Teilchenphysik

Teilchenphysik
Lehrerprogramm - Oktober 2017
Teil II
European Organisation for Nuclear Research
„Magic is not happening at CERN, magic is explained at CERN“ - Tom Hanks
Kristof Schmieden
EP Department
[email protected]
Fragen von letzter
Stunde
Kristof Schmieden
2
Victor Hess
• Beobachtungen der „durchdringenden Strahlung“ in
1912
Abhängigkeit der Höhe bei Ballonfahrten
• Instrument: „Wulfscher Strahlungsapparat“
• Ionisationskammer mit Elektrostatischer auslese => Ionen / Volumen / Zeit
• Zunahme der Ionisationsrate bei großen Höhen (>3000m)
• Erklärung: Natürliche Strahlung hat 3 Komponenten:
• Radioaktive Zerfälle in der Erdkruste
• Radioaktive Zerfälle in der Atmosphäre
• Quelle außerhalb der Erde, die nicht von der Sonne komme
• Bekannt zu dieser Zeit:
• α,β,γ Strahlung & Röntgen Strahlung
• Elektron / Elementarladung / Rutherford-Atommodell
• (seit 1-2 Jahren)
(gerade entwickelt)
• Muon noch unbekannt
Kristof Schmieden
3
Interpretationen der Quanten Theorie
• Praktische Verwendung in der Teilchenphysik: Kopenhagener Deutung
• Quadrat der Wellenfunktion = Aufenthaltswahrscheinlichkeit
• Messproblem:
• Jeder Messapparat ist auch ein Quantensystem und interagiert = ändert den
Zustand des zu beobachten Quanten systems
• Widerspruch zwischen Deterministischer Zeitlicher Systementwicklung und
indeterministischen Messergebnissen
• Kopenhagener Deutung in der Philosophie abgeschrieben
• Heutige Interpretationen:
• Viele Welten Theorie:
• Alle möglichen Messausgänge sind realisiert in parallelen Welten
• De-Broglie-Bohm-Theorie (bohmsche Mechanik):
• Teilchenzustand beschrieben durch exaktem Ort & Wellenfunktion. In
orthodoxer QM ist Position verborgene Variable
• Dynamik ist deterministisch
• Anfangszustand nicht exakt bestimmbar => Indeterministischer Charakter
von Quantenphänomenen
• Mathematisch weit ausgearbeitet
Kristof Schmieden
https://de.wikipedia.org/wiki/Interpretationen_der_Quantenmechanik
4
Quantenmechanik & Relativitätstheorie
• Relativistische Energie - Impuls Beziehung
• mehr als 1 Lösung: +m, -m, +p, -p
• Bedeutung von neg. Ruheenergie?
Kristof Schmieden
E=
q
m20 c4 + p2 c2
5
Quantenmechanik & Relativitätstheorie
• Relativistische Energie - Impuls Beziehung
E=
• mehr als 1 Lösung: +m, -m, +p, -p
• Bedeutung von neg. Ruheenergie?
q
m20 c4 + p2 c2
• Kombination von nicht-relativistischer Wellengleichung mit Relativitätstheorie:
Dirac Gleichung:
2
e
6e
=6
4 e+
e+
Kristof Schmieden
3
"
#7
7
"5
#
(i
µ
@µ
m)
=0
Dirac: 1928
Erklärung des Spin 1/2
→ Pauli Prinzip 1940
Vorhersage von Anti-Teilchen
5
Zustände mit negativer Energie
• Historisch: Dirac See
• Unendlich viele Teilchen neg. Energie besetzten ALLE
Zustände negativer Energie
• Teilchen mit negativer Energie = Loch im Dirac See
• Analog: Halbleiter
Kristof Schmieden
6
Zustände mit negativer Energie
• Historisch: Dirac See
• Unendlich viele Teilchen neg. Energie besetzten ALLE
Zustände negativer Energie
• Teilchen mit negativer Energie = Loch im Dirac See
• Analog: Halbleiter
Kristof Schmieden
6
Zustände mit negativer Energie
• Historisch: Dirac See
• Unendlich viele Teilchen neg. Energie besetzten ALLE
Zustände negativer Energie
• Teilchen mit negativer Energie = Loch im Dirac See
• Analog: Halbleiter
• Neuinterpretation in Quanten-feld-theorie
• Antiteilchen werden wie reale Teilchen
nicht wie unbesetzte Zustände behandelt
• Erzeugung von Teilchen => Energie erhöht => E > 0
• Vernichtung von Teilchen => Energie erniedrigt => E < 0
== Erzeugung von Anti-teilchen
Kristof Schmieden
6
weiter mit
elementar-Teilchen
Kristof Schmieden
7
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
8
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 in Umwandlung erhalten!
