r ϕ Probe 9 Dimension z.B. für Ladung kompliziert: [l] = M1/2 L2/3 T-1 Vo r l e s u n g 1 / 2 Länge: 1 fm = 10-13 cm Energie: 1 eV = 1.602 x 10-19 J Masse: me = 9.109 x 10-28 g - m ec 2 e + B-Feld 1.5 Tesla Spurkrümmung: positive Ladung p≈23 MeV/c $ kein Proton ! 6mm Bleiplatte $ Energieverlust 10 Vo r l e s u n g 1 / 2 Phänomene in der Elementarteilchenphysik spielen sich ab in den Bereichen Diese Grössen sind verknüpft durch: h h = ------ = 6.582x10-22 MeV s 2π kleiner Distanzen Zur Vereinfachung wird häufig h =c=1 gesetzt $ h ⋅ c = 197.3 MeV fm = 1 sowie hoher Energien Eine adäquate Beschreibung erfordet also die Kombination von Spezielle Relativitätstheorie Quantenmechanik Konsequenz: – Energie, Impuls, Masse in GeV – Abstände in GeV-1 Für Teilchen mit fester Masse m0 sind die Einheiten L,M,T eindeutig miteinander verknüpft E = m0 c2 Rezept: Mit h =c=1 rechnen und Ergebnis so lange mit h und c multiplizieren, bis die richtige Dimension herauskommt! Quantenfeldtheorie Quantenelektrodynamik (QED, sehr erfolgreicher Prototyp) e2 λ0 = h /m0c Comptonwellenlänge 1 Feinstrukturkonstante: α = ----- = --------hc 137 t0 = λ0/c = h /m0c2 C. N i e bu h r C. N i e bu h r c = 2.998 x 108 m/s Skalen sind ebenfalls nicht angepasst. Typische Grössenordnungen: - Eine der ersten identifizierten PositronSpuren in einer Wilson Nebelkammer C.D.Anderson Physical Review 43 (1933) 491 e– Gebräuchliche Einheiten in der Teilchenphysik Die Verwendung von üblichen Einheiten ist in der Teilchenphysik unpraktisch, da e 0 Lösung: Im Vakuum sind bereits alle Zustände negativer Energie mit Elektronen bevölkert. Wird einem dieser Elektronen genügend Energie zugeführt, so gelangt es in einen Zustand positiver Energie. Die zurückbleibende Fehlstelle ist ein Antiteilchen (Positron) mit positiver Energie. 10-12 λe = h/mec = 2.4262 x m Comptonwellenlänge des Elektrons +m ec 2 Problem: Was hindert Elektronen daran durch Abstrahlung von Energie in den Zustand E = – ∞ überzugehen? P.Lenard Energie des Lichtquants: E = hν 1922: A.Compton weist den Korpuskelcharakter des Photons nach. Aus Energie- und Impulserhaltung folgt: E Lösung für Dirac’s Problem der Zustände mit negativer Energie. Die Gleichung für ein relativistisches Elektron lautet: E 2 = p 2 c 2 + m e2 c 4 $ E = ± p 2 c 2 + m e2 c 4 d.h. es gibt Zustände negativer Energie! 11 Vo r l e s u n g 1 / 2 Quantenchromodynamik (QCD) C. N i e bu h r 12 Vo r l e s u n g 1 / 2 Prozesse höherer Ordnung in der QED Wechselwirkung in Quantenfeldtheorien Kräfte werden übertragen durch Emission und Absorption von Teilchen. B A Austauschteilchen der QED ist das Photon, das Feldquant des elektromagnetischen Feldes. Damit Impulserhaltung und Energieerhaltung am Vertex gültig sein können, kann das Photon nicht die Masse 0 haben, es ist virtuell. Oft benutzter Zeit Ausdruck: es ist "off-shell "oder es "befindet sich nicht auf der Massenschale E 2 – p 2 c 2 ≠ m 2 c 4 " 2 ) O(αem A 13 B Vo r l e s u n g 1 / 2 Wie konstant sind Kopplungskonstanten wirklich ? q - 4 ) O(αem Für die exakte Berechnung müssen alle möglichen Diagramme mit den entsprechenden äußeren Linien berechnet werden