Schlüsselexperimente: Quarks und Leptonen

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Schlüsselexperimente:
Quarks und Leptonen
F-Praktikumsseminar
Jennifer Wettig
10.01.2011
Inhalt:
1. Das Standardmodell
2. Die Entdeckung des Charm-Quarks
3. Die Entdeckung des τ-Leptons
1. Das Standardmodell
Was ist ein Modell?
Allgemein ist es ein theoretisches Rahmenmodell, aufgebaut durch Beobachtungen, mit dem man Vorhersagen
für zukünftige Experimente machen kann. Ein Modell kann nie verifiziert, nur falsifiziert werden. Bekannte
Beispiele sind das Periodensystem der Elemente oder die nichtrelativistische Quantenmechanik.
Das Standardmodell der Teilchenphysik
beschreibt Elementarteilchen und 3 von 4 fundamentalen Wechselwirkungen (schwache Wechselwirkung
(WW), starke WW, elektromagnetische WW). Das Standardmodell (SM) ist eine relativistische
Quantenfeldtheorie, d.h. die spezielle Relativitätstheorie gilt. Materieteilchen sind punktförmig und nicht mehr
teilbar. Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen, wobei additive Quantenzahlen (z.B. Ladung)
entgegengesetzt
und
nicht-additive
Quantenzahlen (z.B. Masse) gleich sind.
Kräfte
werden
im
SM
durch
Austauschteilchen
beschrieben.
Das Standardmodell besteht aus 6 Quarks,
6 Leptonen und 4 Arten von Kraftteilchen.
Das Higgs-Boson wurde zwar schon 1964
vorhergesagt,
jedoch
bisher
nicht
nachgewiesen.
Hadronen
sind Teilchen, welche aus Quarks
aufgebaut
sind.
Man
unterscheidet
zwischen
Mesonen
und
Baryonen.
Mesonen bestehen aus einem Quark und
Antiquark, ihre Antiteilchen sind ebenfalls
Abbildung 1: Das Standardmodell der Teilchenphysik (Grafik: DESY)
Mesonen.
Baryonen sind aus drei Quarks aufgebaut,
wobei ihre Antiteilchen, die Antibaryonen, aus drei Antiquarks bestehen.
Hadronen müssen farbneutral sein. Aufgrund der Farbladung eines jeden Quarks ergibt sich so eine wichtige
Bedingung: In Mesonen trägt das Antiquark die passende Antifarbe zum Quark, sodass das Meson nach außen
farbneutral ist. Bei Baryonen trägt jedes Quark eine andere der drei Farbladungen, Antibaryonen jeweils
Antifarben.
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2. Die Entdeckung des Charm-Quarks
Bisher
Bis 1970 waren drei Quarks, Up, Down und Strange, bekannt. 1970 wurde dann ein viertes Quark vorhergesagt,
welches mit dem GIM-Mechanismus das kleiner als erwartete Verzweigungsverhältnis
erklären würde. Beim GIM-Mechanismus interferieren Zerfallskanäle destruktiv. Das Charm-Quark wäre
somit eine „charming solution“, was zu seiner Namensgebung führte. Außerdem würde das Charm-Quark das
bisherige Standardmodell mit zwei Generationen vervollständigen.
Das Experiment von Burton Richter et. al.
Burton Richter wurde am 22.02.1931 in New York geboren. Richter arbeitete am SPEAR, dem Stanford Positron
Electron Accelerating Ring. Die maximale Schwerpunktsenergie
liegt bei 8GeV, wobei die maximale
Luminosität bei
=4,8GeV erreicht wird. Prinzip des
Experiments ist, dass sich Elektron und Positron annihilieren
und ein virtuelles Photon erzeugen, welches wiederum in
Teilchen und Antiteilchen zerfällt. Diese Teilchenpaare werden
dann mit dem MarkI Detektor aufgenommen, auf den wir im
dritten Teil des Vortrags noch genauer eingehen werden.
Abbildung 2: schematischer Prozess von
Richter
Das Experiment von Samuel Ting et.al.
Samuel Ting wurde am 27.01.1936 in Michigan geboren.
Ting arbeitete am AGS, dem Alternating Gradient Synchrotron am
BNL. Hierbei schoss er einen Protonenstrahl auf ein Beryllium12
Target mit einer Rate von 2*10 Protonen / pulse. Die maximale
Strahlenergie war 30GeV. Aus einem Proton des Strahls und einem
Proton aus dem Target werden jeweils ein Quark und Antiquark
herausgelöst, welche zu einem virtuellen Photon annihilieren und
Abbildung 3: schematischer Prozess von Ting
eine Paarbildung von Fermionen bedingen. Zum Beispiel entstehen
Elektron-Positron-Paare, welche mit einem Zwei-ArmSpektrometer detektiert werden.
Der Detektor von Ting
Die Magnete M0, M1 und M2 dienen zur Ablenkung des
Teilchens.
Mit den Cherenkovzählern C0 und Ce können die Teilchen
identifiziert werden.
Die Proportionalzähler A0, A, B und C sind in einem Winkel
von 20° zueinander verdreht und geben Auskunft über die
Flugbahn der Teilchen.
Abschirmung:
 10000t Beton
 100t Blei
 5t Uran
 5t Seife
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Abbildung 4: Zweiarmspektrometer von
Ting (Grafik: Ting)
Die Messergebnisse
Ting et. al.:
Richter et. al.:
q  q  e  e
e  e  f  f
Aufgetragen sind hier die Events gegenüber der
invarianten Masse der Elektron-Positron-Paare,
welche gemessen wurden. Somit wurde ein
kontinuierliches
Spektrum
an
Werten
aufgenommen. Erwartet hätten wir eine fallende
Kurve ohne große Auffälligkeiten. Wie man sieht,
haben wir hier jedoch eine schmale Resonanz bei
etwa 3,1 GeV.