Kristof Schmieden
Resonanz = ‘Peak’ im invarianten Massen-Spektrum von zwei oder
d
9
Intermezzo - Statistik & Teilchenphysik
Kristof Schmieden
10
Intermezzo - Statistik & Teilchenphysik
Kristof Schmieden
10
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), ...
11
Hadron - Multiplets
• Suche Nach Strukturen:
Spin = 1/2
Kristof Schmieden
Spin = 3/2
12
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
13
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
14
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
14
Quanten Chromo Dynamik
• Quarks haben zusätzliche Eigenschaft (auch Quantenzahl / Ladung gennant):
• Farbe - 3 Zustände nötig um Multiplets zu erklären (rot, grün, blau)
• Vektorieller Charakter
• Farbe = Ladung der ,starken‘ (Kern-) Wechselwirkung
• Botenteilchen: Gluon
(masselos)
• Ändern Farbladung der Quarks
besitzen selbst Farbe (und Anti-Farbe)
• Dogma der QCD:
• Es existieren nur Farbneutrale Objekte
• Farbe + Antifarbe (Mesonen)
• rot + grün + blau (Baryonen)
Kristof Schmieden
15
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen besitzen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
Anwachsen des Potentials bei großen Abständen
• Potential:
n (Hadronisierung)
al
4 ↵sef f
V (r) =
+ kr nimmt ab bei kleinen Abständen (= hohen
Stärke der Wechselwirkung
3 Kopplungsstärken
r
Energien),
sind energieabhängig
Quarks lassen sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
gemessenes „running“
s
der starken Wechselwirkung
k ≈ 1 GeV/fm
q⎯q Abstand
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
[12]
[16]
Kristof Schmieden
16
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen besitzen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
‚eff‘ - Effektiv:
Anwachsen des Potentials bei Kopplung
großen Abständen
• Potential:
n (Hadronisierung)
al
abhängig von r
ef
f
Quarks
4lassen
↵s sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
V (r) =
+ kr nimmt ab bei kleinen Abständen (= hohen
Stärke der Wechselwirkung
3 Kopplungsstärken
r
Energien),
sind energieabhängig
gemessenes „running“
s
der starken Wechselwirkung
k ≈ 1 GeV/fm
q⎯q Abstand
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
[12]
[16]
Kristof Schmieden
16
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen besitzen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
‚eff‘ - Effektiv:
Anwachsen des Potentials bei Kopplung
großen Abständen
• Potential:
n (Hadronisierung)
al
abhängig von r
ef
f
Quarks
4lassen
↵s sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
V (r) =
+ kr nimmt ab bei kleinen Abständen (= hohen
Stärke der Wechselwirkung
3 Kopplungsstärken
r
Energien),
sind energieabhängig
gemessenes „running“
s
der starken Wechselwirkung
• große Abstände
• Potentielle Energie zwischen zwei
k ≈ 1 GeV/fm
q⎯q Abstand
quarks nimmt linear mit Abstand zu!
~1 GeV pro fm
• ,Confinement‘
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
[12]
[16]
Kristof Schmieden
16
Gluonen - verflixter Kleber
Selbstwechselwirkung
• Gluonen besitzen Farbe → können mit sich selbst Wechselwirken
Konsequenz der Farbladung der Gluonen
Gluon – Gluon
Selbstwechselwirkung
zur QED
• Fundamentaler Unterschied
‚eff‘ - Effektiv:
Anwachsen des Potentials bei Kopplung
großen Abständen
• Potential:
n (Hadronisierung)
al
abhängig von r
ef
f
Quarks
4lassen
↵s sich nicht voneinander trennen, es gibt keine freien Quarks
V (r) =
+ kr nimmt ab bei kleinen Abständen (= hohen
Stärke der Wechselwirkung
3 Kopplungsstärken
r
Energien),
sind energieabhängig
gemessenes „running“
s
der starken Wechselwirkung
• große Abstände
• Potentielle Energie zwischen zwei
k ≈ 1 GeV/fm
q⎯q Abstand
quarks nimmt linear mit Abstand zu!