α=1/137 => Störungsrechnung Theorie ist sehr genau getestet: (ge-2)/2 QED: (1 159 652.4 Vakuumpolarisation C. N i e bu h r ν ν e q/ε r ν π Photografische Emulsion in kosmischer Höhenstrahlung Powell et al, Nature 159 (1947) 694 r 15 Aus der Beobachtung vieler solcher Ereignisse ergibt sich, dass die Energie des Elektrons nicht konstant ist $ es kann sich nicht um einen reinen ZweiKörperzerfall handeln µ → e + 2ν Das neue Teilchen zerfällt in Ruhe. Das Zerfallsmuon ist stets monoenergetisch $ es handelt sich um einen Zweikörperzerfall: π → µ + ν q C. N i e bu h r Vo r l e s u n g 1 / 2 µ 0.6 mm ≅ 1/137 αem(r=2.5x10-18 m) ≅ 1/128 (getestet at LEP!) ro Exp : (1 159 652.193 ± 0.01) 10-9 Nachweis von Muon und Pion in der Höhenstrahlung qeff = q / εr αem(r→∞) ± 0.4) 10-9 14 Konsequenz der Vakuumpolarisation: punktförmige Ladung q wird durch die Polarisation der Umgebung teilweise abgeschirmt (Analogie Moleküle in einem dielektrischen Medium) : + Paarvernichtung X (z.B. γ) Im allgemeinen Fall, wenn das Austauschteilchen X Bei der schwachen Wechselwirkung +/– massiv ist, gilt für die Energiedifferenz zwischen sind die Austauschbosonen W , Z 2 Anfangs- und End-zustand: massiv: MW= 80.3 GeV/c ∆E = E X + E A – M A c 2 ≥ M X c 2 . Solch eine VerletzMZ= 91.2 GeV/c2 ung der Energieerhaltung kann nach der Heisen$ Reichweite R ≈ 2 x 10-3 fm bergschen Unschärferelation nur für eine kurze Das Potential eines solchen Feldes Zeitdauer τ ≈ h ⁄ ∆E andauern. Damit ergibt sich wird durch das Yukawa - Potential sofort eine maximale Reichweite von R ≈ h ⁄ M X c dargestellt:V ( r ) ∝ e – r ⁄ R ⁄ r C. N i e bu h r Bhaba Streuung Moller Streuung Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 16 Vo r l e s u n g 1 / 2 Neutrinos Problem beim nuklearen Beta-Zerfall: (Z,A) –> (Z+1,A) + e- Direkter Nachweis durch Cowans und Reines 1958 in einem Wassertank an einem Reaktor über die Messung der "inversen" Reaktion: νe + p → e + + n 5x1013 Teilchen/cm2 s trotzdem nur ca. 2-3 Ereignisse pro Stunde (Reichweite in Eisen: 100 Lichtjahre !) 40 40 (z.B. 19K → 20Ca ) Falls es sich um einen Zwei-Körperzerfall handelt sollte die Elektronenergie konstant sein. Tatsächlich gemessen: Frage: gilt ν e ≡ ν e ? Falls ja, dann sollte die Umkehrreaktion ν e + n → e - + p mit etwa derselben Rate auftreten. Davis konnte zeigen, dass diese Reaktion nicht vorkommt. Ereignisse ZweiKörper Lösung: Pauli postuliert 1930 ein neues, drittes Teilchen - das Neutrino. Eigenschaften: neutral, wechselwirkt nur schwach, nicht elektromagnetisch, Spin 1/2 1 2 3 Vo r l e s u n g 1 / 2 3 µ− → e– νe νµ oder via Crossing Neutrino-Elektron-Streuung νµe– → νµe– • die schwache Wechselwirkung wird ebenfalls durch eine Quantenfeldtheorie beschrieben, d.h. Wirkung erfolgt durch den Austausch von Teilchen µ– • in der vereinheitlichten elektroschwachen Theorie von Glashow, Weinberg und Salam (1967) wurden die intermediären Bosonen W+,W–, Z0 vorhergesagt e– 19 L Ladung e– 0.511 stabil 0 0 1 1 –1 νe < 10-6 µ– 105.66 – 2.197x10-6 0 0 1 1 0 0 1 0 1 –1 Bei allen Teilchenreaktionen gelten strikte Erhaltungssätze : ∑ Li = const. i νµ < 0.17 τ– 1777.0 ντ < 18.2 – 