Die Entdeckung des X(3872) an Belle

Die Entdeckung des
X(3872) an Belle
Seminarvortrag:
Aktuelle Fragestellung der subatomaren Physik
Im WS 2010/11
25. Januar 2011
Svende Braun
Betreuer: Sören Lange
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen
Das Standardmodell
Mesonen
Gluonen
Confinement
Parität
Ladungskonjugation
Charmonium
Vergleich mit Positronium
Charmonium Spektroskopie
Das BELLE-Experiment
Das X(3872) Teilchen
Schlussfolgerung
Das Standardmodell
α ∝
Austauschteilchen der
fundamentalen
Wechselwirkungen
Wechselwirkung
Kopplungskonstanten
elektromagnetische
schwache
starke
gravitative
Mesonen
Quark und Antiquark
Bosonen
Valenzquarks
definieren Quantenzahl
See-Quarks:
Fluktuationen von Quark- Antiquarkpaaren durch Gluonen, ständig
erzeugt und anihiliert virtuelle Quarks, bei kleinen Impulsen
aufgrund Unschärferelation
Konstituentenquarks:
in Spektroskopie Valenzquarks effektive Masse zugeordnet,
anschaulich: Quarks und Wolke aus Seequarks und Gluonen
Selbstorganisation: Spin zu ganzzahlig,
Farbe zu farblos
Haben reiches Anregungsspektrum
Gluonen
Austauschteilchen der starken Wechselwirkung
Wechselwirkung von Quarks durch
Gluonenaustausch, Änderung der Farbladung
haben Spin 1
Träger der Farbladung
8 verschiedene Gluonen als Kombination
von Farbe und Antifarbe antisym.
Koppeln an Farbladung
Selbstwechselwirkung
QCD beschreibt starke Wechselwirkung
Confinement
Postulat der QCD:
Alle freien Teilchen sind farbneutral
Quarks und Gluonen können nicht als freie Teilchen existieren
Kraft zwischen Farbladungen wächst mit Abstand und führt zu
unendlich hohem Potential
Weiße Zustände viel günstiger
Es entstehen keine freien Quarks, sondern
Quark-Antiquarkpaare aus dem Vakuum
erzeugen neue Hadronen
Hadronisierung
Parität
• Geändertes Vorzeichen eines polaren Vektors
(Ort r, Impuls p, elektrisches Feld E, Kraft F)
• Nicht geändertes Vorzeichen bei axialen (Pseudo-) Vektoren
(Drehimpulse: Spin S, Bahn (Orbital) L, Magnetfeld B)
Ladungskonjugation
Ladungskonjugation kehrt die Vorzeichen aller Ladungen eines
Teilchens um
• lässt alle weiteren Eigenschaften (Impuls, Spin) unverändert
• zweimaliges Umkehren der Ladung erzeugt wieder das Teilchen
• Beispiele für Ladungskonjugation:
Charmonium J /ψ
Quark- Antiquark Grundzustand von Charm-Quarks
Gleichzeitig entdeckt 1973 an zwei unabhängig voneinander durchgeführten
Experimenten in Stanford und Brookhaven
Masse (GeV
(GeV))
• Erzeugt durch e+e- Kollisionen
Sub-Struktur des J /ψ
Gebundener Zustand von Quark-Antiquark
Analogon: Wasserstoff einfachstes gebundenes System
Vergleich mit Positronium (ähnliche Masse)
Gibt es Anregungszustände?
