Strangeness (1943

Kapitel 18
Strangeness (1943-1959)
18.1 Entdeckung der “Strangeness1”
Leprince-Ringuet (1943):
Rochester, Butter (1947):
Anderson, Leighton, Cowan :
Hinweise für die Existenz einer neuen Art von Teilchen durch das
Studium der “Shower” in kosmischen Strahlen. Die entdeckten Teilchen besitzen die folgenden Eigenschaften:
sie sind nicht stabil (d.h. sie zerfallen), elektrisch ungeladen
und geladen, ihre Ruhemassen sind ungefähr gleich 1000
Elektron-Ruhemassen
Diese Teilchen wurden als Kaonen bezeichnet.
1. Seltsamkeit
Teilchenphysik
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Strangeness (1943-1959)
Geladenes Kaon: K+, K–
mK + ≈ 493, 6 MeV
τ ≈ 12 ns
TABLE 1. Hauptzerfällskanäle
cτ ≈ 3, 7 m
des geladenen Kaons
Verzweigungsverh ltnis
des Zerf lls
Zerfall
K + → µ +ν µ
64%
→ π +π 0 (Kπ 2 )
21%
→ π +π +π − (Kπ 3 )
5,6%
→ µ +π 0ν µ (Kµ 3 )
3,2%
→ e +π 0ν e (Ke3 )
4,8%
→ π +π 0π 0
1,73%
Das Kaon besitzt eine relativ lange Lebensdauer (“long-lived”). Vergleich mit dem Zerfall des geladenen Pions:
π + → µ + + νµ
τ ≈ 26 ns
cτ ≈ 7, 8 m
Wegen der langen Lebensdauer spricht man von einem
schwachen Zerfall.
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Teilchenphysik II&III, WS 01/02-SS02, Prof. A. Rubbia
Entdeckung der “Strangeness”
Ungeladene Kaonen: K0S, K0L (“K-short”, “K-long”)
K S0 → π +π − (68, 6%)
τ ≈ 0, 8 × 10 −10 s
cτ ≈ 2, 7 cm
→ π 0π 0 ( 31, 4%)
Das kurzlebige Kaon zerfällt oft in zwei geladene Pionen. In diesem
Fall spricht man von einem “V0”, wegen der charakteristischen Form
der Spuren in Detektoren. Siehe Abb. 1.
Teilchenphysik
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Strangeness (1943-1959)
Figur 1.
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Ein nachgewiesenes V0 in der Blasenkammer von Rochester.
Teilchenphysik II&III, WS 01/02-SS02, Prof. A. Rubbia
Die “Strangeness”-Quantenzahl
Schwerere Teilchen wurden auch entdeckt:
Λ → pπ − (64%)
→ nπ
0
( 36%)
Σ → pπ
0
(52%)
+
mΛ = 1115, 6 MeV
mΣ + = 1189, 4 MeV
cτ ≈ 7, 89 cm
cτ ≈ 2, 4 cm
→ nπ + ( 48%)
18.2 Die “Strangeness”-Quantenzahl
Die Entdeckung dieser neuen Teilchen war eine Überraschung. Deshalb wurden sie als “strange” Teilchen bezeichnet. Die “strange”
Teilchen sind massiv genug, so dass ein schneller Zerfall in leichte
Teilchen möglich ist. Im Gegensatz dazu sind die beobachteten
Lebendauern der “strange” Teilchen lang.
Pais (1952): Vorschlag, dass verschiedene Mechanismus für die
Erzeugung und den Zerfall verantwortlich sind.
Häufige Produktion: starke Wechselwirkung (τ≈10–23 s)
Langsamer Zerfall: schwache Wechselwirkung (τ≈10–9 s)
Gell-Mann, Nishijima (1953): Teilchen besitzen eine neue additive
Quantenzahl: S=strangeness (wie Ladung, Isospin, usw...)
Antiteilchen besitzen entsprechend –S
Beobachtung: die “strange” Teilchen werden in starken
Wechselwirkungen immer in Paaren erzeugt.
Daraus folgt die Regel der Erhaltung und Verletzung der “Strangeness”-Quantenzahl:
S wird in elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen
erhalten
Teilchenphysik
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Strangeness (1943-1959)
S wird in schwachen Wechselwirkungen nicht erhalten.
Produktion von Strangeness:
S
π − p → K +Σ −
0 + 0 = +1 ± 1
π − p → K 0Σ 0
0 + 0 = +1 ± 1
π − p → K 0Λ
0 + 0 = +1 ± 1
Damit haben wir die folgenden Quantenzahlen den Teilchen zugeordnet:
π , p, n
S=0
K +,K 0
S = +1
K − , K 0 , Λ, Σ + , Σ − , Σ 0
S = −1
(Beachte: Σ– ist nicht das Antiteilchen des Σ+)
Verbotene Prozesse (wegen S-Erhaltung)
S
+ −
π−p →
/ π Σ
0 + 0 ≠ 0 ±1
0 0
π−p →
/ π Σ
0 + 0 ≠ 0 ±1
− +
π−p →
/ K Σ
0 + 0 ≠ ±1 ± 1 = −2
Zerfälle: durch schwache Wechselwirkung, d.h. S wird nicht erhalten:
S
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Λ → pπ −
−1≠ 0 + 0
Σ + → pπ 0
−1 ≠ 0 + 0
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Σ + → nπ +
−1 ≠ 0 + 0