Teilchenphysik

Teilchenphysik
Lehrerprogramm - Mai 2016
European Organisation for Nuclear Research
„Magic is not happening at CERN, magic is explained at CERN“ - Tom Hanks
Kristof Schmieden
EP Department
[email protected]
Frage - haben Bosonen Anti-Teilchen?
• Ja
• Allgemein: Teilchen die keine Ladung haben sind ihre eigenen Anti-teilchen
• Ladungen: Elektrisch, Schwach, Farbe
Kristof Schmieden
2
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 Tragen 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
2
Hadronen
• 1935: Yukawa sagt das Pion voraus, als Austauschteilchen der starken Kernkraft
• Masse wurde über Kernradius vorhergesagt: 100 - 200 MeV
• Fieberhafte Suche in der Kosmischen Höhenstrahlung (auf hohen Bergen)
• Entdeckung 1947 (Powell / Perkins)
(auf Pic du Midi / Pyrenäen)
• Bei dieser Suche wurde auch µ Entdeckt
• 1948: Erstmals Pionen an einem Beschleuniger Erzeugt
• Zyklotron in Berkley
Kristof Schmieden
3
Wer suchet - der findet ....
• Rasante Entwicklung in der Beschleunigertechnik
• 1938: 80 keV
- 1939: 19 MeV - 1946: 195 MeV - 1947: 6 GeV - 1960: 30 GeV
• Entdeckung neuer Teilchen
QCD
• ,Resonanzen‘ im invarianten Massenspektrum der Nachgewiesenen Teilchen
Teilchenkollisionen produzieren ‘Resonanzen’
• invariante Masse M:
2
E = mc
mc
! Mc
2 2
2 2
2 2
+ p~ 2 c2
= E 2 p~ 2 c2
⇣X ⌘2
X
=
(E)2
p~c
4.3 MeV ~ 10-22 s
bleibt im Zerfall erhalten!
Kristof Schmieden
Resonanz = ‘Peak’ im invarianten Massen-Spektrum von zwei oder
d
4
Intermezzo - Statistik & Teilchenphysik
Kristof Schmieden
5
Intermezzo - Statistik & Teilchenphysik
Kristof Schmieden
5
Wer suchet - der findet .... mehr als gewollt
• Rasante Entwicklung in der Beschleunigertechnik
• 1938: 80 keV
- 1939: 19 MeV - 1946: 195 MeV - 1947: 6 GeV - 1960: 30 GeV
• Entdeckung einer Vielzahl neuer Teilchen
„Teilchenzoo“
Baryonen
p± (938.3), n (939.6), N(1440), N(1520), N(1535), N(1650),
N(1675), N(1680), N(1700), N(1710), N(1720), N(1875), N(1900),
N(2190), N(2220), N(2250), N(2600), Δ(1232), Δ(1600), Δ(1620),
Δ(1700), Δ(1905), Δ(1910), Δ(1920), Δ(1930), Δ(1950), Δ(2420), Λ
(1116), Λ(1405), Λ(1520), Λ(1600), Λ(1670), Λ(1690), Λ(1800),
Λ(1810), Λ(1820), Λ(1830), Λ(1890), Λ(2100), Λ(2110), Λ(2350), Σ+
(1189), Σ0 (1193), Σ- (1197), Σ(1385), Σ(1660), Σ(1670), Σ(1750),
Σ(1775), Σ(1915), Σ(1940), Σ(2030), Σ(2250), Ξ0 (1315), ...
Mesonen
Wie bringt man Ordnung in dieses Chaos?
