Kerne und Teilchen

Kerne und Teilchen
Moderne Physik III
Vorlesung # 21
8. Moderne Elementarteilchen-Physik
8.1 Phänomene der Schwachen Wechselwirkung
a) Klassifikation schwacher Prozesse
b) Elektroschwache Vereinigung
c) Schwache Wechselwirkung von Quarks
d) CP-Verletzung
e) Neutrinophysik
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
8.2 Fundamentale Entdeckungen: W/Z-Bosonen, Top-Quarks,
Higgs-Bosonen
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Wiederholung: Elektroschwache Vereinigung
Austauschfelder (Eichfelder):
(W+, W0, W-):
Triplet des schwachen Isospins
Koppelt nur an linkshändige Fermionen (rechtsh. Antifermionen)
Kopplungsstärke g
B0: Singulett des schwachen Isospins
Koppelt an schwache Hyperladung (analog zum Photon
bzgl. El. Ladung)
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Kopplungsstärke g‘
Physikalische Austauschbosonen γ und Z sind Gemische
von W0 und B0:
⎛ γ ⎞ ⎛ cos θW
⎜ 0 ⎟=⎜
⎜ Z ⎟ ⎜⎝ − sin θW
⎝
⎠
0
sin θW ⎞ ⎛⎜ B
⎟⎟ ⋅
cos θW ⎠ ⎜ W 0
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
Weinbergwinkel θW:
g
g‘‘ = g . tan θW
e = g · sin θW
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CKM-Matrix, GIM Mechanismus
3
Cabbibo-Kobayashi-Maskawa-Matrix
| Vik |2 = 1
- unitäre 3 × 3 Matrix (Universalität des CC)
k =1
i.a. 3 Winkel, 6 Quark-Phasen
- 3 reelle Winkel θ12, θ13, θ23
⎛ d´ ⎞
⎛ Vud Vus Vub ⎞ ⎛ d ⎞
⎟
⎜
⎟ ⎜ ⎟
⎜
beschreiben Quarkmischung
⎜ s´ ⎟ = ⎜ Vcd Vcs Vcb ⎟ ⋅ ⎜ s ⎟
- 1 imaginäre (CP)-Phase
⎜ b´ ⎟
⎟ ⎜ b ⎟
⎜V
V
V
beschreibt CP-Verletzung
ts
tb ⎠ ⎝
⎠L
⎠ L ⎝ td
⎝
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
(alle weiteren Phasen können
in Quarkfeldern absorbiert werden)
∑
CKM-Matrix
- alle nicht-diagonalen Elemente klein
- Drehung θij der Massen/Flavourzustände
MassenEigenzustände
FlavourGIM-Mechanismus
Eigen- Einführung schwacher Dubletts (u d´)L (c s´)L zustände
keine FCNC (flavourändernde neutrale Ströme)
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d) CP-Verletzung in der Schwachen W.W.
Kaonen* bilden zwei (Starke) Isospin-Dubletts:
⎛ K+
⎜
⎜ K0
⎝
⎞ ⎛ us ⎞
⎟=⎜
⎟
⎟ ⎜⎝ d s ⎟⎠
⎠
⎛ K−
⎜
⎜ K0
⎝
⎞ ⎛ du s ⎞
⎟=⎜
⎟
⎟ ⎜ ud s ⎟
⎠
⎠ ⎝
Kaon K0
Erzeugung von Kaonen durch die starke Wechselwirkung mit ΔS = 0
Guido -Drexlin, Institut für Experimentelle
Kernphysik
0
_
paarweise Erzeugung → ds + uds
π +p→K +Λ
Zerfall von Kaonen durch die schwache Wechselwirkung mit ΔS = ±1
K0 → π+ + π-
→ 2 π, → 3 π, → π- e+ νe
Kaon-Zerfall
*Kaonen sind pseudoskalare Mesonen mit Strangeness; M(K+, K-) = 493.7 MeV, M(K0, K0) = 497.6 MeV
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Zustände K1 und K2
Interne Parität P von neutralen Kaonen P = -(-1)ℓ, mit ℓ = 0:
P K0 = − K0
P K0 =− K0
Ladungskonjugation C von neutralen Kaonen :
C K0 = − K 0
C K 0 = − K0
Vorzeichen Konvention
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
CP-Eigenschaften von neutralen Kaonen :
CP K
0
= K
0
CP K
0
= K
0
_
K0, K0 keine CP-Eigenzustände
Linearkombinationen K1, K2 von neutralen Kaonen:
1
K1 ≡
2
(K
0
+ K
0
)
K2
1
≡
2
(K
0
− K0
)
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K1, K2 als CP-Eigenzustände:
CP K1 = + K1
CP K 2 = − K 2
_
K0 und K0 Mesonen sind damit orthogonale Superpositionen von K1, K2:
1
( K1 + K 2
K ≡
2
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle
Kernphysik
0
)
Kaon-Oszillationen:
- Starke Wechselwirkung:
K
0
1
( K1 − K 2
≡
2
)
_
erzeugt K0 und K0 mit definierter Masse
CPT-Theorem: m(K0) = m(K0)
- Schwache Wechselwirkung: Übergänge K0 Ù K0
Mischung der beiden neutralen Kaonen