2.90x10-13 – 0 1 0 1 0 1 0 0 1 –1 ∑ Lei = const 1 0 0 1 0 ∑ Lµi = const ∑ Lτi = const i i e+ 0.511 νe < 10-6 µ+ 105.66 νµ < 0.17 τ+ 1777.0 ντ < 18.2 stabil – 2.197x10-6 – 2.90x10-13 – 0 0 –1 –1 1 0 0 –1 –1 0 0 –1 0 –1 1 0 –1 0 –1 0 –1 0 0 –1 1 –1 0 0 –1 0 i 18 Vo r l e s u n g 1 / 2 W− q q l+ Zo νµ e– e+ l– ν Zo Zo e– e+ ν e– e+ Neutraler Strom: • in dem speziell für ihren Nachweis gebauten C. N i e bu h r Le µ– νe W− µ+ CERN p-p Speicherring wurden diese Teilchen 1983 experimentell nachgewiesen: mW = 80.419 ± 0.056 GeV mZ = 91.1882 ± 0.0022 GeV Lµ Mögliche Zerfallskanäle: νe e− νµ Lτ LEP: e+e– → Hadronen • ganz analog dazu erfolgt der Zerfall des Muons: Lebensdauer (s) Anzahl von leichten Neutrinos Geladener Strom: n → p e– νe zugrunde Masse (MeV) C. N i e bu h r Die schwache Wechselwirkung - W und Z Bosonen • Dem Kern-β-Zerfall liegt die Reaktion Teilchen Antiteilchen 2 Später: ν e ≠ ν µ $ Leptonflavourzahlen Le, Lµ sind separat erhalten 17 Generation 1 Was unterscheidet νe von νe ? Antwort: Leptonzahl L, die erhalten sein muss. L = 0 für alle Nicht-Leptonen L = -1 (+1) für νe, e+ (νe, e- ) Ekin (e-) C. N i e bu h r Eigenschaften der Leptonen µ− Γ tot = Γ ( Z 0 → Hadr ) + 3Γ ( Z 0 → l + l – ) + N ν Γ ( Z 0 → vv ) Z0 e– Γ ( Z 0 → e + e – )Γ ( Z 0 → X ) σ ( e + e – → X ) ∝ --------------------------------------------------------------2 – M 2 )2 + M 2 Γ 2 ( E CM Z Z Z e+ Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r => es gibt nur 3 Neutrinoarten leichter als das Z0 , und damit auch nur 3 Generationen 20 Vo r l e s u n g 1 / 2 Wechselwirkungen und Austauschteilchen Stärke und Reichweiten der vier Wechselwirkungen Wesentliche Erkenntnis: Alle WWen können mit Eichtheorien beschrieben werden. Austauschteilchen sind die Eichbosonen. Wechselwirkung Austauschteilchen Name Masse (GeV/c2) elektromagnetisch γ Photon 0 1 schwach W+, W–, Z0 intermediäre Vektorbosonen 80, 80, 91 1 stark g (fundamental) Gluon (8 versch.) 0 1 π (residual a la vanderWaals) Pion G (noch nicht nachgewiesen) Graviton gravitativ Spin Die Reichweite der WW hängt von der Masse der Eichbosonen ab: • Für EM und Schwerkraft: mPhoton=mGraviton=0 $ 1/r2 Verhalten & unendliche Reichweite • Schwache WW: mW/Z≈100 GeV ≈ 0.14 0 • Starke WW: sehr unterschiedliches 2 Verhalten für d > 10-15 cm – Quarks konst. Kraft : Gluon (masselos !) – Hadronen steiler Abfall : Pion Leptonen, Quarks ? C. N i e bu h r $ scharfer Abfall @ 2x10-16cm 21 Vo r l e s u n g 1 / 2 Proton Kern C. N i e bu h r Atom $ Effekt der "Farbe" der Quarks (später) 22 Vo r l e s u n g 1 / 2 Teilchenzerfälle Der Elementarteilchenzoo • Der Zerfall von Elementarteilchen oder Zuständen ist ein statistischer Prozess. → keine Vorhersage für einzelnes Teilchen, sondern nur Mittelwert für Ensemble von N Teilchen • Teilchen haben kein Gedächtnis → Zerfallswahrscheinlichkeit unabhängig von t • Für N Teilchen gilt: dN = – NΓdt ⇒ N ( t ) = N exp ( – Γt ) 0 • Γ heißt Zerfallsrate oder Zerfallsbreite (s-1) Breit-Wigner Resonanzkurve: • Mittlere Lebensdauer: τ = 1 / Γ g und viele mehr ... Ν(ν)=3 • Wenn es mehrere Zerfallskanäle gibt gilt: Γ tot = ∑ Γi i • Das Verhältnis