Das Standardmodell der Teilchenphysik und die Entdeckung des J

Johannes-Gutenberg Universität Mainz
Institut für Physik
Seminar zum F-Praktikum
WS 2007/ 2008
Datum: 17.12. 2007
Betreuer: Prof. Dr. Tapprogge
Referent: Volker Zöbel
Das Standardmodell der Teilchenphysik und die Entdeckung des J/ѱ sowie
der Vektorbosonen der schwachen Wechselwirkung
1) Das Standardmodell und Feynmann-Diagramme
Grundkonzept des Standardmodells ist es, die Materie auf wenige Grundbausteine zurückzuführen,
die über vier fundamentale Grundkräfte miteinander wechselwirken. Die Gravitation fällt aus dem
Standardmodell heraus, weil es keine Quantenfeldtheorie1 gibt, die die Gravitation beschreibt.
Wechselwirkung
koppelt an
Austauschteilchen
Masse
(GeV/ c 2 )
Reichweite (m)
relative
Stärke
Gravitation
Masse
? Graviton ?
0
∞
10-38
E.-M.
el. Ladung
Photon
0
∞
1/137
Starke
Farbladung
8 Gluonen
0
10-15
1
Schwache
Schwache
Ladung
W- und ZBosonen
80- 90
10-18
10-5
Bislang sind folgende Elementarteilchen bekannt:
•
•
•
Die Fermionen, die die Grundbausteine der
Materie darstellen, sind Spin-1/2-Teilchen und
lassen sich weiter in Quarks und Leptonen
unterteilen. Es sind bislang drei Generationen
von Fermionen bekannt.
Quarks können im Gegensatz zu
Leptonen nur in gebundenen Zuständen
(Hadronen) vorkommen, und treten mit drei
verschiedenen Farbladungen auf.
Die Bosonen vermitteln die Wechselwirkungen
und haben ganzzahligen Spin.
1 s.u.
1
t
•
•
•
Theoretische Grundlage
des Standardmodells ist die
Quantenfeldtheorie, nach der
x
Felder gequantet sind und durch
Feldquanten beschrieben werden.
Damit bekommt man eine
einheitliche Beschreibung für
Felder und Teilchen, die wiederum
als Wellenfunktionen beschrieben
werden.
Die Feynmann-Diagramme waren
ursprünglich eine Kurzschrift für
Übergangsmatrixelemente in der
Quantenelektrodynamik, sind aber
auch auf andere Quantenfeldtheorien übertragbar und können auch als Veranschaulichung
der Prozesse dienen.
Beispiel (a) zeigt eine Positron-Elektron-Streuung, Beispiel (b) eine Annihilation von
Elektron und Positron. Fermionen werden als durchgezogene Linie symbolisiert (bei
Antiteilchen zeigt der Pfeil der Zeitachse entgegengesetzt), das Photon mit einer
Wellenlinie.
2) Die Entdeckung des J/ѱ- Teilchens (1974)
Das J/ѱ- Teilchen wurde 1974 gleichzeitig von zwei Arbeitsgruppen entdeckt, einmal von
Samuel C.C. Ting am Brookhaven National Laboratory und einmal von Burton Richter am
SLAC.
Die Entdeckung des J/ѱ , das ein Meson aus Charm- Anticharm-Quarks ist, war ein
Meilenstein zur Bestätigung des Quarkmodells und somit des Standardmodells.
•
•
2.1) Der Versuch von C.C. Ting
•
Ting entdeckte das J/ѱ-Teilchen in einem FixedTarget-Versuch, bei dem ein Be-Target mit einem
Protonen-Strahl (E=30 GeV) beschossen wird:
p + Be → J /ψ + X
e+ + e−
•
•
2
Das J/ѱ zerfällt mit τ =10-20 s in ein ElektronPositron-Paar, das dann detektiert werden kann.
Die gemessene invariante Masse des ElektronPositron-Paars entspricht der des zerfallenen J/ѱ:

2
me + e − c 4 = E 2 − p 2 c 2
 
2
2
me + e − c 4 = 2me c 4 + 2 E1 E2 − 2 p1 p2 c 2 cos(θ )
me + e − c 2 = mJ /ψ c 2 = 3,1 GeV
2.2) Das Experiment von Burton Richter
•
Richter entdeckte das J/ѱ in einer Elektron-Positron-Kollision. Dabei können Teilchen
erzeugt werden, deren invariante Masse der Schwerpunktsenergie der kollidierenden
Teilchenstrahlen entspricht:
s = ( p1 + p2 ) 2
 