Entstehung der Zustände K1 und K2 mit
unterschiedlichen Massen, Lebensdauern
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Kaon-Oszillationen
Schwache Wechselwirkung: in 2. Ordnung führen die
beiden ´Boxdiagramme´ zu Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen bei Kaonen
mit ΔS = 2 (L. Wolfenstein: alle CP-verletzenden Prozesse involvieren ΔS = 2)
_
K0
_
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchen
K0
Anti-Teilchen
K0
Teilchen
tt-Kanal
-Kanal
ss-Kanal
-Kanal
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Kaon-Zerfälle
Zerfälle von K1 und K2 in Pionen
die Zustände K_1 und K2 haben unterschiedliche:
- Massen (K0 - K0 Oszillationen heben die Massen-Entartung auf)
- CP-Eigenwerte (+1, -1) & damit Zerfallsmoden in Pionen (2 π, 3 π)
- Lebensdauern mit τ(K1) << τ(K2)
CP Zustände von zwei Pionen
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
P π +π − = (− 1) π +π −
l
C π +π − = (− 1)
l+ s
Parität ist multiplikative Größe
π +π −
CP π +π − = +1 π +π −
ebenso
CP π 0π 0 = +1 π 0π 0
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CP Zustände von drei Pionen
CP π 0π 0π 0 = −1 π 0π 0π 0
CP π 0π +π − = −1l +1 π 0π +π −
Grundzustand, daher ℓ = 0
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
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Kaon-Zerfälle: KL und KS
bei CP-Erhaltung erwartet man die beiden Zerfallsmoden:
K1 → 2 π
K2 → 3 π
CP Erhaltung verbietet den Zerfall des K2 in 2 Pionen
K2 : durch den kleinen Phasenraum ergibt sich eine große Lebensdauer
τL = (51.54 ± 0.44) ns (KL = KLong)
K : durch den großen Phasenraum ergibt sich eine kurze Lebensdauer
Guido1Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
τS = (89.53 ± 0.06) ps (KS = KShort) Zerfallsmodus
Branching ratio
bei CP-Erhaltung gelten die Relationen
K2 = KL
K1 = KS
die CP Eigenzustände K1, K2 sind
nur bei vollständiger CP-Erhaltung
identisch mit den Eigenzuständen
KS, KL der schwachen Wechselwirkung
K1 → π + π K1 → π 0 π 0
K2 → π 0 π 0 π 0
K2 → π + π - π 0
K2 → π+ e- νe
K 2 → π + µ- ν µ
69 %
31 %
21 %
13 %
39 %
27 %
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Nachweis der CP-Verletzung
1964: am Brookhaven National Laboratory (BNL) weisen Cronin & Fitch
CP-Verletzung im System der neutralen Kaonen nach
- K0 Mesonen Erzeugung : Beschuss eines Be-Targets mit 30 GeVProtonen aus dem AGS, am Experiment (d = 20 m) nur noch KL
- π+ und π- Impulse: magnetische Spektrometer mit Funkenkammern
- Resultat: neben dem dominanten KL → 3 π Zerfallsmodus beobachtet
eine
kleine Rate an KL → 2 π Ereignissen R = (2.3 ± 0.4) × 10-3
Guido Drexlin, Institut fürman
Experimentelle
Kernphysik
CP Symmetrie ist verletzt
Szintillator
Magnet
Kollimator
Nobelpreis
1980
Funkenkammern
KL
Helium-Behälter
James W. Cronin Val L. Fitch
Magnet
Szintillator
Wasser-Cerenkov
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CP-Verletzung erfolgt über zwei unterschiedliche Prozesse:
Indirekte CP-Verletzung
CP-Verletzung
Indirekte CP-Verletzung entsteht durch
durch die Mischung von K1 und K2,
d.h. der Zerfall K2 → 2 π resultiert durch
die kleine Beimischung von K1 zu K2 :
K2
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
KS ≡
KL ≡
1
1+ | ε |2
1
1+ | ε |
2
(K
1
+ ε ⋅ K2
(ε ⋅ K
1
K1
+ K2
)
)
K1
K2
K2
Kaon-Mischung
ε
K1
indirekte CP-Verletzung
ε = 2.23 × 10-3
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Direkte CP-Verletzung
CP-Verletzung
- CP-Verletzung erfolgt in diesem Falle
direkt am Zerfallsvertex K2 → 2 π