Kristof Schmieden
π± (139.6), π0 (135.0), η (547.9), σ (400-550), ρ (770), ω (782.7),
η’ (957.8), f0 (990), a0 (980), φ (1019), h1 (1170), b1 (1229), a1
(1230), f2 (1275), f1 (1282), η (1295), π (1300), a2 (1318), f0
(1370), π1 (1400), η (1409), f1 (1426),
ω (1400-1450), a0 (1474), ρ (1465), η (1476), f0 (1505), f’2
(1525), π1 (1662), η2 (1617), ω (1670), ω3 (1667), π2 (1672), φ
(1680), ρ3 (1689), ρ (1720), f0 (1720), π (1812), φ3 (1854), π2
(1895), f2 (1944), f2 (2011), a4 (1996), f4 (2018), φ (2175), f2
(2297), f2 (2339), K± (493.7), K0 (497.6), K0S, K0L, K* (891.7), K1
(1272), K1 (1403), K* (1414), K*0 (1425), K*2 (1426), K* (1717),
K2 (1773), K*3 (1776), K2 (1816), K*4 (2045), ...
6
Hadron - Multiplets
• Suche Nach Strukturen:
Spin = 1/2
Kristof Schmieden
Spin = 3/2
7
Hadron - Multiplets
• Suche Nach Strukturen:
Y
Spin = 1/2
Spin = 3/2
Y
1
1
-1
-1
0
+1
0
I3
+1
I3
-1
-2
Isospin:
Symmetrie zwischen p & n:
2 Zustände eines „Teilchens“
Formal analog zum Spin
Kristof Schmieden
8
Ordnung durch innere Struktur
• Postulat:
• Es gibt 3 fundamentale Teilchen aus denen alle Hadronen
aufgebaut sind (+ Antiteilchen)
• Quarks: up, down, strange
Spin = 1/2
(dds)
Spin = 3/2
(ddd)
(udd)
(uud)
(uds)
(dss)
(uus)
Gell-Mann /
Zweig: 1963
(udd)
(dds)
(uds)
(dss)
(uud)
(uuu)
(uus)
(uss)
(uss)
(sss)
Vorhersage vor Experimenteller
Entdeckung
Kristof Schmieden
9
Ordnung durch innere Struktur
• Postulat:
• Es gibt 3 fundamentale Teilchen aus denen alle Hadronen
aufgebaut sind (+ Antiteilchen)
• Quarks: up, down, strange
Spin = 1/2
(dds)
Spin = 3/2
(ddd)
(udd)
(uud)
(uds)
(dss)
(uus)
Gell-Mann /
Zweig: 1963
(udd)
(dds)
(uds)
(dss)
(uud)
(uuu)
(uus)
(uss)
(uss)
(sss)
Vorhersage vor Experimenteller
Entdeckung
Kristof Schmieden
Problem: Verletzt Pauli Prinzip!
3 identische Quarks
Farbladung
9
Quanten Chromo Dynamik
• Quarks haben zusätzliche Eigenschaft (auch Quantenzahl / Ladung gennant):
• Farbe - 3 Zustände nötig um Multiplets zu erklären (rot, grün, blau)
• Farbe = Ladung der ,starken‘ (Kern-) Kraft
• Austauschteilchen: Gluon
(masselos)
• Ändern Farbladung der Quarks
tragen selbst Farbe (und Anti-Farbe)
• Dogma der QCD:
• Es existieren nur Farbneutrale Objekte
• Farbe + Antifarbe (Mesonen)
• rot + grün + blau (Baryonen)
Kristof Schmieden
10
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen tragen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
Anwachsen des Potentials bei großen Abständen
• Laufende Kopplung: Quarks lassen sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
kleiner der Abstand)
kleiner
die Kopplung
• Je gößer die Energie
Stärke(=
derjeWechselwirkung
nimmt abdesto
bei kleinen
Abständen
(= hohen
Energien), Kopplungsstärken sind energieabhängig
gemessenes „running“
s
der starken Wechselwirkung
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
[12]
Kristof Schmieden
11
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen tragen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
Anwachsen des Potentials bei großen Abständen
• Laufende Kopplung: Quarks lassen sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
kleiner der Abstand)
kleiner
die Kopplung
• Je gößer die Energie
Stärke(=
derjeWechselwirkung
nimmt abdesto
bei kleinen
Abständen
(= hohen
Energien), Kopplungsstärken sind energieabhängig
gemessenes „running“
starken
Wechselwirkung
kleine
