Kerne und Teilchen Baryonen

Kerne und Teilchen
Moderne Experimentalphysik III
Vorlesung 15
MICHAEL FEINDT
INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK
Baryonen
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
www.kit.edu
Baryonen
■  leichte Baryonen sind aus u, d, s aufgebaut:
3 ⊗ 3 ⊗ 3 =
27
= 10 ⊕ 8 ⊕ 8 ⊕ 1
■  Nukleonen: N, Δ aus u, d – Quarks (wie p, n)
■  Hyperonen: Λ, Σ, Ξ, Ω mindestens 1 s – Quark
Name
N
Δ
Λ
Σ
Ξ
Ω
Isospin I
1/2
3/2
0
1
1/2
0
0
0
-1
-2
-3
1
2
3
Strangeness S
Zahl s - Quarks
0
■  Nomenklatur bei schweren Baryonen (ersetze ein s durch c/b)
z.B.:
Λc = c d u
Ξb = b s d
Index c
2
23.06.2014
Index b
Michael Feindt & Thomas Kuhr, Moderne Physik III, Vorlesung 15
KIT-IEKP
Baryon – Erzeugung: Formationsexperimente
π + p → Δ+ + → p π +
Δ++, Λ0, Σ0 : Resonanzen
K − p → Σ∗ 0 → p K −
u
u
d
d
u
d
u
u
d
u
u
d
u
Λ0, Σ0
u
s
π p → ΛK
−
0
assoziierte Produktion
u
s
u
d
u
u
d
s
u
d
s
d
Formation:
ab → R
→ cd
exklusiv ð m aus Strahleigenschaften bestimmbar
Produktion:
ab → RX
→ cd X
inklusiv ð m aus invarianter Masse
der Zerfallsprodukte
c und d bestimmbar
2
⎛
⎞
⎛ ! ⎞
m = ⎜ ∑ Ei ⎟ − ⎜ ∑ pi ⎟
⎝ i
⎠
⎝ i
⎠
2
2
R
3
u
u
d
Δ++
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KIT-IEKP
Baryonen - Multipletts
Grundzustände:
L=0
keine Radialanregung
hier nur für q = u, d, s:
ψ total
= ξ Ort ⋅ ς Flavour ⋅ χ Spin ⋅ φFarbe
Baryonen = Fermionen
χ Spin
Dekuplett:
Austausch von Quarks
:
23.06.2014
ð
JP = 3/2 +
L=0
uuu
ð Farbwellenfunktion
φFarbe =
4
ψtotal ist antisymmetrisch unter
ó
1
6
Gesamtspin 1/2 oder
χSpin
ξOrt
ζFlavour
ΦFarbe
∑ β∑ γ ∑
α
= r , g ,b
= r , g ,b
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3/2
symmetrisch
symmetrisch
symmetrisch
total antisymmetrisch
= r , g ,b
ε αβγ qα qβ qγ
KIT-IEKP
Baryon - Dekuplett
10 verschiedene 3-Quark–Zustände mit JP=3/2+ und total antisymm. Wellenfkt:
Δ+ + = u ↑ u ↑ u ↑
Δ+ = u ↑ u ↑ d ↑
Σ ∗+ = u ↑ u ↑ s ↑
Δ0 = u ↑ d ↑ d ↑
Σ∗0 = u ↑ d ↑ s ↑
Ξ ∗0 = u ↑ s ↑ s ↑
Δ− = d ↑ d ↑ d ↑
Σ ∗− = d ↑ d ↑ s ↑
Ξ ∗− = d ↑ s ↑ s ↑
Ω− = s ↑ s ↑ s ↑
Wellenfunktion ist in Wirklichkeit symmetrisiert:
Δ+
=
1
3
{u↑u↑d ↑
SU(6) – Symmetrie
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=
+ u↑d ↑u↑ + d ↑u↑u↑ }
SU(3)Flavour V SU(2)Spin
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KIT-IEKP
Baryon – Massen
Masse:
J=3/2 größer als J=1/2
Jedes s–Quark trägt zu
höherer Masse bei
Strangeness
Isospin
Quelle: Povh, Teilchen und Kerne
6
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KIT-IEKP
Baryon – Massen
Massen:
■  Masse wächst mit Strangeness an (größere s-Quark – Masse)
■  Massen der 3/2+ – Baryonen ca 300 MeV höher als die der 1/2+
(Spin – Spin – Wechselwirkung)
M
=
∑m
i
i
+ Δ M SS
Summe der
Quark-Massen
Spin-Spin – Term
Magnetische Momente:
■  punktförmige Spin - ½ – Teilchen:
■  Für strukturloses Proton erwarte:
■  Messung:
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µ p = 2.79 ⋅ µ N
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µ Dirac = e!