Γi / Γtot bezeichnet man als ν − ντ Verzweigungsverhältnis für den entsprechenden Kanal Osz. C. N i e bu h r 23 Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 24 Γ ⁄ 2π N ( W ) = ---------------------------------------------( W – Wr ) 2 + Γ 2 ⁄ 4 in Analogie zur erzwungenen Schwingung: Wr Resonanzmasse Γ Halbwertsbreite Vo r l e s u n g 1 / 2 Zusammenhang Zerfallsbreite und Lebensdauer Seltsame Teilchen Um 1947 scheinbar konsistentes Bild der Teilchenphysik. Meson und Nukleonresonanzen Beispiel für starke Wechselwirkung: Reaktion π− p $ π+ π− n W = Rochester und Butler beobachten in der kosmischen Höhenstrahlung seltsame Teilchen, die nicht so recht in das Schema passen. Γ ≈ 0.2 GeV 2 + p 2 ist die invariante Masse des p+ – Heisenberg: Energie/Zeit Unschärfe ∆W ≈ 1/τ = Γ Zerfallsbreite Γ Lebensdauer τ stark O( 10-10 MeV) O( 10 e.m. O( 10-2-103 keV) schwach O( 10-2-104 µeV) 3 -22 -10 -24 Beispiel 0 s) τ + − -24 ρ →π π 10 O( 10-16-10-21 s) π0→γγ 10-17 s O( 10-7-10-13 s) Κ0→π+π− 10-10 s C. N i e bu h r s Vo r l e s u n g 1 / 2 S=–1 p Σ0 Σ− Σ+ S=0 S= –2 Ξ 0 nicht beobachtet werden dagegen: Vermutung: Erzeugungsmechnismus verschieden von Zerfallsmechanismus Zerfall: Strangeness ist nicht erhalten: C. N i e bu h r Q= –1 ∆0 ∆− S=0 ∆+ Σ∗0 Σ ∗− S=–1 ∆++ Q= –1 Σ+ –> p+ + π0 26 Vo r l e s u n g 1 / 2 e− π− π+ p e+ Ko e+ γ Q= 0 Κ+ Meson Nonett Ξ∗− Σ ∗+ Ξ∗0 γ Κ0 Q=1 Ω− S=–3 Q=0 Baryon Dekuplett C. N i e bu h r 27 e− Λ0 Q=2 S=–2 (0 + 0 –> 0 - 1) Λ –> p+ + π- (-1 –> 0 + 0) Q=1 Q= 0 Baryon Oktett π- + p+ –> π+ + Σ- η K- S= –1 Q=1 π- + p+ –> K0 + Λ K+ π0 π− Λ Ξ- π- + p+ –> K0 + Σ0 Entdeckung des Ω − Ko S=1 (0 + 0 –> 1 - 1) Sie werden reichlich erzeugt (innerhalb ca. 10-23 s), sind dann aber relativ "stabil" (typisch ca. 10-10 s) Gell-Mann: der Achtfache Weg n π- + p+ –> K+ + Σ- Die seltsamen Teilchen werden immer paarweise erzeugt 25 S=0 Produktion: es werden beobachtet: 1952 wurde der erste moderne Teilchenbeschleuniger (Brookhaven Cosmotron) in Betrieb genommen $ die neuartigen Teilchen können sehr viel besser studiert werden. Pionsystems WW Erklärungsversuch: neue Teilcheneigenschaft "Strangeness" oder "Seltsamkeit" ist (wie Ladungs-, Lepton-, Baryonenzahl) in der starken Wechselwirkung erhalten, nicht aber in der schwachen Wechsewirkung Q=–1 Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 28 Ξ0 π− Ω− BNL 1964 : K- p –> Ω− K0 K+ Κ − Bilanz : -1+0 -> ? + 1+ 1 ⇒ SΩ = -3 Vo r l e s u n g 1 / 2 Das Quarkmodell Hadronen-Multipletts Die aus drittelzahlig geladenen Quarks bestehende Substruktur liefert den tieferen Grund für die beobachtete Ordnung: – (Anti-)Baryonen bestehen aus drei (Anti-)Quarks : qqq – Mesonen setzen sich aus einem Quark und einem Antiquark zusammen: qq Antiquarks Quarks S=0 d S=-1 u S=0 S=-1 s u d Q=2/3 s Q=-1/3 C. N i e bu h r Baryon Dekuplett qqq Q S Baryon qq Q S Meson uuu 2 0 ∆++ uu 0 0 π0 uud 1 0 ∆+ ud 1 0 π+ udd 0 0 ∆0 du -1 0 ddd -1 0 ∆− π− dd 0 0 η uus 1 -1 Σ*+ us 1 1 uds 0 -1 Σ*0 K+ dds -1 -1 Σ*− ds 0 1 K0 uss 0 -2 Ξ*0 su -1 -1 K− dss -1 -2 Ξ*− sd 0 -1 K0 sss -1 -3 Ω− ss 0 0 ?? 