Strangeness (1943

Kapitel 16
Strangeness (1943-1959)
16.1 Entdeckung der “Strangeness1”
Leprince-Ringuet (1943):
Rochester, Butter (1947):
Anderson, Leighton, Cowan :
Hinweise für die Existenz einer neuen Art von Teilchen hat man
erhalten durch das Studium der “Shower” in kosmischen Strahlen.
Die entdeckten Teilchen besitzen die folgenden Eigenschaften:
sie sind nicht stabil (d.h. sie zerfallen), kommen elektrisch
ungeladen und geladen vor, ihre Ruhemassen sind ungefähr
gleich 1000 Elektron-Ruhemassen
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Diese Teilchen wurden als Kaonen bezeichnet. Heute weiss man,
dass die geladenen Kaonen die folgenden Ruhemassen, Lebensdauer
und Hauptzerfallkanäle besitzen (siehe unten und Tabelle 1).
1. Seltsamkeit
Teilchenphysik
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Strangeness (1943-1959)
Geladenes Kaon: K+, K–
cτ ≈ 3, 7 m
mK + ≈ 493, 6 MeV
τ ≈ 12 ns
Der mittlere Flugweg eines Teilchens ist durch
l = βγ cτ
des geladenen Kaons
gegeben. Für ein relativistisches Teilchen gilt l≈γcτ.
Tabelle 1. Hauptzerfallskanäle
→ µ +π 0ν µ (Kµ 3 )
→ π +π +π − (Kπ 3 )
→ π +π 0 (Kπ 2 )
K + → µ +ν µ
4,8%
3,2%
5,6%
21%
64%
Verzweigungsverhältnis
des Zerfalls
→ e +π 0ν e (Ke3 )
1,73%
Zerfall
→ π +π 0π 0
Teilchenphysik II&III, WS 03/04-SS04, Prof. André Rubbia (ETHZ)
Entdeckung der Strangeness
τ ≈ 26 ns
cτ ≈ 7, 8 m
Das Kaon besitzt eine relativ lange Lebensdauer (“long-lived”). Die
Lebensdauer des Kaons ist ähnlich der Lebensdauer des geladenen
Pions:
π + → µ + + νµ
Wegen der langen Lebensdauer weiss man, dass das geladene
Kaon (wie das geladene Pion) durch einen schwachen Prozess zerfällt.
Die ungeladenen Kaonen haben eine kurzere Lebensdauer und kommen in zwei Arten mit den folgenden Eigenschaften vor:
L
τ ≈ 0, 8 × 10 −10 s
cτ ≈ 2, 7 cm
Ungeladene Kaonen: K0 K0 (“K-short”, “K-long”)
S,
→ π 0π 0 ( 31, 4%)
K → π +π − (68, 6%)
0
S
Das kurzlebige Kaon K0S zerfällt oft in zwei geladene Pionen. In diesem Fall spricht man von einem “V0”, wegen der charakteristischen
Form der Spuren in Detektoren. Siehe Abb. 1.
τ ≈ 5, 2 × 10 −8 s cτ ≈ 15, 51 m
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Das langlebige Kaon K0L zerfällt oft in drei Pionen aber auch “semileptonisch”, d.h. in ein Pion, ein Lepton und ein Neutrino:.
K → π +π −π 0 (12, 6%)
→ π 0π 0π 0 (21,1%)
0
L
→ π ∓ µ ±ν (27, 2%)
→ π ∓ e±ν ( 38, 8%)
Teilchenphysik
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Ein nachgewiesenes V0 in der Blasenkammer von Rochester.
Strangeness (1943-1959)
Figur 1.
Teilchenphysik II&III, WS 03/04-SS04, Prof. André Rubbia (ETHZ)
Die Strangeness -Quantenzahl
mΣ + = 1189, 4 MeV
mΛ = 1115, 6 MeV
cτ ≈ 2, 4 cm
cτ ≈ 7, 89 cm
Schwerere Teilchen, die sich auch “strange” verhalten, wurden auch
entdeckt and wurden als Λ und Σ bezeichnet. Diese zerfallen auch
schwach (siehe Lebensdauer) und im Gegensatz zu den Kaonen
befindet sich ein Nukleon (Proton oder Neutron) in den Zerfallsprodukten:
Λ → pπ − (64%)
→ nπ 0 ( 36%)
Σ + → pπ 0 (52%)
→ nπ + ( 48%)
16.2 Die “Strangeness”-Quantenzahl
Die Entdeckung dieser neuen Teilchen war eine Überraschung. Deshalb wurden sie als “strange” Teilchen bezeichnet. Die “strange”
Teilchen sind massiv genug, so dass ein schneller Zerfall in leichte
Teilchen möglich ist. Im Gegensatz dazu sind die beobachteten
Lebendauern der “strange” Teilchen lang.
Pais (1952): Er schlug vor, dass verschiedene Mechanismen für die
Erzeugung und den Zerfall verantwortlich sind. Tatsächlich bemerkt
man, dass die “strange” Teilchen häufig in starken Wechselwirkungen
erzeugt werden können. Wäre die starke Wechselwirkung verantwortlich für ihren Zerfall, so wäre ihre Lebensdauer viel kürzer als beobachtet! Ein Zerfall durch die starke Wechselwirkung muss verboten
sein.
Häufige Produktion: starke Wechselwirkung (τ≈10–23 s)
Langsamer Zerfall: schwache Wechselwirkung (τ≈10–9 s)
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Gell-Mann, Nishijima (1953): Teilchen besitzen eine neue additive
Quantenzahl, die als S=strangeness (wie Ladung, IsospinkompoTeilchenphysik
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Strangeness (1943-1959)
nente I3, usw...) bezeichnet wird. Die Antiteilchen besitzen entsprechend –S.
Zusätzliche experimentelle Beobachtung: die “strange” Teilchen werden in starken Wechselwirkungen immer in Paaren
erzeugt.
Daraus folgt die Regel der Erhaltung und Verletzung der “Strangeness”-Quantenzahls:
π − p → K 0Σ 0
0 + 0 = +1 – 1
π − p → K 0Λ
0 + 0 = +1 – 1
S wird in starken (und elektromagnetischen) Wechselwirkungen erhalten.
S wird in schwachen Wechselwirkungen nicht erhalten.
π − p → K +Σ −
0 + 0 = +1 – 1
Produktion von Strangeness:
S
S = +1
S=0
0 0
π−p →
/ π Σ
0 + 0 ≠ 0 –1
− +
π−p →
/ K Σ
0 + 0 ≠ –1 – 1 = −2
S = −1
Damit haben wir die folgenden Quantenzahlen den Teilchen zugeordnet:
K +,K 0
π , p, n
K − , K 0 , Λ, Σ + , Σ − , Σ 0
(Beachte: Σ– ist nicht das Antiteilchen des Σ+)
+ −
π−p →
/ π Σ
0 + 0 ≠ 0 –1
Verbotene Prozesse (wegen S-Erhaltung)
S
Teilchenphysik II&III, WS 03/04-SS04, Prof. André Rubbia (ETHZ)
Die Strangeness -Quantenzahl
Λ → pπ −
−1≠ 0 + 0
Σ + → pπ 0
−1 ≠ 0 + 0
Σ + → nπ +
−1 ≠ 0 + 0
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Zerfälle: durch schwache Wechselwirkung, d.h. S wird nicht erhalten:
S
Teilchenphysik
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Teilchenphysik II&III, WS 03/04-SS04, Prof. André Rubbia (ETHZ)