µN
2M
= e!
2M p
≈ okay für e.m.
Hinweis auf Substruktur
KIT-IEKP
Magnetische Momente im Quarkmodell
mit L=0:
!
!
!
!
µ p = µu + µu + µ d
!
!
µp = µp = ψ p µp ψ p
Summe der magn. Momente der Konstituenten – Quarks: µu ,d =
zu , d ⋅ e !
2 mu ,d
ψ ist total antisymmetrische Quark – Wellenfunktion des Protons
Clebsch – Gordan – Koeffizienten für 1 ⊕
2
ψ p↑ =
p↑ =
µp =
3
χ uu (1,1) χ d ( 12 ,− 12 ) −
u u
2
3
1
3
1
2
1
2
χ uu (1,0) χ d ( 12 , 12 )
d
⋅ ( µu + µu − µ d )
→
u u
+
1
3
d
µd
analog: µn = 4/3 µd – 1/3 µu
mit µu = -2 µd (für mu = md) gilt:
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µp = 3/2 µu
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µ n = - µu
µ Λ = µs
KIT-IEKP
Messungen magnetischer Momente
■  Hyperonen (z.B. Λ) werden polarisiert erzeugt (Polarisierung senkrecht
zur Erzeugungsebene ist die einzige Möglichkeit, ohne P zu verletzen)
■  Schwacher Zerfall verletzt Parität, daher Polarisation beim Zerfall
meßbar:
Λ0 → p π −
:
W (θ ) ∝ 1 + α ⋅ cosθ
(aus Interferenz zwischen L=0 und
α
= 0.64
L=1 – Amplitude)
ð  Protonen werden hauptsächlich in Richtung des
Λ – Spins emittiert
p p → ΛK+ p
:
K
Magnet
Messung des Drehwinkels φ
ð µ bestimmbar
Λ
Target
p
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S1
Spin senkrecht zur
Produktionsebene
""
Magnet
Präzession des Spins im
Magnetfeld mit Larmorfrequenz ωL
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ωL =
µB
!
KIT-IEKP
Messungen magnetischer Momente -2Exp.
µ / µN
Quark – Modell µ / µN
p
+ 2.792 847 386 ± 0.000 000 063
(4 µu - µd) / 3
ð µu = 336 MeV
n
- 1.913 042 75
(4 µd - µu) / 3
ð µd = 336 MeV
Λ
- 0.613 ± 0.004
Σ+
+ 2.458 ± 0.010
(4 µu - µs) / 3 = + 2.67
Ξ0
- 1.250 ± 0.014
(4 µs - µu) / 3 = - 1.43
Ω-
- 2,02
± 0.000 000 45
µs
± 0.05
3 µs
ð µs = 510 MeV
= - 1.84
gute Übereinstimmung mit Quark – Modell mit Konstituenten – Massen
gute Übereinstimmung mit Spektroskopie – Daten
Konstituenten-Quark = Current-Quark + Gluon + See-Quark–Wolke
5 MeV
10
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330 MeV
KIT-IEKP
Schwere Baryonen
Flavour SU(4) : u, d, s, c – Quarks
2c
1c
3c
leichtes Oktett
0c
2c
1c
leichtes Dekuplett
0c
… analog für b – Baryonen …
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KIT-IEKP
Weitere Hadronen ?!
