Schwache Wechselwirkung - ikp.uni

Kern- und Teilchenphysik
Einführung in die Teilchenphysik:
• Schwache Wechselwirkung
- verschiedene Prozesse der schwachen WW
- Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix
• Standardmodell
Typische Prozesse der schwachen WW
Leptonischer Prozess
- Myon Zerfall
- Neutraler Strom
Semi-leptonischer Prozess
- Kern-β-Zerfall
- β-Zerfall des Neutrons
- Pion-Zerfall
- Antineutrino-Streuung
- Fusion in der Sonne
Hadronischer Prozess
- Lambda Zerfall
Vorlesung 23.Januar:
Lambda-Teilchen
Λ: uds , S = −1
Zerfälle und Kopplungskonstante der schwachen WW
Vom β-Zerfall in Kernen (Vorlesung 31.10.) kennt man zwei Kopplungskonstanten:
• GV (Spin von Elektron und Neutrino antiparallel, S=0 Zerfälle)
GV wird aus Raten für “super-erlaubte” 0+
0+ Fermi-Zerfällen bestimmt
• GA (Spin von Elektron und Neutrino parallel, S=1 Zerfälle)
GA aus Gamow-Teller–Zerfällen (z.B. 0+
1+ und umgekehrt, 60Co Zerfall)
Andere verwandte Prozesse:
µ − → e− + ν e + ν µ
1. Muon-Zerfall:
or
µ +→ e+ + ν e + ν µ
• “rein leptonischer” schwacher Zerfall - keine Quarks vorher oder danach!
• keine Ladungsänderung; muß durch neutrales Z0 Boson vermittelt werden
• keine Ladungsänderung, keine Coulomb-Effekte im Endzustand
Kann man analog zum Neutronzerfall den gleichen Formalismus anwenden?
Schwache WW verhält sich gleich für Quarks und Leptonen?
e−
u
d
Wneutron
νe
???
e−
µ−
νµ
Z0
muon
νe
Weitere Zerfälle der schwachen WW
Gemessene Lebensdauer:
τ = 2.19703 ± 0.00004 µs
µ ± → e ± + ν e / ve + ν µ / ν µ
Theoretische Vorhersage:
192 π 3 h7
τ = 2 5 4
G mµ c
(Integration über Phasenraum
der zwei Neutrinogenerationen)
Muon-Zerfall gibt eine schwache Kopplungskonstante G die ungefähr 2.5% größer ist als
die in den nuklearen β-Zerfällen.
Oder, die Kopplungskonstante für den schwachen Zerfall d → u Quark ist ungfähr
2.5% kleiner als die des leptonischen Zerfalls von µ
e.
−
0
−
π
→
π
+
e
+ νe
2. Pion Zerfall:
Ein anderer d
u Quark-Übergang; die Rate ist konsistent mit der gleichen
Kopplungskonstante wie beim nuklearen β Zerfall um 2.5% kleiner.
3. K-Meson Zerfall:
K − → π 0 + e− + ν e
( us → uu + e− + ν e )
Dies ist ein s
u Quark-Übergang; Rate ist viel kleiner als die d
u Rate;
Kopplungskonstante ist gegenüber den nuklearen Übergängen um ~80% reduziert.
Schwache WW der Quarks
Hunderte von Beispielen von schwachen Zerfällen in der Kern- und Teilchenphysik zeigen:
• Reine leptonische Lebensdauern sind alle konsistent mit einer einzigen schwachen
Kopplungskonstante G
• Hadronische Zerfallsraten, die Übergänge zwischen Quarks vermitteln, ereignen sich auf
einer vergleichbaren Skala aber mit konsistenten Unterschieden, die von den beteiligten
Quarkflavors abhängen.
• Eine eindeutige Erklärung ergibt sich wenn wir annehmen, daß die Quarks, die an der
schwachen WW teilnehmen, Linearkombinationen von Eigenzuständen der starken WW
sind. Diese Mischung wird durch eine unitäre Matrix die CKM – Matrix beschrieben
(nach Cabbibo, Kobayashi, Maskawa benannt).
d '
 s' 
 