Abstände
•derSehr
• Quarks spüren nichts voneinander
s
• Asymptotische Freiheit
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
[12]
Kristof Schmieden
11
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen tragen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
Anwachsen des Potentials bei großen Abständen
• Laufende Kopplung: Quarks lassen sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
kleiner der Abstand)
kleiner
die Kopplung
• Je gößer die Energie
Stärke(=
derjeWechselwirkung
nimmt abdesto
bei kleinen
Abständen
(= hohen
Energien), Kopplungsstärken sind energieabhängig
gemessenes „running“
starken
Wechselwirkung
kleine
Abstände
•derSehr
• Quarks spüren nichts voneinander
s
• Asymptotische Freiheit
• große Abstände
• Kopplung und damit potentielle
Energie zwischen zwei quarks nimmt
zu! ~1 GeV/c2 pro fm
• ,Confinement‘
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
[12]
Kristof Schmieden
11
0.2 GeV
Entdeckung derQCD
Quarks
1956 Hofstadter: Messung des Protonenradius
Stanford Linear Accelerator Centre
Friedmann, Kendall,
~ Rutherford experiment mit Elektronen
Taylor: 1969
--> es gibt drei ‘harte’ (punktförmige) Streuzentren im Proton
Entdeckung der Quarks
Elektron-Streuung
am Proton
1967 Friedmann, Kendall, Taylor (SLAC):
Elektronenstreuung an Protonen
[13]
Die gemessenen Querschnitte waren perfekt mit
der Anwesenheit von 2 up- und 1 down-quark im
Proton erklärbar.
0.2 GeV
10-15 cm
1956 Hofstadter: Messung des Protonenradius
• Elastische Streuung:
• Messung des
20 GeV
Stanford Linear Accelerator Centre
• Inelastische Streuung:
• Streuung an
1967 Friedmann, Kendall, Taylor (SLAC): ~ Rutherford experiment mit Elektronen
--> es gibt drei ‘harte’ (punktförmige) Streuzentren im Proton
Proton Radius
Konstituenten
• relativistische Ereignisse
• Ereignisse charakterisiert durch Impulsübertrag2
Die gemessenen Querschnitte waren perfekt mit
der Anwesenheit von 2 up- und 1 down-quark im
Proton erklärbar.
= q2 , Anstelle des
Streuwinkels
20 GeV
10-15 cm
•
E + mp c
2 2
2 2
= ( p~) c + mW c
2 2
• mW = mp : Elastische Streuung
Kristof Schmieden
12
are GeV
rules 0.2
briefly discussed.
'
Entdeckunga previous
derQCD
Quarks
reported
Letter,
between the behavior of the inelastic and elastic
experiin Fig. 1, where
1956 a
Hofstadter:
Protonenradius cross sections is also illustrated
Acceleramental results from
Stanford Messung
Lineardes
Stanford Linear Accelerator Centre
tor Center-Massachusetts Institute of Technolthe elastic cross section, divided by the Mott
Entdeckung der
for = 10', is Kendall,
included. The q' desectionFriedmann,
of high-energy
inelastic electron-procross
study am
Elektron-Streuung
Proton
ogy Quarks
1967 Friedmann, Kendall, Taylor (SLAC): ~ Rutherford experiment mit Elektronen
Taylor:
1969 is also considerton scattering. Measurements of
inelastic specpendence of the
deep continuum
--> es gibt drei ‘harte’ (punktförmige) Streuzentren im Proton
Elektronenstreuung an Protonen
tra, in which only the scattered electrons were
detected, were made at scattering angles of 6'
[13]
and 10' and with incident energies between 7 and
17 GeV. In this communication, we discuss some Die gemessenen Querschnitte waren perfekt mit
der Anwesenheit von 2 up- und 1 down-quark W=
im
2 GeV
of the salient features of inelastic spectra in the
Proton erklärbar.