Masse System: 3-4 GeV/c^2
Masse c-Quark: 1,3-1,7 GeV/c^2
Masse System: 1-2 Mev/c^2
Masse Elektron: 511 keV/c^2
Vergleich von Charmonium und Positronium
n=2
n=1
• Niedrige Zustände haben ähnliche Struktur
• Höhere Zustände unterscheiden sich stark (keine Entartung)
Für kleine Abstände muss Potential von Charmonium coulombartig sein
Kein reines Coulombpotential, linear anwachsend wegen Confinement
Vergleich der Potentiale
Positronium
Elektromagnetische Wechselwirkung
• QED
• Coulomb-Potential
• Kopplungskonstante
Charmonium
Starke Wechselwirkung
• QCD
• Coulomb-Potential + confinement
• Kopplungskonstante
Potential in Gitter QCD
Durch Gitterrechnung veranschaulichen, dass Kraft konstant ist (CM2)
zwischen Feldlinien werden Gluonen ausgetauscht („Flußschlauch“)
Reichweite der starken WW einige fm
Für r >1,35 fm reißt Flußschlauch auseinander, Energie des Farbfeldes
reicht aus um neue Paare zu bilden
Bei angeregten Zuständen wird Flußschlauch dünner ≙ instabiler
Klassisch
≙ Gewicht von 16t
Charmonium Spektroskopie
Zielsetzung:
Überprüfung der Vorhersagen von theoretischen Modellen
Suche nach neuen Zustände
besseres Verständnis der QCD (bei niedrigen Energien)
Wichtige Quantenzahlen:
n: Hauptquantenzahl (n=N+1, N=radiale Knoten)
L: Bahndrehimpuls (bestimmt Orbital)
S: Gesamtspin (0≙Singulett,1≙ Triplett)
J: Gesamtdrehimpuls |L-S| ≤ J ≤ |L+S|
P: Parität
C: Ladungskonjugation
2 Spektroskopische Notationen:
Charmonium Spektroskopie
Spin-Spin-WW
Potentialmodell
Spin-Ortsraum (Tensorterm)
Mit
als Kontaktterm
4 freie Parameter: αS=αS(r), k, mc , σ
Pertubativer Ansatz ( αS<1)
Nur Ein-Gluon-Austausch betrachtet
Schrödinger-Gleichung lösen
Spin-Bahn-WW
Charmonium Spektroskopie
Radiale Dichteverteilung
der S-Zustände mit dem
Potential von Charmonium
Potential für verschiedene
K-Werte
Im Potentialmodell: αS=const.
• eig. abhängig vom Impulsübertrag Q2 und damit
nach Unschärferelation vom Abstand r der Quarks
αS=αS(r)
für kleine Abstände α groß, nicht-pertubativ
Charmonium Thermschema bis n=3, L=4
Elektron-Positron Kollisionen an KEK-B
• Asymmetrischer Elektron-Positron-Collider
Lorentzboost erhöht Lebensdauer
• Umfang 3.016 km
• im Linac auf gewünschte Energien
beschleunigt
• Elektronen im HER bei 8 GeV
• Positronen im LER bei 3.5 GeV
• Innerhalb des BELLE-Detektors zur
Kollision gebracht
• Schwerpunktsenergie 10.58 GeV
• Luminosität
Ziel:
• Verletzung der CP-Symmetrie
• Zerfall von B-Mesonen
Das BELLE-Experiment
Messgrößen: Impuls p, Ladung q, Energie E
anhand Reichweite und WW im Detektor Teilchen bestimmen
Charmonium-Zerfall in Elektronen oder Myonen
Resonanzen
Langlebige Zustände feste Masse und
definierte Quantenzahlen zuordnen Teilchen
Maxima im 1/s Abfall des Wirkungsquerschnittes
Kurzlebige Teilchen nicht direkt im Detektor zu
sehen und dessen Masse als Identifikation zu
messen
über Zerfallsprodukte kurzlebiger Resonanzen
auf diese schließen
bei Vielzahl von Reaktionen invariante Masse
bestimmter Kombination von Zerfallsprodukten
berechnen, eintragen in Histogramm, Resonanz
zu sehen wenn Mutterteilchen existiert
Strahlenergie von 10.58GeV entspricht Y(4S)
Resonanz
Detektorauflösung