2
2
= m1 c 4 + m2 c 4 + 2 E1 E2 − p1 p2 c 2
≈ 4 E1 E2 (für E > > mc 2 )
Es läuft der folgende Prozess ab:
•
Der hochenergetische Schwanz im
Diagramm rüht von der Tatsache her, dass
die Elektronen bzw. Positronen auf der
Kreisbahn im Beschleuniger
Synchrotronstrahlung abstrahlen.
Nach der der Entdeckung des J/ѱ wurden
auch weitere angeregte Zustände entdeckt
(z.B das ѱ' bei E=3,68 GeV), deren
Existenz die Hypothese bestätigt, dass das
J/ѱ eine innere Struktur hat.
Ein Besonderheit des J/ѱ ist die extreme
Schmalheit der Resonanz (FWHM=1,3
MeV), was gleichbedeutend mit einer
langen Lebensdauer ist. Dies liegt daran,
dass der bevorzugte Zerfallskanal in die D-Mesonen aus energetischen Gründen verboten ist
(vgl. (a)) aus energetischen Gründen verboten ist.
Stattdessen ist nur der unter (b) dargestellte Zerfall möglich.
•
•
3
e + + e − → γ → qq → Hadronen
•
3) Die Entdeckung der Vektorbosonen der schwachen Wechselwirkung
•
•
•
•
•
•
4
Die Entdeckung der Vektorbosonen der schwachen Wechselwirkung unter der Leitung von
Carlo Rubbia war ein wesentlicher Schritt zur Bestätigung der elektroschwachen Theorie
von Glashow, Salam und Weinberg (1967/68), die die starke und die elektromagnetische
Wechselwirkung als zwei Aspekte einer einzigen Wechselwirkung darstellt.
Die Erzeugung der Vektorbosonen erfolgte über die folgenden Reaktionen:
u + u → Z0
d + u → W−
d + d → Z0
u+ d → W+
Realisiert wurde die Produktion in einer Proton-Antiproton-Kollision. Dazu wurde das SPS
(Superprotonsynchrotron) in einen Proton-Antiprotonkollider umgebaut. ( s = 540GeV )
Zwei Arbeitsgruppen (UA1 und UA2) waren mit dem Nachweis der
Bosonen, der über die folgenden leptonischen Zerfälle geschieht, beschäftigt:
W+ → µ + +ν
µ
(10,5%)
Z0 → µ + + µ
W + → e+ + ν
e
(10,7%)
Z 0 → e+ + e−
−
(3,4%)
(3,7%)
Dabei ist zu bedenken, dass die wechselwirkungsarmen Neutrinos keine Spuren im Detektor
hinterlassen. Der Nachweis der Neutrinos erfolgt über die Energie bzw. Impulsbilanz. Diese
muss für alle am Stoß beteiligten Teilchen Null ergeben. Die fehlende Energie/ Impuls wird
dem Neutrino zugeschrieben.
Es wurden folgende Werte für die Ruhemasse der Bosonen ermittelt. Zum Vergleich werden
rechts die aktuellen Massen angeben:
mw± = (80 ± 5)GeV / c 2
mw± = (80,403 ± 0,029)GeV / c 2
mz 0 = (94 ± 2,5)GeV / c 2
mz 0 = (91,1876 ± 0,0021)GeV / c 2
4 ) Literaturverzeichnis
(1) Aubert, J.J.[u.a.]: „Experimental observation of a heavy particle J“, Physical Review
Letters, Vol. 23, No. 23, 1974, S. 1404-1406
(2) Arnison, G [u.a.] : „Experimental observation of isolated large transverse energy electrons
with associated missing energy at  s =540 GeV“, Physics letters, Vol. 122B No.1, 1983,
S. 103-116
(3) Arnison, G [u.a.] : „Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95
GeV/c² at the CERN SPS collider“, Physics letters, Vol. 126B No.5, 1983, S. 398-410
(4) Augustin, J.-E.[u.a.]: „Discovery of a narrow resonance in e+ e- annihilation“, Physical
Review Letters, Vol. 33 No. 23, 1974, S. 1406-1408
(5) Banner, M.[u.a.]: „Observation of single isolated electrons of high transverse momentum in
events with missing transverse energy at the CERN pp-Collider“Physics letters, Vol. 122B
No.5,6, 1983, S. 476-485
(6) Couglahn, Guy D. [u.a.]: Elementarteilchen eine Einführung für Naturwissenschaftler.
Braunschweig: Vieweg, 1996
(7) Gailllard, Mary K. [u.a]: „The standard model of particle physics“ in: Reviews of Modern
Physics, Vol. 71, No. 2, 1999, S. 96-111
(8) Hilscher, Helmut: Elementare Teilchenphysik, Braunschweig: Vieweg,1996
(9) Povh, Bodgan [u.a.]: Teilchen und Kerne, 7. Aufl., Berlin: Springer, 2005
(10)Richter, Burton: From the Psi to Charm --The Experiments of 1975 and 1976, Nobel
Lecture, 11 December, 1976
(11)Rubbia, Carlo: Experimental observation of the intermediate vector bosons W+, W-- and Z0,
Nobel Lecture, 8 December, 1984
(12)Ting, Samuel C.C.: The Discovery of the J Particle – A personal Recollection, Nobel
Lecture, 11 December, 1976
5