~1 GeV pro fm
• ,Confinement‘
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
[12]
[16]
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 7
!
'$()*+,$-./01234$-.3/$53/61234$*60$7849,/:4$/2)30$!"0,*4;30$<;:==3
6,>6:?*)/,2@/0123$A9*6/3)84?B#
16
Intermezzo: Farbe & Andere Ladungen
• Ladungen sind die Quelle von Kräften
Unterrichtsmaterialien Netzwerk Teilchenwelt
Susanne Duehrkoop - Mittwoch Mittag
• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
• Nur Teilchen die passende Ladung besitzen nehmen Teil
Welchselwirking
Elektromagnetismus
Schwache WW
Starke WW
Kristof Schmieden
Ladung
elektrische
schwache
Farbe
Zeichen = Einheit
q = 1 Elektron
I = 1/2
C = rot, grün, blau
17
Intermezzo: Farbe & Andere Ladungen
• Ladungen sind die Quelle von Kräften
Unterrichtsmaterialien Netzwerk Teilchenwelt
Susanne Duehrkoop - Mittwoch Mittag
• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
• Nur Teilchen die passende Ladung besitzen nehmen Teil
Welchselwirking
Ladung
Zeichen
Wie lassen sich nun Wechselwirkungen
im Hinblick
auf= Einheit
die starke Ladung ve
Elektromagnetismus
elektrische
q = 1 Elektron
ton p ( WW ) und ein Neutron
) können
in Wech
Schwache
schwachen (
I = miteinander
1/2
Starke WW
Farbe
C = rot, grün, blau
� auf dem Farbgitter
Abb. 20: Gitterpunkte
der Quarks
𝒒𝒒 und Anti-Quarks 𝒒𝒒
indem beispielsweise das Up-Quark
mit rotem
Farbladungsvektor
des Prot
• Ladungen sind additiv
Down-Quark
mit blauem
Farbladungsvektor
des Neutrons ( ) ausgetau
= summe
der
Proton
Ladungen
• Bsp.: Kernladung
Welche Farbladung besitzen aus Quarks zusammengesetzte Teilchen, z. B. die N
für schwachesiehe
Ladung
• Gleichespaarbindung,
Kapitel
Durch diesen
würde
rein (ode
for
Obwohl
alle 2.2.3).
Quarks Farbladungen
besitzen,Austausch
ist beispielsweise
ein Proton
Farb-Ladung?
• Wie funktioniert das für die Neutron)
farbladungsneutral, d.h. es besitzt keine resultierende Farbladung. Der G
Proton (
) inist,ein
Neutron (
) umgewandelt, und das Neutro
dass jedes Quark des Protons eine andere Farbladung besitzt (z. B. p (
Proton (
andere Kombination 21 aus je einmal rot, einmal grün und einmal blau) und sich
) umgewandelt:
Farb-Ladung
ist einder2D
Farbladungsvektoren
dreiVektor
Quarks zum Nullvektor addieren:
•
p(
) + n(𝐶𝐶⃗
+ 𝐶𝐶⃗
+)
𝐶𝐶⃗
→=n(
+
+
)+
= p( = �⃗
0.
)
An diesem Beispiel
wird deutlich,Neutronen
warum die starke
Ladung
auch als Farbladung
Die bei diesem
Austausch
entstehenden
und
Protonen
wären
Proton:
• Bsp.:
wird. Obwohl der Begriff „Farbe“ hier nichts mit den optischen Farben zu tun ha
Farbvektoren
=0
(weiß)
ladungsneutral,• Summe
denn
siederwären
nicht
aus
drei
Quarks
mitbilden
verschiede
eine hilfreiche
Vorstellung:
Ein rotes,
grünes
und
blaues Quark
zusammen
a)
b)
dungsneutrales,
also „weißes“
Proton – ebenso wie Neutronen
rot, grün und blau
bei
de
Kristof Schmieden
17 Pro
vektoren
zusammengesetzt.