29 Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r Farbladung γ q, e q g Stärke der WW nimmt mit zunehmendem Abstand ab (es gibt sogar 4-g Vertizes) Kopplungskonstante ist klein: αem=1/137 → Störungsrechnungen können mit sehr hoher Präzision durchgeführt werden Es gibt 3 Ladungen R, B, G (R, B, G) → Gluonen sind zweifarbig und können daher miteinander wechselwirken e’ • Spätere Experimente analog zu Rutherford SLAC, CERN, DESY: Tiefunelastische Streuung bestätigt Partonstruktur des Protons Vo r l e s u n g 1 / 2 Jet e’ Selbstwechselwirkung führt dazu, dass die Stärke der WW mit demAbstand zunimmt Jet Zeit Infrared slavery: keine freien Quarks e q 31 Einführung des Konzepts der Farbe R G B (QCD später). Konsequenz: alle natürlich auftretenden Teilchen sind farblos (Baryonen R+G+B , Mesonen zB R+Anti-Rot ) ... nicht wirklich, aber wenn sie durch einen starken Stoß aus dem Proton herausgeschlagen werden, bilden sie einen farblosen Jet von geladenen Teilchen, zB bei HERA: p Jet Kopplungskonstante wird so groß, dass Störungstheorie q nicht anwendbar "Gluon-Schlauch" C. N i e bu h r Quark-Einschluss (quark confinement) Kann man Quarks "sehen" ? Quantenchromodynamik: → Photonen sind neutral und wechselwirken nicht miteinander • Ausweg: 30 QED vs QCD el. Ladung Es gibt nur eine Ladungssorte 1) Trotz intensivster Suche wurden nie freie Quarks beobachtet. 2) Das Pauliprinzip scheint verletzt zu sein Q=1/3 Q=-2/3 Quantenelektrodynamik: • Probleme des Quarkmodells: Meson Nonett Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 32 Vo r l e s u n g 1 / 2 Ende der Zweifel am Quarkmodell: Die Entdeckung des J/Ψ Elektrizität Konsequenz: viele neue Mesonen und Baryonen mit unterschiedlich vielen Charm-Quarks sollten möglich sein. "Novemberrevolution" 1974: C.C.Ting (Brookhaven) und B.Richter (SLAC) entdecken nahezu gleichzeitig ein elektrisch neutrales, äußerst schweres Meson, dreimal so schwer wie das Proton. Magnetismus 1976: D0 = c u und D+ = c d Betazerfall Neutrino Wechselwirkung Super Multipletts Baryonen elektroschwache Wechselwirkung schwache Wechselwirkung Protonen pseudoskalare Mesonen Neutronen StandardModel starke Wechselwirkung ? Pionen Damit ist Symmetrie zwischen Leptonen und Quarks auch wieder hergestellt Erdanziehungskraft – Leptonen (e νe) , (µ νµ) – Quarks (d u ) , (s c ) C. N i e bu h r Elektromagnetismus Licht → Nachweis von open charm: 1974: Λ+c = udc und Σ++c = uuc Außergewöhnlich lange Lebensdauer von ca. 10-20 Sekunden (≈1000 mal länger als vergleichbare Teilchen) Plausibelste Erklärung: J/Ψ ist gebundener Zustand eines neuen (vierten) Quarks (c für Charm) und des zugehörigen Antiquarks. Der Weg zur umfassenden Theorie Himmelsmechanik 33 Vo r l e s u n g 1 / 2 Das Standard Modell "in a nut shell" C. N i e bu h r allgemeine Gravitation Geometrie der Raumzeit 34 Allgemeine Relativitäts theorie Vo r l e s u n g 1 / 2 Teilchenphysik und Kosmologie: Astroteilchenphysik Hadronen - Mesonen: qq - Baryonen: qqq Michael Turner @ Lepton-Photon 2001 wwwpdg.cern.ch/pdg/cpep/standardchart_large.html C. N i e bu h r 35 Vo r l e s u n g 1 / 2 C. N i e bu h r 36 Vo r l e s u n g 1 / 2 Teilchenphysik und Astrophysik C. N i e bu h r 37 Vo r l e s u n g 1 / 2