--- W=5 GeV
0.2 GeV
deep continuum region.
10-15 cm
20 GeV
One of the interesting features of the measure-l
IO
ments is the weak momentum-transfer
depen1956 Hofstadter: Messung des Protonenradius
excita- Centre
sections
for
dence of the inelastic cross
Stanford
Linear
Accelerator
Elastische Streuung:
Inelastische
Streuung:
tions well beyond the
This
resonance region.
I—
I—
1967
Friedmann,
Kendall,
Taylor
(SLAC):
~
Rutherford
experiment
mit
Elektronen
illustrated
Here
weak
is
in
1.
dependence
Messung--> es gibt drei ‘harte’ (punktförmige) Streuzentren im Proton
des
StreuungFig.
an
O
we have plotted the differential cross section di-P.
b
Proton Radius
Konstituenten
~
IO
vided by the Mott cross section, (d'a/dQdE')/
b
konstant =
(do d/Q) M«, as a function of the square of the
q'= 2EE'(1-cos0), for
four-momentum transfer,
Punktförmig
Die gemessenen Querschnitte waren perfekt mit
relativistische
Ereignisse
the 1 reinvariant von
mass
ofund
theAnwesenheit
constant values of der
2 updown-quark im
2
Protondurch
erklärbar.
W'= 2M(E
Ereignissecoiling
charakterisiert
where Impulsübertrag
target system,
W,
-3
&,EaaSTiC
2
+M'
-q'.
incident
of
the
IO
electron,
E
the
-15
is
energy
= qcm, Anstelle des
Streuwinkels
10
20 GeV
Q SC&TTER~NG
E' is the energy of the final electron, and 0 is
defined in the laborathe scattering
angle, 2all 2
2 2
2 2
E + mtory
=M
( isp~the) mass
c +of themproton.
p c system;
W c The
homogene Kugel
cross section is divided by the Mott cross secIn
we have
L9
~
•
•
•
•
•
il
E')-
•
l~
•
• mW =
tion
mp :
Elastische
Streuung
e'
dG
(d
Kristof Schmieden
Mott
—
cos'p(9
4E Sin 2
IO
I
0
I
2
I
5
4
q2 (GeV/c)
6
7
2
(d o/dQdE')/oM «, in GeV, vs q for W
=2, 3, and 3.5 GeV. The lines drawn through the data
are meant to guide the eye. Also shown is the cross
section for elastic &-p scattering divided by OM«„
dipole
(do/dD)/oMo«, calculated for t) = 10', using the 12
FIG.
Formfaktor F
in order to remove the major part of the wellknown four -momentum transfer dependence arising from the photon propagator. Results from
both 6' and 10' are included in the figure for each
5
ll
1.
Entdeckung
des
Gluons
PETRA e e collider am DESY/Hamburg
+ -
Erzeugung von Quark – Antiquark Paaren (2 Jets)
Desy (Petra): 1979
Erzeugung von Quark - Antiquark Paaren
•Abstrahlung
eines Gluons erzeugt 3. Jet
• 3ter „jet“ durch Gluonstrahlung
jet
e+
3-jet event
[JADE Detektor]
• Bestimmung der Kopplungskonstanten:
s
jet
QCD
e- Entdeckung der Gluonen
# 3 jet events
# 2 jet events
hrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
# 3 jet events
1979
↵s ⇠
# 2 jet events
(DESY, 1979)
jet
s (s)
• Experimente am Petra e+e- Beschleuniger am DESY
• Experimente TASSO, Pluto, Mark-J, JADE
Michael Hauschild (CERN), Seite 9
PETRA Storage Ring, 1979, DESY (Hamburg)
13
Das Proton - heute
• Komplexes Viel-Teilchen System
• Quarks, Antiquarks, Gluonen
• Hochenergetische Kollisionen:
• Kollision einzelner ,Partonen‘
• Welchen Impuls Tragen die Partonen?