Damit
farbladungsneutrale
und
Abb. 18: Die drei Farbladungsvektoren der Quarks auf dem Farbgitter (links) sowie die drei Anti-Farbladungsvektoren der
Intermezzo: Farbe & Andere Ladungen
• Ladungen sind die Quelle von Kräften
Unterrichtsmaterialien Netzwerk Teilchenwelt
Susanne Duehrkoop - Mittwoch Mittag
• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
• Nur Teilchen die passende Ladung besitzen nehmen Teil
Welchselwirking
Ladung
Zeichen
Wie lassen sich nun Wechselwirkungen
im Hinblick
auf= Einheit
die starke Ladung ve
Elektromagnetismus
elektrische
q = 1 Elektron
ton p ( WW ) und ein Neutron
) können
in Wech
Schwache
schwachen (
I = miteinander
1/2
Starke WW
Farbe
C = rot, grün, blau
� auf dem Farbgitter
Abb. 20: Gitterpunkte
der Quarks
𝒒𝒒 und Anti-Quarks 𝒒𝒒
indem beispielsweise das Up-Quark
mit rotem
Farbladungsvektor
des Prot
• Ladungen sind additiv
Down-Quark
mit blauem
Farbladungsvektor
des Neutrons ( ) ausgetau
= summe
der
Proton
Ladungen
• Bsp.: Kernladung
Welche Farbladung besitzen aus Quarks zusammengesetzte Teilchen, z. B. die N
sind
erhalten
• Ladungen
für schwachesiehe
Ladung
• Gleichespaarbindung,
Kapitel
Durch diesen
würde
rein (ode
for
Obwohl
alle 2.2.3).
Quarks Farbladungen
besitzen,Austausch
ist beispielsweise
ein Proton
In allen Reaktionen
Farb-Ladung?
• Wie funktioniert das für die Neutron)
farbladungsneutral, d.h. es besitzt•keine resultierende Farbladung. Der G
Proton (
) inist,ein
Neutron (
) umgewandelt, und das Neutro
dass jedes Quark des Protons eine andere Farbladung besitzt (z. B. p (
Proton (
andere Kombination 21 aus je einmal rot, einmal grün und einmal blau) und sich
) umgewandelt:
Farb-Ladung
ist einder2D
Farbladungsvektoren
dreiVektor
Quarks zum Nullvektor addieren:
•
p(
) + n(𝐶𝐶⃗
+ 𝐶𝐶⃗
+)
𝐶𝐶⃗
→=n(
+
+
)+
= p( = �⃗
0.
)
An diesem Beispiel
wird deutlich,Neutronen
warum die starke
Ladung
auch als Farbladung
Die bei diesem
Austausch
entstehenden
und
Protonen
wären
Proton:
• Bsp.:
wird. Obwohl der Begriff „Farbe“ hier nichts mit den optischen Farben zu tun ha
Farbvektoren
=0
(weiß)
ladungsneutral,• Summe
denn
siederwären
nicht
aus
drei
Quarks
mitbilden
verschiede
eine hilfreiche
Vorstellung:
Ein rotes,
grünes
und
blaues Quark
zusammen
a)
b)
dungsneutrales,
also „weißes“
Proton – ebenso wie Neutronen
rot, grün und blau
bei
de
Kristof Schmieden
17 Pro
vektoren
zusammengesetzt.
Damit
farbladungsneutrale
und
Abb. 18: Die drei Farbladungsvektoren der Quarks auf dem Farbgitter (links) sowie die drei Anti-Farbladungsvektoren der
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
18
rules are briefly discussed.
0.2 GeV
'
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
Quarks
for = 10', is Kendall,
included. The q' desectionFriedmann,
of high-energy
inelastic electron-procross
Elektron-Streuung
am
Proton
ogy study
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
forAccelerator
dence of the inelastic crossStanford
Linear
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
Messung--> es gibt drei ‘harte’ (punktförmige) Streuzentren im Proton
des dependence
StreuungFig.
an1.
O
we have plotted the differential cross section diProton Radius
Konstituenten
~b IO -P.