exponential tail
auf Grund von Bremsstrahlung
bestimmt durch die Addition der invarianten Masse der Zerfallsprodukte,
sie folgt aus der Energie-Impuls-Beziehung
Reaktion bei BELLE
Experiment bei fester
Strahlenergie
e+
e+
KK
J/ψ
ππ++
B
11 Resonanzen/s
e+
Y(4S)
B
e-
πe-
Die letzten Teilchen
werden in verschiedenen
Detektoren gesehen
und deren 4er-Impuls sowie
die Energie bestimmt
Ein neues Teilchen: das X(3872)
Zuerst gesehen bei Belle
MC
Simulation
beinhaltet
Auflösungsvermögen
der Detektoren und
bekannte Reaktionen
mit Wirkungsquerschnitt
Ein neues Teilchen: das X(3872)
X(3872) als
Mutterteilchen von
angeregtes
Charmonium
Charmonium aus BMesonen Zerfall
Bestätigung durch andere Experimente
In e+e- Kollidern wie BarBar
und Belle
In Proton-Antiproton Kollidern
CDF-II und D0
Eigenschaften des X(3872)
X(3872) bricht Isospin
• ρ0(770) ist Mutterteilchen von π+π• hat Isospin 1
• π+π- kann zu Isospin 0 koppeln
• Charmonium hat Isospin 0
X
J/ψ+ρ0
J/ψ+π+π-
Eigenschaften des X(3872)
weiterer Zerfall:
X
J/ψ
unwahrscheinlicher um Faktor 6
Signal kleiner
Quantenzahlen des X(3872)
• Wegen Zerfall in zwei neutrale Teilchen, die identisch mit ihren Antiteilchen sind
C=+1 (aus Erhaltungssätzen)
Nur diese Zustände kommen nach Standardmodell in Frage:
Was ist das X(3872)?
Nahester Kandidat nach
Potentialmodell
Anhand Winkelverteilungen:
J=1, P=+1 1++ favorisiert
Allerdings: Vergleich mit
Potentialmodell liefert zu
starke Abweichungen
passt nicht ins Potentialmodell
Was ist das X(3872)?
Ist X kein Charmonium Zustand?
Großer Radius
X liegt unterhalb der Schwelle der DD* Paar Produktion
m=3872.5 MeV
Masse des X
negative Bindungsenergie von
–
impliziert Betrachtung als Molekül Interpretation
Ist X ein Meson-Meson-Molekül oder 4 Quark-Zustand?
Charmonium-Spektroskopie zukünftige Projekte
Belle
Weitere
Datenauswertungen
BES 3
e+e--Kollision
Bejing,
China
PANDA
Kollision
GSI Darmstadt
ab 2017
Schlussfolgerungen
Beobachtung neuer angeregter Charmonium
Zustände bei BELLE und anderen Experimenten
X(3872) nicht durch Potentialmodell
vorhergesagt passt nicht in das Modell
Isospinverletzung
Was ist dieser Zustand?
Interpretation nicht trivial!
Neue Experimente (BES-III, PANDA) werden
diese Zustände weiter untersuchen
Quellen
Neue stark-wechselwirkende Teilchen: Ihre Entdeckung und
ihre Überraschenden Eigenschaften, Jens Sören Lange, JLU
Physikalisches Kolloquium 11.Juni 2007
The X, the Y and the Z- New Charmonium and Charmonium-like
States at BELLE, Jens Sören Lange, Seminar KVI Groningen
20.Mai 2008
Untersuchungen zur invarianten Vierteilchenmasse des Zerfalls
, Bachelorarbeit von Matthias Ullrich, SS 2008
Suche nach Charmoniumzuständen mit Proton-Antiproton
Endzuständen im Rahmen des Belle-Experimentes,
Bachelorarbeit von Milan Wagner, September 2010
Vorlesungsskript zur Experimentalphysik 5 Kern- und
Teilchenphysik, Prof. Dr. Michael Düren, WS 2010/2011
http://www-ik.fzk.de/~drexlin/ktp10/ktp_19.pdf
http://www-ik.fzk.de/~drexlin/ktp10/ktp_18.pdf
http://www.physi.uniheidelberg.de/~herrmann/PHYSIK5_WS04/V15H.pdf
http://pauli.uni-muenster.de/tp/fileadmin/lehre/teilchen/ss08/CPT.pdf
Auflösungsvermögen der Detektoren