2
Q = 10 GeV
xg
Gluonen
0.8
July 2010
H1 and ZEUS HERA I+II Combined PDF Fit
1
2
HERAPDF1.5 (prel.)
Seequarks
exp. uncert.
xS
model uncert.
xuv
Valenzquarks
Seequarks
Quark-Antiquark Paare
Kristof Schmieden
xdv
0.2
0
0.2
0.4
0.6
10 6
10 4
parametrization uncert.
Valenzquarks
(uud)
10 7
10 5
0.6
0.4
!r(x,Q2) x 2i
PDFs (Parton density function)
HERA Structure Functions Working Group
xf
‣
0.8
x
1
10 3
10 2
10
1
10
10
10
-1
-2
-3
1
x: Impulsanteil
Partons
amwichtig
Proton
Kenntnis des
der PDF
ist enorm
für LHC
(Björkenpräsent!
x) Besonders wichtig für SUSY, Extradim
14
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
15
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Neutrinos bisher vernachlässigt
Kristof Schmieden
15
Schwache
Wechselwirkung
Kristof Schmieden
16
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
17
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
18
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
18
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
19
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+
ν
e-
Berechnung von β - Zerfällen & Wechselwirkungswahscheinlichkeiten
möglich
Kristof Schmieden
19
“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)
für p +ν~
(GF Eν)
• Streuquerschnitt
Stärke GF ~ 10-5 relativ
zur elektro-magnetischen
WW
n
Analogie
zu
zwei
Teilchen”strömen”
(Proton-Neutron
/
Elektron• Verletzt
Unitarität für E > 300 GeV (Wahrscheinlichkeit > 1)
Neutrino)
p
Felder
1934 - 1948
Glashow: 1958
e
Quanten-Elektrodynamik
• Lösungsansatz:
“Problem” in den 1950er Jahren bei höheren E
• Schwache Wechselwirkung durch schweres Austauschteilchen übertragen
Wahrscheinlichkeit
oberhalb 300 GeVbekannt)
> 100% (!)
bereits als Austauschteilchen
• (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
20
Elektroschwache
Elektro-magnetische
und Wechselwirkung
schwache Wechselwirkung zeigen
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
Kraft!der gleichen
•Elektro-magnetische
schwache
WW sind zwei Aspekte
“elektroschwachen” Wechselwirkung
•
Sowohl
Quarks
als auch Leptonen
besitzen
eine
“schwache”
Ladung
Neue
„schwache“
Ladung:
tragen
Quarks
& Leptonen
n
p
W
Zu dieser Zeit noch
Unbeobachtet
Z0
ungeladen,
“neutraler“ Strom
elektrisch geladen
e
e
e
2 geladene schwere Austauschteichen: W+, W-
•
Z erhalten ihre
Masse durch das Higgs-Feld
neutrale
Austauschteilchen:
γ (masselos), Z0 (massiv)
•W2und
2 neutrale
Austauschteilchen:
(masselos),
2 geladene
Austauschteilchen:
WZ+0,(schwer)
W- (massiv)
dung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 13
21
e Ähnlichkeiten
Elektroschwache Wechselwirkung
reinigung der elektro-magnetischen und der schwachen
echselwirkung durch Glashow, Salam, Weinberg 1968
• Vereinheitlichung zur Elektroschwachen Kraft!