Direkte CP-Verletzung
Feynman-Diagramm: elektroschwacher ´Pinguin´
ε´ ~ 10-6
- Die direkte CP-Verletzung ist nochmals
wesentlich schwächer als die indirekte
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
CP-Verletzung durch die Oszillationen
_
W
_
d
___
s
u,c,t
γ, g, Z0
K0
d
u
π+
_
u
d
π-
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Konsequenz:
Definition von Materie/Antimaterie
Der Zerfall
kommt 0,3% häufiger vor als
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Konvention:
Das im Zerfall der langlebigen Kaonen seltener
vorkommende Lepton ist
• Materie
• Elektrisch negativ geladen
• Das assoziierte Neutrino ist rechtshändig
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Oszillation von B0 Mesonen
- Die Verletzung der CP-Symmetrie wurde in den letzen Jahren auch im
System der neutralen B0-Mesonen beobachtet (B-Fabriken am KEK, SLAC)
- Die CP-verletzenden Effekte sind wesentlich größer
Direkte CP
BaBar
d
d_ K0
s
B0
_
W
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle
c_ Kernphysik
b
J/ψ
c
CP durch Mischung
t
c_
J/ψ
b
d
c
W
B0
W
W _
_
s_
0
_
d
b
K
d
t
B0-Oszillationen
_
d
_
W
W
b
b
d
B0
B0
_
Zeit t
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CP-Verletzung & Materie/Antimaterie
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Annihilation
_
pp→γ+γ
10--44
t < 10 s:
Materie
-Antimaterie
Materie-Antimaterie
Intensität [10-11 J cm-2 sr-1 s-1/ cm-1]
Vernichtung von Materie – Antimaterie bei t ~ 0.1 ms ª Erzeugung der CMB
BBN: Baryon-Photon-Verhältnis η ~ 10-9
hier:
kein thermisches Gleichgewicht
sonst wärer η ~ 10-18 !
1.2
CMB heute
Cosmic Microwave
Background
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
5
10
15
Wellenzahl
20
[cm-1]
t > 10--44 s:
nur Materie
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Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
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e) Neutrinophysik
Untersuchung der ν-Eigenschaften (Mischung, CP) mit intensiven ν-Quellen:
genau bekannte ν-Energien & Flavour-Zusammensetzungen erforderlich
Terrestrische ν−Quellen
Kernreaktoren (ß-Zerfall von Spaltprodukten)
Spallationsquellen (π+ - µ+ Zerfallskette in Ruhe)
Beschleuniger (π+-Zerfall im Fluge)
Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
+Guido
neue
Konzepte für ν-Strahlen: „ß-beams“
CERN-Gran Sasso
ν−Energien
1 – 5 MeV
bis 50 MeV
bis 200 GeV
CHOOZ: Reaktorneutrinos
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Beschleuniger-Neutrinoexperimente
Erzeugung hochenergetischer Neutrinostrahlen am Beispiel des CNGS:
400 GeV Protonen aus dem SPS treffen auf leichtes Be-Target:
_
1. Target: Erzeugung von Pionen (π±, π0) & Kaonen (K± , K0, K0)
2. Magnetisches Horn: Fokussierung & Ladungsselektion der Mesonen
3. Zerfallstunnel: Pionzerfall π+ → µ+ + νµ in einem evakuiertem Tunnel
4. Abschirmung: Absorption von Myonen und Hadronen, Instrumentierung
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
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AGS-Experiment – das zweite Neutrino νµ
1962: L.M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger: erster experim. Nachweis,
dass νµ ≠ νe (Identität der Neutrinos aus dem Pionzerfall)
π+ → µ+ + ν
p
ν = νµ oder νe
amline
e
b
S
G
A
Stahl
ν
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Beton
Versuchsanordnung am BNL
experimentelle Resultate
34 Ereignisse:
29 Myonen (d.h. νµ - CC)
5 kosm. Strahlung
ª π + → µ+ + ν µ
Paraffin
ν
Nobelpreis 1988
µ
10 t Al-Funkenkammer
Leon M.
