Entdeckung des J/Ψ (Novemberrevolution)
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Kerne und Teilchen Physik VI Vorlesung # 19 22.6.2010 Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Quarkmodell der Hadronen - Bottomonium & SU(4) - Top-Quarks - Elektron-Positron Annihilation in Hadronen Symmetrien - klass. Erhaltungsgrößen & P, C, T - Parität: Eigenschaften & Paritätsverletzung KIT – University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu Hadronen – Multiplette hadronische Isomultipletts mit SU(3): Mesonen-Nonett: - 2 Iso-Singuletts (h, h´), 2 Dubletts (K0, K+) & (K-, K0), 1 Triplett (p+, p0, p-) - neutrale Mesonen: 1 flavoursymmetrisches Meson, SU(3) Singulett: h´ ~ h1 2 flavour-antisymmetr. Mesonen SU(3) Oktett, p0, h ~ h8 Baryonen-Multiplette: 3 3 3 = 10 + 8 + 8 + 1 - ein Baryonen-Dekuplett (J = 3/2) - zwei Baryonen-Oktette - ein Baryonen-Singulett - Beispiel J = ½ Baryonen () gemischte Spin-Symmetrie (keine reine symmetrische/antisymmetrische Wf.) die Flavoursymmetrie (u,d,s) ebenfalls gemischt keine flavour-symmetrischen J = ½ Zustände (uuu), (ddd), (sss) 2 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Quarkonia: Charmonium _ c c Masse [GeV] Entdeckung des J/Ψ (Novemberrevolution): gebundener Zustand eines Charm-Quarks & eines Charm-Antiquarks mit M = 3096.92 MeV und JPC = 1-_ Charmonium-Spektroskopie: 3.8 _ DD-Schwelle unterhalb der DD-Schwelle kann durch g-Spektroskopie das 3.6 Termschema von Charmonium bestimmt werden 3.4 Charmonium-Potenzial: - Analogie zum Positronium & 3.2 QCD Term für Quark - Confinement 4 s (r ) c V (r ) r 3 r 3.0 Charmonium-Zerfälle: - OZI-Regel: durchgezogene Quarklinien 3 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 2.8 L 0 0 1 1 1 1 KIT-IEKP Multipletts Multipletts unter Einbeziehung der Quantenzahl Charm Erweiterung der SU(3) Symmetrie zu einer SU(4) Symmetrie C Y S B 3 - 16 pletts / 20 pletts - in 3-dimensionaler Darstellung - alle ℓ = 0 Mesonen sind experimentell nachgewiesen worden (charmed mesons) - C=2 (dcc) Zustand XCC+ 4 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Bottom Quarks - das Upsilon Entdeckung des Upsilons 1977: gebundener Zustand eines Bottom-Quarks & eines Bottom-Antiquarks im Fermilab-Experiment E288 bei Ep = 400 GeV Upsilon-Meson & Anregungen Eigenschaften von ϒ Leon Lederman Nobelpreis 1988 (für Neutrinos – nµ) Masse [MeV] 9460.30 ± 0.26 Lebensdauer t [s] 1.21 ∙ 10-20 Resonanz Masse [MeV] Breite G [MeV] ϒ (1S) 9460 0.053 ϒ (2S) 10023 0.043 ϒ (3S) 10355 0.026 ϒ (4S) 10580 20 ϒ (10860) 10865 110 Orginalpublikation: Invariante Masse 5 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Baryonen-Multipletts Baryonen-Multiplett mit J = 3/2 mit u, d, s, b - Quarks drei Bottom Quarks: noch nicht nachgewiesen zwei Bottom Quarks: noch nicht nachgewiesen nachgewiesen nachgewiesen ein Bottom Quark: noch nicht alle nachgewiesen kein Bottom Quark: alle nachgewiesen 6 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Bottomonium _ 4S-Resonanz kann daher an einem e- e+ Beschleuniger benutzt werden, um Mesonen mit b-Quarks zu erzeugen B-Fabrik (B-factory) - USA: SLAC - PEP-Speicherring (Positron-Electron-Project) - Japan: KEKB 7 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 