Elektro-magnetische und schwache WW sind zwei Aspekte der gleichen
Glashow, Salam,
Weinberg: 1968
“elektroschwachen” Wechselwirkung
• Neue „schwache“ Ladung: tragen Quarks & Leptonen
Sowohl Quarks als auch Leptonen besitzen eine “schwache” Ladung
n
p
W
Zu dieser Zeit noch
Unbeobachtet
Z0
ungeladen,
“neutraler“ Strom
elektrisch geladen
e
e
schwache Hyperladung (Verbindung zur el. Ladung)
e
2 geladene schwere Austauschteichen: W+, W-
• Zu diesem Ansatz gehört eine neue Symmetrie ( SU(2) X U(1) )
2 neutrale Austauschteilchen:
(masselos), Z0 (schwer)
• Symmetrie nur bei großen Energien realisiert:
• Wechselwirkungen haben gleiche Stärke!
W und Z erhalten ihre Masse durch das Higgs-Feld
CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
• Bei niedrigen Energien:
• Symmetrie „spontan“ gebrochen
schwacher Isospin - verbindet
ν
bei p,n)
Michael Hauschild (CERN), Seite 13
e- & (vgl. Isospin
• W&Z Bosonen erhalten Masse durch Interaktion mit Higgs Feld
• Mehr in Stunde 3
Kristof Schmieden
22
“Neutrale
Ströme”
“Neutrale
Ströme”
Entdeckung des neutralen Stroms
0
CERN: 1973
Hinweis
auf
Z
0 am CERN
• Indirekter Indirekter
Indirekter
Hinweis
aufauf
Existenz
des Zdes
“Neutrale
Ströme”
Hinweis
Existenz
Z0 am1973
CERN
1973
elastischervon
Stoß
eines
Neutrinos
mit einem
ElektronElektron
der Atomhülle
Streuung
Neutrino
an
Elektron
• Elastischeelastischer
Stoß
eines
Neutrinos
mit einem
der Atomhülle
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,
Z0 kein Photonaustausch
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
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 14
Michael Hauschild
23 (CE
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
24
Experimenteller Nachweis
von W & Z WW
Elektroschwache
• SPS Beschleuniger im Kollisions modus:
1983
CERN: 1983
Entdeckung der W und Z Bosonen am CERN (1983)
Kollisionen (SppS)
• Proton - Anti-Proton
Elektroschwache
WW
1983
• Experimente UA1 & UA2
Entdeckung der W und Z Bosonen am CERN (1983)
0
+
pp̄ ! Z + X ! e e + X
W Ereignis im UA-1 Detektor
CarloRubio,
Rubbia,van
Simon
der Meer
dervan
Meer
Hochenergetische Elektronen
W Ereignis im UA-1 Detektor
Kristof Schmieden
Carlo Rubbia, Simon van der Meer
25
Elektroschwache Theorie
• Quarks: u, d, s
• Leptonen:
e µ
νe 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: gleich 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
26
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-
27
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-
27
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
28
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
28
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
[15]
5
(uu)
[15]
„Flavour“ Änderung:
nicht beobachtet!
Kristof Schmieden
29
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
Glashow, Iliopolus,
Maiani: 1970
5
→ GIM Mechanismus
(uu)
Neues Teilchen: „charm“ Quark
[15]
[15]
Kristof Schmieden
30
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
Glashow, Iliopolus,
Maiani: 1970
5
→ GIM Mechanismus
(uu)
Neues Teilchen: „charm“ Quark
[15]
[15]
„Flavour“ Änderung: = 0
Kristof Schmieden
30
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
Glashow, Iliopolus,
Maiani: 1970
5
→ GIM Mechanismus
(uu)
Neues Teilchen: „charm“ Quark
[15]
[15]
„Flavour“ Änderung: = 0
Quantenmechanisch: Interferenz dieser Diagramme
Kristof Schmieden
30
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
EZ schwache WW
✓ 0◆ ✓
d
cos ✓C
=
0
s
sin ✓C
Leptonen
EZ starke WW
Glashow,
Iliopolus,
und
Quarks
Maiani: 1970
◆ ✓Eine◆der meistzitierten Publikationen (Glashow, Iliopo
sin ✓C
d
→ GIM Mechanismus
·
cos ✓C
s
Drehung im ,flavour‘ Raum
Neues Teilchen: „charm“ Quark
Quarks
Leptons
u
c
e-
µ-
d
s
νe
νμ
Die
theoretis
Modell d
(mit z
Quantenmechanisch: Interferenz dieser Diagramme
Kristof Schmieden
31
QCD
Nachweis des charm - Quarks
1974
Die Entdeckung des Charm-Quarks
• Entdeckt durch gezielte Experimente
Richter (Slac) &
Ting (Brookhaven):
November 1974
OVEMBER REVOLUTION (11 November 1974)
• Gleichzeitig von 2 unabhängigen Gruppen
ei Gruppen entdeckten ~ simultan ein neues
chen. 'Psi' am SLAC (Burt Richter) und 'J' at
okhaven (Sam Ting) - wurde dann J/Psi genannt.