 b' 
Eigenzustände
Schwache WW
=
 Vud
V
 cd
 Vtd
Vus Vub 
d 



Vcs Vcb  ×  s 
Vts Vtb 
 b 
Unitäre Matrix, wie eine Rotationsmatrix – erhält die“Länge”
Eigenzustände
Starke WW
d ' = Vud d + Vus s + Vub b,
etc...
Konsequenzen aus CKM-Matrix
• Beim d
u Überganges des β-Neutronzerfall trägt nur der Anteil d’ aus dem schwachen
Eigenzustand zu dem Zerfall bei. Die schwache Kopplungskonstante ist effektiv um einen
Faktor Vud = 0.974 reduziert.
• Gleiches passiert beim s
u Übergang des Kaon-Zerfall, es ist ein s’
einer reduzierten Kopplungskonstante von nur noch Vus = 0.220.
u Übergang, mit
• Messungen von schwachen Teilchenzerfällen und β-Übergängen ergaben die folgenden
Matrixelemente der CKM-Matrix: (Particle Data Group , 2004)
• Fehlerbereich aus PDG, 2004
0.9739 - 0.9751
0.221 - 0.227
0.0048 - 0.014
0.221 - 0.227
0.9730 - 0.9744
0.037 - 0.043
0.0029 - 0.0045
0.039 - 0.044
0.9990 - 0.9992
2σ limits
• Die Diagonalterme dominieren die CKM Matrix.
• Alle “großen” Terme sind real; kleine imaginäre Komponente in der unteren
rechten 2x2 Submatrix erlaubt Zeitumkehr oder “CP -Verletzung” !
Zusammenfassung
der elementaren Fermionen
und Austauschteilchen der
starken WW
schwachen WW
elektromagnetischen WW
Elektromagnetische und
schwache WW sind im
Standardmodell vereinigt:
elektroschwache WW
Experimente suchten bis 2012
Nach dem vorhergesagten
Higgs-Teilchen
LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen
On July 4, 2012, CERN announced the long awaited discovery of a new fundamental particle
with properties similar to those expected for the missing link of the Standard Model (SM) of
particle physics, the Higgs boson. The discovery was made independently by two experimental
collaborations – ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider – both working with huge all
purpose multichannel detectors. With significance at the level of five standard deviations, the
new particle was mainly observed decaying into two channels: two photons and four leptons.
LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen
ATLAS Detektor am LHC
Nachweis des Higgs-Boson
Ende der Vorlesung
Klausurtermine für Kern- und Teilchenphysik (WS2013/14)
•Klausur: 26.2.2014 Hörsaal I von 9:00-12:00
•Nachklausur: 2.4.2014 Hörsaal II von 9:00-12:00
Ende der Vorlesung Kern- und Teilchenphysik des WS 2013/14
Wie geht es weiter?
Masterstudiengang Schwerpunkt: Kern- und Teilchenphysik
Modulbeschreibung
1. Vertiefungsvorlesungen
• Kernphysik II (3 SWS) : Reaktionen in Kern- und Teilchenphysik
• Detektorphysik (3 SWS): Wechselwirkung von Teilchen mit Materie, Detektoren und
Messmethoden
• Teilchenphysik (3 SWS)
2. Spezialvorlesungen
• Kernstruktur (2 SWS)
• Neutronenphysik (2 SWS)
• Anwendungen der Kernphysik (2 SWS)
• Beschleunigerphysik (2 SWS)
• Polarisationsphysik (2 SWS)
• Schwerionenphysik (2 SWS)
• Nukleare Astrophysik (2 SWS)
• Neutrinophysik (2 SWS)
3. Oberseminar zu aktuellen Themen der Kern- und Teilchenphysik (2 SWS)