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 1reinvariant von
mass
of und
the Anwesenheit
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
-15
of
the
IO
electron,
E
the
is
energy
= qcm, Anstelle des
Streuwinkels
10
20 GeV
Q SC&TTER~NG
E' is the energy of the final electron, and 0 is
in the laboraall defined
the scattering
angle, 2
2 2
2
2 2
E + mtory
= M( is p~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
(d
Kristof Schmieden
IO
e'
dG
Mott
cos'p(9
4E Sin 2
10'
I
0
I
2
I
5
4
q2 (GeV/c)
Formfaktor F
each
5
ll
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 18
FIG.
in order to remove the major part of the wellknown four -momentum transfer dependence arising from the photon propagator. Results from
6'
—
1.
Entdeckung des Gluons
QCD
• Erzeugung von Quark - Antiquark Paaren
„jet“ durch
Gluonstrahlung
• 3ter
Entdeckung
der Gluonen
(DESY, 1979)
1979 Desy
(Petra): 1979
• Bestimmung der Kopplungskonstanten:
# 3 jet events
↵s ⇠
# 2 jet events
Nachweis des Gluons 1979
PETRA e+e- collider am DESY/Hamburg
Erzeugung von Quark – Antiquark Paaren (2 Jets)
• Experimente am Petra e+e- Beschleuniger am DESY
Abstrahlung eines Gluons erzeugt 3. Jet
PETRA Storage Ring,
1979, DESY Pluto,
(Hamburg) Mark-J, JADE
TASSO,
• Experimente
3-jet event
jet
e+
[JADE Detektor]
s
jet
eKristof Schmieden
jet
19
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
20
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Wechselwirkungen
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
21
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Wechselwirkungen
• Bosonen (S=1)
Neutrinos bisher vernachlässigt
Kristof Schmieden
21
Schwache
Wechselwirkung
Kristof Schmieden
22
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
23
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
24
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
24
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
25
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+
eν
Berechnung von β - Zerfällen & Wechselwirkungswahscheinlichkeiten
möglich
Kristof Schmieden
25
“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)
Stärke GF ~ 10-5 relativ
zur(G
elektro-magnetischen
WW
für p +ν~
• Streuquerschnitt
F E ν) n
• Verletzt
Unitarität
für E > 300(Proton-Neutron
GeV (Wahrscheinlichkeit
> 1)
Analogie zu
zwei Teilchen”strömen”
/ ElektronNeutrino)
p
Felder
1934 - 1948
Glashow: 1958
e
Quanten-Elektrodynamik
“Problem” in den 1950er Jahren bei höheren E
• Lösungsansatz:
Wechselwirkung durch schweres Botenteilchen übertragen
• Schwache
Wahrscheinlichkeit
oberhalb 300bekannt)
GeV > 100% (!)
bereits als Botenteilchen
• (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
26
Elektro-magnetische
und Wechselwirkung
schwache Wechselwirkung zeigen
Elektroschwache
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
Wechselwirkung!
•Elektro-magnetische
schwache
WW sind zwei Aspekte
der gleichen
“elektroschwachen” Wechselwirkung
•
Sowohl
Quarks
als auch Leptonen
besitzen
eine “schwache”
Neue
„schwache“
Ladung:
besitzen
Quarks & Ladung
Leptonen
n
p
W
Zu dieser Zeit noch
Unbeobachtet
Z0
ungeladen,
“neutraler“ Strom
elektrisch geladen
e
e
e
2 geladene schwere Austauschteichen: W+, W-
(massiv)
•
Z erhalten ihre
Masse durch das Higgs-Feld
neutrale
Austauschteilchen:
γ (masselos), Z0 (massiv)
•W2und
+, W2 neutrale
Austauschteilchen:
(masselos), Z0W
(schwer)
2 el. geladene
Austauschteilchen:
dung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 13
27
e Ähnlichkeiten
Elektroschwache Wechselwirkung
reinigung der elektro-magnetischen und der schwachen
echselwirkung durch Glashow, Salam, Weinberg 1968
• Vereinheitlichung zur Elektroschwachen Wechselwirkung!