Hier sehen wir einen Graphen der Arbeitsgruppe von
Richter. Aufgetragen ist der Wirkungsquerschnitt, welcher
proportional
zur
Zählrate
ist,
gegen
der
Schwerpunktsenergie im Elektron-Positron-Beschleuniger.
Das aufgenommene Spektrum ist hiermit diskret.
Knapp unterhalb von 3,1GeV liegt eine schmale Resonanz
vor, welche nach rechts ausläuft, aufgrund des
Energieverlusts durch Bremsstrahlung.
Aufgrund der schmalen Zerfallsbreite schließen wir auf eine lange Lebensdauer, wodurch ein Anregungszustand
von bisher bekannten Teilchen ausgeschlossen werden kann. Die Forschungsgruppen von Richter und Ting
haben ein neues Teilchen gefunden, das J/Ψ-Meson. Ting benannte dieses Teilchen nach seinem Nachnamen,
da das chinesische Zeichen für seinen Namen einem J sehr ähnlich sieht. Richter wollte dieses Meson “SP”
(aufgrund SPEAR) nennen, doch entschied sich seine Gruppe für einen griechischen Buchstaben. Viele waren
nicht mehr übrig, und so wählten sie Ψ aus, welches immerhin die beiden
Buchstaben “SP” enthält. Dass dieser Name die “richtige” Wahl war, zeigte sich in
einem Detektorbild eines Ψ(2s)-Mesons, dem angeregten Zustand von Ψ (Abb. 5).
Das Ψ(2s)-Meson wurde ebenfalls von Richter wenige Jahre später gefunden. Es
hat eine Masse von 3,7GeV und zerfällt zu einem hohen Wirkungsquerschnitt in
ein J/Ψ und ein Pionenpaar. Das J/Ψ wiederum zerfällt in unserem Beispiel in ein
Elektron-Positron-Paar.
Abbildung 5: Zerfall eines
Psi(2s)-Mesons in ein J/Ψ und 2
Pionen (Grafik: SLAC)
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Charmonium
Das Charm-Quark
Das J/Ψ-Meson ist ein Charmonium, ein gebundener
-Zustand.
Das Charm-Quark zerfällt nur über schwache
Wechselwirkung in ein Strange-Quark.
Richter und Ting veröffentlichten beide im November 1974 ihre Forschungsergebnisse, weshalb diese
Entdeckung auch die “November-Revolution” genannt wird. 1976 erhielten sie hierfür den Nobelpreis.
Man sagt, dass sie sich nicht leiden konnten.
3. Die Entdeckung des tau-Leptons
Bisher
Mit der Entdeckung des Charm-Quarks waren nun zwei komplette Familien von Quarks und Leptonen bekannt.
Die geladenen Leptonen, Elektron und Myon, unterschieden sich nach damaligem Wissensstand nur in der
Masse – so kam die Frage auf, ob es weitere, schwerere Leptonen gibt. Martin Perl ging mit seiner
Forschungsgruppe dieser Frage nach und wurde fündig.
Das Experiment von Martin Perl et. al.
Martin Perl wurde am 24.06.1927 in New York geboren. Perl arbeitete am SPEAR, dem Stanford Positron
Electron Accelerating Ring. Zur Erinnerung: Die maximale Schwerpunktsenergie
liegt bei 8GeV, wobei die
maximale Luminosität bei =4,8GeV erreicht wird. Prinzip des Experiments ist, dass sich Elektron und
Positron annihilieren und ein virtuelles Photon erzeugen, welches wiederum in Teilchen und Antiteilchen
zerfällt. Diese Teilchenpaare werden dann mit dem MarkI Detektor aufgenommen.
Wir erwarten von diesem Experiment Paarproduktionen von Elektron – Antielektron oder Myon – Antimyon,
jedoch nur eine geringe Untergrundmessung von Elektron-Myon-Paaren durch z.B. gleichzeitige Zerfälle, da die
Leptonzahl nicht erhalten ist.
MarkI Detektor
Der MarkI Detektor war der erste Detektor mit nahezu 4πRaumwinkelabdeckung, daher auch ein Vorbild für zukünftige
Detektoren. Der Detektor ist im Schichtsystem aufgebaut, wobei
in der Mitte das Strahlrohr verläuft. Danach kommen
Proportionalkammern und Triggerzähler, Drahtkammern und ein
Magnetfeld zur Bestimmung der Flugbahn. Der Schauerzähler
dient
zur
Bestimmung
von
Elektronen.
Nach
der
Eisenabschirmung können Myonen in den Funkenkammern
nachgewiesen werden.
Abbildung 6: Querschnitt des MarkI
Detektors
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Ergebnisse
Links sehen wir ein Detektorbild des MarkI-Detektors
mit einer Elektron-Myon-Spur. Rechts ist der
Wirkungsquerschnitt der Produktion solch eines
Teilchenpaares gegenüber der Schwerpunktsenergie
des SPEAR-Speicherrings aufgetragen.
Ab einer Schwerpunktsenergie von etwa 3,5 GeV tritt
die Messung dieses ungewöhnlichen Paares auf, was
darauf schließen lässt, dass wir hier ein neues
Teilchen gefunden haben.
Abbildung 8: MarkI
Detektorbild mit
Elektron-Myon-Spur
Abbildung 7: Wirkungsquerschnitt
aufgetragen gegenüber
Schwerpunksenergie
Das Tau-Lepton
Das τ–Lepton zerfällt über die schwache WW in ein τ–Neutrino und ein WBoson, welches wiederum in entweder ein Elektron oder Myon plus
Neutrino, oder up und down-Quark zerfällt.
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