Masse [GeV] Bottomonium-Spektroskopie (bb-System) erfolgt in sehr enger Analogie _ zur Charmonium-Spektroskopie (cc-System) - die kinematische Schwelle für den _ Zerfall in BB-Mesonen liegt zwischen _ der ϒ(3S) und ϒ(4S) Resonanz, 10.5 da M(BB-System) = 10558 MeV 10.0 9.5 KIT-IEKP B-Fabriken: B-Physik aktuell: sehr intensive Untersuchungen zur b-Quark-Physik (B-Fabriken), speziell zur Analyse der CP-Verletzung im B-System - CMS-Energie des e+e- Strahls bei E = 10.58 GeV d.h. bei der Energie der _ ϒ(4S) Resonanz 4S → B+ B-, 4S → B0 B0 (Belle, BaBar) 8 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Top Quarks Top-Quark-Physik _ Top/Anti-Top Paare (t t): erste Beobachtung am Tevatron (1994) in den beiden Experimenten CDF, DØ über hadronische Erzeugung Myon Jet Masse [GeV] 173.1 ± 1.3 Lebensdauer t [s] 4.2 ∙ 10-25 Zerfall (schwache Ww.) t → b + W+ Top Paar Myonneutrino t _ p Eigenschaften des top-Quarks Antiprotonen Protonen Elektronneutrino p Jet Elektron 9 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Top Quarks Top-Quark die extrem kurze top-Lebensdauer (t ~ 10-25 s) ermöglicht keine Bildung hadronischer Bindungszustände (Toponium), da die Hadronisation eines einzelnen Quarks erst nach thadr ~ 10-23 s einsetzt einzelne Top-Quark (2009) Erzeugung einzelner Tops über schwache Wechselwirkung CDF 10 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP 7.3 Hadronische Wechselwirkung Elektron-Positron Annihilation in Hadronen : bei hohen Energien kommt es_über Photonen zur Bildung von _ virtuelle _ _ - Quark-Antiquark Paaren: uu, dd, ss, cc,… _ + + + - Lepton-Antilepton_ Paaren: e e , µ µ , t t q µ+ nichtresonante qq-Erzeugung : g Verhältnis der Ausgangskanäle abseits der Resonanzen s (e e µ µ ) p 2 3E 2 4p 2 3s 2 4 p s (e e qq ) Q 2f s f q µ- E = Strahlenergie e- e+ Qf = Quarkflavour-Freiheitsgrad Definition des Wirkungsquerschnitts-Verhältnisses R: s (e e Hadronen) 2 R 3 Q f s (e e µ µ ) 11 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 Faktor 3 für Farbe KIT-IEKP Hadronproduktion in + e -e Kollisionen Elektron-Positron Annihilation in Hadronen : - an der kinematische Schwelle (z.B. E = 3.1 GeV) Beobachtung von Resonanzen (J/Ψ) , danach ist der Wert von R um einen weiteren Quarkflavour-Freiheitsgrad Qf (c, b,…) erhöht - top-Quark-Produktion nur bei sehr hohen Schwerpunktsenergien R J/Ψ Ψ´ 6 R=11/3 udscb Erwartung udscbt 4 hohe Energien: neue FlavourFreiheitsgrade Werden erzeugt udsc 2 uds 2 3 4 5 6 7 8 10 ohne Einbezug der Farbladung keine Übereinstimmung 20 30 40 Schwerpunktsenergie √s [GeV] 12 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP 8 7 6 5 4 3 2 (2S) (3S) (4S) (1S) 9.5 10 102 w 11 Z0 f 10 1 10.5 J/Ψ Ψ(2S) 103 Verhältnis R Hadronproduktion - niedrige Energien : Vektormesonen r, w, f und r´ - mittlere Energien : Quarkonia J/Ψ und Anregungen ϒ und Anregungen - hohe Energien : Z0 - Resonanz Verhältnis R Hadronproduktion: Gesamtüberblick r´ r 0.1 1 10 100 Schwerpunktsenergie [GeV] 13 22.6.2010 G. Drexlin – VL0x KIT-IEKP 8. Symmetrien Symmetrien - Symmetrieprinzipien spielen in der klassischen Physik (Hamilton) und in Quantenmechanik (Ladung Q) eine fundamentale Rolle - globale Symmetrietransformationen - stärkere Forderung nach einer lokalen Symmetrietransformation Eichsymmetrie: Invarianz Einführung neuer Felder/Wechselwirkung - Eichsymmetrien als dynamisches Prinzip bei Wechselwirkungen: elektromagnetische Wechselwirkung: U(1) starke Wechselwirkung: SU(3)C , Flavoursymmetrien: SU(2), SU(3), SU(4),… globale Transformation 14 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 lokale Transformation KIT-IEKP 8.1 (Klassische) Erhaltungsgrößen Symmetrien & Erhaltungsgrößen - klassische, kontinuierliche Symmetrien: Verbindung der Eigenschaften von Raum & Zeit mit Größen p, J, E - quantenmechanische, diskrete Symmetrien: P, C, T Symmetrieoperation 15 unbeobachtbare Größe Erhaltungsgröße Translation im Raum absoluter Ort Impuls p Drehung im Raum absolutes Koordinatensyst. Drehimpuls J Translation in der Zeit absolute Zeit Energie E Eichtransformation (QM) Phase der Wellenfunktion elektrische Ladung Q Raumspiegelung absolute Händigkeit Parität P Materie - Antimaterie Materieart Ladungsparität C Zeitumkehr absolute Zeitrichtung Zeitparität T 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Parität P,Ladungskonjugation C, T-Umkehr T Parität P - Paritätsoperator P erzeugt eine räumliche Spiegelung am Ursprung - Unterscheidung der Händigkeit linkshändig Parität rechtshändig Ladungskonjugation C - Ladungkonjugationsoperator C: Umwandlung Teilchen-Antiteilchen - +q-q ladungsartige Parameter Ladung Ladung +Q Ladung -Q Zeitumkehr T - Zeitumkehroperator T erzeugt eine Zeitspiegelung t -t - Umdrehen der Bewegungsrichtung 16 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 T-Umkehr KIT-IEKP 8.2 Parität, Ladungskonjugation, Zeitumkehr Parität P, Ladungskonjugation C und Zeitumkehr T: - P, C, T sind diskrete Symmetrien - Eigenzustände Y der P, C, T – Operatoren besitzen Eigenwerte +1, -1 da zweifache Anwendung den Ausgangszustand wieder herstellt Parität : P2 Y = Y - P, C werden durch die schwache Wechselwirkung maximal verletzt ! Kombination der diskreten Symmetrien: CP, CPT - CP und T werden in bestimmten Systemen (K0, B0) verletzt (~10-3) ! - CPT – Theorem: die physikalischen Gesetze sind invariant unter CPT Transformationen (in lokalen relativistischen Quantenfeldtheorien) Konsequenz: identische Massen, Lebensdauern von Teilchen/Antiteilchen CP CPT 17 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Parität P Parität P entspricht einer Rauminversion - geändertes Vorzeichen eines polaren Vektors Beispiele: Ort r, Impuls p, elektrisches Feld E, Kraft F rr P P p p 0 1 0 P 0 1 0 0 0 1 rechtshändiges KS → linkshändiges KS - axialer Vektor: nicht geändertes Vorzeichen des (Pseudo-) Vektors nach Paritätsoperation - Drehimpulse: Spin S , Orbital L - Magnetfeld B P JJ 18 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 Spiegel Kernspin Axialvektor Kernspin KIT-IEKP Parität P Eigenfunktionen mit positiver und negativer Parität - Operator P und Eigenfunktionen Y mit positiver und negativer Parität: P Y ( x , t ) Y ( x , t ) Y´(x , t ) 1 Y ( x ) Y ( x ) Y´(x ) 2 Y´(x ) P Y(x ) 1 Y ( x ) Y ( x ) Y´(x ) 2 1 Y ( x ) Y ( x ) Y´(x ) 2 19 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Parität P: Erhaltungssatz Parität P ist eine multiplikative Erhaltungsgröße Gesamtparität