Elektro-magnetische und schwache WW sind zwei Aspekte der gleichen
Glashow, Salam,
Weinberg: 1968
“elektroschwachen” Wechselwirkung
• Neue „schwache“ Ladung: besitzen 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
28
“Neutrale
Ströme”
“Neutrale
Ströme”
Entdeckung des neutralen Stroms
0
CERN: 1973
0 am CERN
Hinweis
auf
Z
• Indirekter Indirekter
“Neutrale
Ströme”
Indirekter
Hinweis
aufauf
Existenz
des Zdes
Hinweis
Existenz
Z0 am1973
CERN
1973
elastischervon
Stoß
eines
Neutrinos
mit einem
ElektronElektron
der Atomhülle
Streuung
Neutrino
an
Elektron
Stoß
eines
Neutrinos
mit einem
der Atomhülle
• Elastischeelastischer
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,
kein Photonaustausch
0
Z
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
Kristof Schmieden
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Michael Hauschild (CERN), Seite 14
29 (CE
Michael Hauschild
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
30
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
31
Elektroschwache Theorie
• Quarks: u, d, s
• Leptonen:
e
νe
µ
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
32
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-
33
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-
33
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
34
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
34
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
35
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
5
Glashow, Iliopolus,
Maiani: 1970
→ GIM Mechanismus
(uu)
Neues Teilchen: „charm“ Quark
[15]
[15]
Kristof Schmieden
36
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
5
Glashow, Iliopolus,
Maiani: 1970
→ GIM Mechanismus
(uu)
Neues Teilchen: „charm“ Quark
[15]
[15]
„Flavour“ Änderung: = 0
Kristof Schmieden
36
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
• Neutrale ströme (Z0) - keine flavour Änderung beobachtet
(us)
+
(ud)
+
K ! ⇡ + ⌫ + ⌫¯
 10
+
0
+
K ! ⇡ + µ + ⌫µ
(us)
5
Glashow, Iliopolus,
Maiani: 1970
→ GIM Mechanismus
(uu)
Neues Teilchen: „charm“ Quark
[15]
[15]
„Flavour“ Änderung: = 0
Quantenmechanisch: Interferenz dieser Diagramme
Kristof Schmieden
36
Weitere Messungen - weitere ,Probleme‘
EZ schwache WW
✓ 0◆ ✓
d
cos ✓C
=
0
s
sin ✓C
Leptonen
EZ starke WW
und
Quarks
Glashow,
Iliopolus,
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
37
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
Zerfallen
Das J/psi Teilchen lebte ‘sehr lange’ (~10-20 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
38
Was wir bisher kennengelernt haben
• Elementare Teilchen
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
39
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
39
TEILCHENSPEKTRUM
Und was ist das jetzt?
ar das Standard-Modell mit zwei Familien von
eines 3. Leptons
• Entdeckung
und
Quarks etabliert
...
1975
SLAC: 1975
• Das Tauon: τ
man am SLAC ein drittes Lepton!
• Neues, ,schweres‘ Elektron (3500 me)
‘schweres Elektron’ mit M= 3500 me
• Dazu muss ein weiteres Neutrino gehören
... und wer hatte das bestellt?
• Sowie 2 weitere Quarks!
R NEUEN LOGIK DER LEPTON-QUARK
SYMMETRIE
eiteres Neutrino (the ‘tau neutrino’),
Kristof Schmieden
ei weitere Quarks (‘top’ and ‘bottom’).
Marty Perl's Logbook
40
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
41
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
41
3 Familien
....
Übergänge
zwischen den Generationen
Cabibbo,
Kobayashi,
• Schwache WW:
Schwache Wechselwirkung erlaubt Übergänge
innerhalb
und Maskawa:
(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
42
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
section
Vakuumfluktuationen
e f
• cross
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
43
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
“leicht” = Zerfälle Z0
Anzahl
der
leichten
müssen
möglich
sein:
Mv < ½ MZ Neutrino
•
86
88
90
92
94
,Flavour‘
Ecm GeV
Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 2
Kristof Schmieden
Michael Hauschild (CERN), Seite 20
44
Das Standardmodell
• Elementare Teilchen
1.
2.
3. Familie / Generation
• Bausteine der Materie
• Fermionen (S=1/2)
• Überträger der Kräfte
• Bosonen (S=1)
Kristof Schmieden
45
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
45
Was ist noch unklar?
Kristof Schmieden
46
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
[16] www.physi.uni-heidelberg.de/~uwer/lectures/PhysikV/Vorlesung/Kapitel-VIIa.pdf
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Frage - haben Bosonen Anti-Teilchen?
• Ja
• Allgemein: Teilchen die keine Ladung haben sind ihre eigenen Anti-teilchen
• Ladungen: Elektrisch, Schwach, Farbe
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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 besitzten 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
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• Text
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