1974
QCD
Richter: Ψ
Ting: J
arm-Quarks
November 1974)
multan ein neues
Richter) und 'J' at
e dann J/Psi genannt.
Teilchen wurde J/Ψ genannt!
• Gebundener Zustand aus charm &
anti-charm Quark
• Kann nur über schwache WW
Das J/psi Teilchen lebte ‘sehr lange’ (~10-20
Zerfallen
sec). Es konnte nur über die
elektroschwache Wechselwirkung zerfallen, meist in Zustände mit s-quarks. Seine
lange Lebensdauer erklärt die schmale Resonanzlinie.
hr lange’ (~10-20 sec). Es konnte nur über die
g zerfallen,
meist in Zustände mit s-quarks. Seine
Kristof Schmieden
• langlebig! (10-20 sec)
• => schmale Resonanz
32
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
33
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
33
TEILCHENSPEKTRUM
Und was
ist das jetzt?
Leptons
Gerade
war das
Standard-Modell mit zwei Familien von
eines
3. Leptons
• Entdeckung
Leptonen und Quarks etabliert ...
1975
SLAC: 1975
τ
• Das Tauon:
...da fand man am SLAC ein drittes Lepton!
• Neues, ,schweres‘ Elektron (3500 me)
Ein neues ‘schweres Elektron’ mit M= 3500 me
... und wer hatte das bestellt?
• Dazu muss ein weiteres Neutrino gehören
• Sowie 2 weitere Quarks!
MIT DER NEUEN LOGIK DER LEPTON-QUARK
SYMMETRIE
ein weiteres Neutrino (the ‘tau neutrino’),
und zwei weitere Quarks (‘top’ and ‘bottom’).
Kristof Schmieden
Marty Perl's Logbook
34
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
35
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
35
3 Familien
....
Übergänge
zwischen den Generationen
Cabibbo, Kobayashi, Maskawa:
• Schwache WW:
Schwache Wechselwirkung erlaubt Übergänge
innerhalb und
(Nobelpreis 2008)
innerhalb den
& zwischen
den Familien
• Übergänge zwischen
Generationen
Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Matrix beschreibt die Übergangsstärken
• Essentiell zur Erklärung von ,CP‘ Verletzung:
• Unterschiedliche Behandlung von Materie & Antimaterie durch Physikalische
Gesetze!Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 21
• Erst möglich bei min. 3 Quark Generationen
• Ursprüngliche Anstoß zur Vorhersage einer 3. Generation
Kristof Schmieden
36
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• cross
section
Vakuumfluktuationen
e f
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
37
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
86
88
90
92
94
“leicht” = Zerfälle Z0
Anzahl
der
leichten
müssen
möglich
sein:
Mv < ½ MZNeutrino
•
,Flavour‘
Ecm GeV
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 20
38
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
39
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
39
Was ist noch unklar?
Kristof Schmieden
40
Überschrift
Kristof Schmieden
41
Überschrift
• Text
• Text
• Text
[5]
Kristof Schmieden
42
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
Kristof Schmieden
43