■  Mesonen
■  Baryonen
■  Antibaryonen
qq
qqq
qqq
QCD: jeder farblose Zustand kann existieren (SU(3) – Gruppentheorie)
ƒ Î ƒ
= Mesonen
 + ˆ
ƒ Î ƒ Î ƒ = Baryonen
 + ˆ + ˆ + Š
ð auch
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■  "Glueballs"
: gg
■  "Hybride"
■  "Tetraquarks"
■  "Pentaquarks"
: qqq
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: qqqq
: qqqqq
ˆÎˆ
ƒÎƒÎˆ
ƒÎƒÎƒÎƒ
ƒÎƒÎƒÎƒÎƒ
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=
=
=
=
 + ...
 + ...
 + ...
 + ...
KIT-IEKP
"Exotische Hadronen"
"Exotische Hadronen" sind nicht 100%ig etabliert.
Kandidaten sind:
■  Glueball (-komponente in) : f0 (1530)
Existenz experimentell eindeutig gesichert, aber Interpretation nicht
(Mischung?)
■  Vier – Quark – Zustände: f0 (980), a0 (980)
s s q q – Zustände, oder KK – Moleküle, oder doch nur ss – Mesonen mit
starker Kopplung an KK – Zerfallskanal?
■  X (3870)
Belle, CPF (EKP) :
D*D – Molekül?
■  Pentaquarks:
von >9 Experimenten "gesehen", von vielen nicht
PDG 2004: ééé – Status
aber ich glaube das nicht. Siehe auch Kommentar in PDG 2004.
JLAB 2005: Exp. wiederholt mit viel höherer Statistik: kein Signal!
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Ω- – Baryon
Strangeness
http://hepweb.r1.ac.uk/ppUKpics/images/POW/1998/980210211b.jpg
3s
14
Zerfallskaskade
K+ K0
K − p → Ω−
us
uud
→
2s
τ = 0.8 10-10 s
1s
τ = 2.9 10-10 s
0s
τ = 2.6 10-10 s
sss
us
ds
Ξ0 π −
uss
ud
Λ π0
uds
uu, dd
p π−
uud
ud
Erzeugung:
starke WW
Zerfallskaskade: schwache WW,
ein s–Quark nach dem
anderen umwandeln
23.06.2014
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KIT-IEKP
http://teachers.web.cern.ch/archiv/HST2002/Bubblech/omega-discovery_2.png
Entdeckung des Ω- – Baryons (sss)
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23.06.2014
1964:
Bestätigung der Vorhersage
des SU(3) – Quark – Modells
von Gell-Mann und Neeman
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KIT-IEKP
Existieren Pentaquarks?
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23.06.2014
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KIT-IEKP
Existieren Pentaquarks?
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KIT-IEKP
Existieren Pentaquarks?
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KIT-IEKP
Aber… Welche Masse?
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Viele negative Suchen…
Trotz intensiver Suche nichts gefunden in großen Experimenten:
ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, CDF, BELLE, BABAR, BES, H1 im
ZEUS-Kanal, ZEUS im H1-Kanal
(z.T. aber große Signale für etablierte Zustände)
Achtung Bayes-Theorem: Prior-Wahrscheinlichkeit hat sich geändert!
Früher hätte man sich in exotischen Kanälen sehr sicher sein
müssen, dass es sich nicht um eine statistische Fluktuation
handelt. Für Pentaquarks gibt es sehr viele neue Kanäle, Massen
nicht bekannt: Kombinatorik!
Meine Meinung: sehr kritisch!
P_subjektiv(Pentaquark existiert)
< 50%
P_subjektiv(alle behaupteten Pentaquarks existieren) < 1%
20
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CLAS 2006:
Extra-Hochstatistik Experiment:
findet das Theta nicht mehr....
Pentaquarks
so gut wie tot...
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B-Fabriken Belle, BaBar und CDF II
finden aber neue exotische Teilchen
X,Y,Z...
Mittlerweile viele ..zig sigma Signifikanz
(wichtige Beiträge aus unserer Gruppe)
Interpretation: 4-Quark-Zustände:
c cquer q qquer
b bquer q qquer
oder DD-Moleküle BB-Moleküle
es gibt etwas jenseits von Mesonen und Baryonen
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Die Unsicherheit geht weiter...
DIANA 2013 : 5.5 sigma
Existiert das Pentaquark doch?
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