Jack
Melvin
Lederman Steinberger Schwartz
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DONUT-Experiment – das dritte Neutrino ντ
2000 : erster experimenteller Nachweis des ντ durch das DONUT Experiment
(Direct Observation of NU Tau) am Fermilab (Chicago)
Experiment: 800 GeV Protonen_ treffen auf ein Wolfram-Target
ª DS-Mesonen (cs) Zerfall ª ντ mit Eν = 50 GeV
ª Suche nach CC-ντ-Wechselwirkungen an Stahlplatten
4 Ereignisse mit der Topologie eines ντ identifiziert: τ-kink
τ-Lebensdauer: τ = 3 × 10-13 s, Reichweite cτ = einige mm
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Resultate:
DONUT Experiment am Fermilab
o
Hadr
ne n
τDONUT
100 µm Film-Emulsion + 1mm Stahl
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Reaktor-Neutrinos
Kernreaktoren = stärkste terrestrische ν−Quellen (isotroper Fluss Φν ~ 1 / r2)
Neutrinos aus ß-Zerfällen neutronen-reicher Spaltprodukte
235U, 238U, 239Pu, 241Pu
- Spaltisotope
aus
Kernspaltung
von
_
- ca. 6 νe pro Spaltung mit ‹ Eν › ~ 1 MeV
Isotop Energie [MeV]
n + 238U → 239U → 239Np → 239Pu (t½ = 24 100 J)
235U
201.7 ± 0.6
n + 239Pu → 240Pu + n
→ 241Pu (t½ = 14.1 J)
238 U
205.0 ± 0.9
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
- pro Spaltung werden ~200 MeV Energie freigesetzt 239
Pu
210.0 ± 0.9
- ν-Rate Rν aus einem Ptherm = 8.4 GW Reaktor:
241Pu
212.4 ± 1.0
9
12
6 ⋅ Pth
6 × 8.4 ⋅10 × 6.24 ⋅10
=
ν e / s = 1.5 ⋅1021 ν e / s 1 MeV = 1.602 · 10-13 Ws
Rν =
204MeV
204
1 W = 6.24 · 1012 MeV/s
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Reaktor-Neutrinos: Energiespektren
theoretisch berechnete ν−Energiespektren für unterschiedliche Spaltprodukte
- gewichtet mit der Häufigkeit im Reaktorkern ( ª zeitabhängige Anteile ! )
- Normierung auf gemessene thermische Reaktor-Leistung Pth
nachgewiesene Antineutrinos: Faltung mit energieabhängigem Wq.
_
- Anwachsen mit der Energie: σ(Eν) ~ (Eν – Q)2
ν + p → n + e+
ν-Fluss [rel. Einheiten]
e
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Summe
235U
239Pu
238U
241Pu
Neutrino-Energie [MeV]
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Neutrinoquellen – astrophysikalisch
Erzeugung von astrophysikal. Neutrinos mit Energien von 10-6 eV bis 1020 eV
Energien
Erzeugungsastrophysikalische ν−Quellen
_
Reaktionen
+
Urknall (thermisch, Tν = 1.9 K)
einige µeV e + e → νe,µ,τ + νe,µ,τ
Sonne (Kernfusion, pp, 7Be, 8B)
< 15 MeV 4 p + 2 e- → 4He + 2 νe
_
+
Supernova (thermisch, Protoneutronstern) < 50 MeV e + e → νe,µ,τ + νe,µ,τ
(_)
(_)
(_)
Atmosphäre (kosmische Strahlung)
< 104 GeV π± → νµ + µ± → e± + νµ + νe
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
_
kosmische Beschleuniger (µ-Quasare,
< 1010 GeV π± → µ± +(ν)µ
AGN)
solare ν´s
νe
SN-ν´s
νe νµ ν τ
AGN-ν´s
νµ
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