eines Systems aus 2 wechselwirkenden Teilchen a + b → c + d : Pa Pb (1) Pc Pd (1)´ ℓ, ℓ´ : relative Bahndrehimpulse - Kugelflächenfunktion Ylm(p - Q, F + p) = (-1)ℓ ∙ Ylm(Q, F) Eigenparität P ist eine charakteristische Größe - Fermionen: Teilchen & Antiteilchen (e+, e-) haben entgegengesetzte Parität - Bosonen: Teilchen & Antiteilchen (p+ und p- : JP = 1- ) mit gleicher Parität Definition der Eigenparität P _ - Quarks: P(q) ≡ +1, : P(q) ≡ -1 - Nukleonen: P(p)_ = +1, P(n) = + 1, P(L) = +1 - Mesonen: P(qq) = (-1)ℓ+1 1S -Mesonen (p, h, K) : pseudoskalar mit JP = 00 3S -Mesonen (r, w, f) : vektoriell mit JP = 11 20 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Parität P und Helizität von Teilchen Parität P ändert die Helizität eines Teilchens - Helizität h bezeichnet die Projektion des Spins auf die Impulsachse S h |S| p p - Helizität h definiert eine Händigkeit - linkshändiges Teilchen: Impuls p ist antiparallel zum Spin S - rechtshändige Teilchen: Impuls p ist parallel zum Spin S - Helizität ist keine Lorentz-invariante Größe, ist nur für masselose Teilchen eindeutig - massebehaftete Teilchen haben immer 2 Helizitätsanteile (durch Lorentz-Boost kann der Impuls p ´umgeklappt´ werden) 21 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 RH LH p RH p LH KIT-IEKP Helizität von Spin-½ Teilchen für massebehaftete Spin-½ Teilchen lassen sich 4 Zustände unterscheiden: mit p = Impuls (Vektor), S = Spin (Axialvektor) - RH, LH Teilchen p p - RH, LH Antiteilchen Helizität ist eine pseudoskalare Größe, die bei der Anwendung des Paritätsoperators P ihr Vorzeichen ändert Teilchen e-, µ-, u, d, p s p p AntiTeilchen LH Teilchen RH Teilchen 22 22.6.2010 e_+,_µ+_, u, d, p rechtshändig G. Drexlin – VL19 linkshändig KIT-IEKP Theta-Tau Puzzle Theta-Tau Puzzle: Beobachtung von zwei ähnlichen Mesonen (q+, t+) mit Strangeness, die in unterschiedliche Paritätszustände zerfallen: q p p 0 t p p p 21% 6% P(q+) = (-1) ∙ (-1) ∙ (-1)0 = +1 P(t+) = (-1) ∙ (-1) ∙ (-1) ∙ (-1)0 = -1 heute: q+ und t+ sind identische Teilchen (≡ K+) ! Parität P wird in der schwachen Strahl Wechselwirkung + K verletzt! µ+ p+ p- e+ µ+ µ- p+ e+ 23 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 Compton Elektron KIT-IEKP Sturz der Parität 1956: T.D. Lee & C.N. Yang schlagen experimentelle Tests vor, ob die Parität P durch die schwache Wechselwirkung verletzt wird “In strong interactions, ... there were indeed many experiments that established parity conservation to a high degree of accuracy..." “to decide unequivocally whether parity is conserved in weak interactions, one must perform an experiment to determine whether weak interactions differentiate the right from the left” Question of Parity Conservation in Weak Interactions T. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104 (1956) 254 "for their penetrating investigation of the so-called parity laws which has led to important discoveries regarding the elementary particles" 24 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 Nobelpreis 1957 李政道 杨振宁 Tsung-Dao Lee Chen Ning Yang KIT-IEKP Wu-Experiment & Paritätsverletzung Co (5 ) 60Ni * (4 ) e n e 60 techn. Herausforderung: Ausrichtung der 60Co-Kerne bei sehr tiefen Temperaturen: Prinzip der „adiabatischen Entmagnetisierung“ Chien-Shiung Wu 吴健雄 (1912-1997) 25 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 ß-Elektronen Spiegel C.S. Wu et al. untersuchen den Kern-ß-Zerfall von 60Co zum Test der Erhaltung der Parität in der schwachen Wechselwirkung Fragestellung: gibt es eine Vorzugsrichtung der beim ß-Zerfall emittierten Elektronen relativ zum Spin des 60Co Kerns? ja: Parität ist verletzt, nein: Parität ist erhalten Co-60 Kern ß-Elektronen Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105 (1957) 1413 gespiegelte Welt KIT-IEKP Wu-Experiment & Paritätsverletzung Experimenteller Aufbau in einem Kryostaten: Abkühlung der Probe auf 10 mK durch adiabatische Entmagnetisierung Lichtleiter Spule B-Feld Magnet 60Co- Probe mit Salz flüssig Stickstoff 26 22.6.2010 PMT Vakuumverbindung Anthracen Zähler Magnet Ce-MgSalz flüssig Helium G. Drexlin – VL19 Polarisationsgrad der 60Co-Kerne: Messung der Intensität der g-Quanten aus dem Zerfall mit NaJ Detektoren in äquatorialer und polarer Position (Quadrupolstrahlung, da 4+ → 2+ → 0+ ) KIT-IEKP Wu-Experiment & Paritätsverletzung Experimenteller Aufbau in einem Kryostaten: Abkühlung der Probe auf 10 mK durch adiabatische Entmagnetisierung Lichtleiter Spule B-Feld Magnet PMT Vakuumverbindung Anthracen Zähler Magnet - 60Co als dünner Film auf einem paramagnetischen Ce-Mg-Nitrat Salz wird durch Abpumpen von flüssigem He auf T = 1 K abgekühlt - durch Anlegen eines horizontalen B-Felds Polarisation der Atomhüllen: anisotroper g-Faktor des Salzes - adiabatische Entmagnetisierung (B-Feld wird auf 0 herunter geregelt) 60Co- Probe mit Salz flüssig Stickstoff 27 22.6.2010 Ce-MgSalz flüssig Helium G. Drexlin – VL19 - Anlegen eines vertikalen Feldes (Probe bleibt kalt, da g-Faktor Salz klein) T = 10 mK, 60Co Kerne sind polarisiert KIT-IEKP Wu-Experiment & Paritätsverletzung experimentelle Zielsetzung: wird eine Vorzugsrichtung der Elektronen aus dem ß-Zerfall gemessen, wird ein endlicher Erwartungswert für eine pseudoskalare Größe gemessen J Kern pe JKern: axialer Vektor, pe: polarer Vektor externes Magnetfeld B 60Co-Kerne (ß-Strahler) polarisiert entlang B Elektronen in unterer Halbebene 28 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 KIT-IEKP Wu-Experiment & Paritätsverletzung Experimentelle Resultate: Elektronen werden bevorzugt antiparallel zur Ausrichtung des Kernspins emittiert Elektronen aus dem ß-Zerfall sind bevorzugt linkshändig Umpolen des Magnetfelds B Magnetfeld Kernspin J 60Co 60Co Kernspin J eB Magnetfeld 29 22.6.2010 G. Drexlin – VL19 e- 1.20 relative Zählrate e- e- die Parität ist beim ß-Zerfall maximal verletzt! B 1.10 1.00 Erwärmung Probe voll depolarisiert 0.90 B 0.80 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Zeit t [Minuten] KIT-IEKP Wu-Experiment & P, C, CP-Transformation Wu-Experiment & Symmetrietransformationen: - P-Transformation: RH Elektronen (parallel zu J), maximal verletzt - C-Transformation: LH Positronen (antiparallel zu J), maximal verletzt - CP-Transformation: RH Positronen (antiparallel zu J), erlaubt Original P-invertiert B ee- 22.6.2010 e60Ni e- 30 RH B 60Ni LH G. Drexlin – VL19 C-invertiert CP-invertiert e+ B B 60Ni RH 60Ni e+ e+ LH e+ KIT-IEKP
