Seminarvortrag Christoph Botsch

Nobelpreis 1976
Entdeckung des J/Ψ
S.Ting B.Richter
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Gliederung
1. Experiment von S.Ting
(a) Biographie
(b) Experiment
(c) Ergebnisse
2. Experiment von B.Richter
(a) Biographie
(b) Experiment am SPEAR
(c) Ergebnisse
3. Einzelheiten zum J/Ψ
(a) Wikungsquerschnitts-verhältnis R
(b) Positronium /Charmonium
(c) Halbwertsbreite / Zerfallskanäle
4. Heutige Bedeutung (Messung in Peking)
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Samuel, Chao Chung Ting
• geb. 27.1.1936 in Michigan USA (beide Eltern
chines. Staatsbürger)
• 1956 Rückkehr in die USA (um bessere Ausbildung zu erhalten)
• Nach PH.D. 1962 Stipendium im CERN
• 1966 e+ e− Paarproduktion am DESY
• 1971 BNL ( 1974 Entdeckung J/Ψ)
• 1976 Nobelpreis für Entdeckung J/Ψ
• Träger zahlreicher Titel und Ehrungen
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Aufbau des Experiments am BNL
Suche nach Vektor-Mesonen (w.z.B. ω, ϕ, ρ0 ) aus der
Reaktion:
p+p→V0+X
→ e+ e−
Vorteil für Suche nach Vektor-Mesonen:
• Hoher Wirkungsquerschnitt (starke WW)
• hohe Strahlintensität
• keine Winkelabhängkeit der e+ e−
Nachweis der Vektor-Mesonen durch Messung des e+ e−
Paars mit einem Zweiarm Spektrometer.
Vorausetzungen für Experiment:
• Hoher Teilchenfluß der Protonen (1011 − 1012 1s )
da e+ e− aus elektromagnetischer WW
• hoher Unempfindlichkeit gegen Hadronenpaare
(π + π − , K + K − etc.)
• Suche nach 90oe+ e− Paaren ⇒ bei CM Energie
von 28.5 GeV Laborwinkel 14.6o
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Zweiarm-Spektrometer
Messung der effektiven Masse m212 eines Teilchenpaars,
das gleichen Ursprung hat.
m12 = m21 + m22 + 2(E1E2 − p1 p2 cos θ12 )
Ein Zweiarm Spektrometer misst gleichzeitig p1 , p2 ,
und den Winkel θ12 . In der Praxis kann θ wegen der
Grösse des Aufbaus nur in einem kleinen Bereich gemessen werden.
Identifizierung der Teilchen:
1. Bestimmung der Ladung und des Impulses durch
die Trajektorie in einem Magnetfeld
2. bei einer gegebenen Trajektorie oder Impuls durch
Messung der Geschwindigkeit und der Beziehung
p = mv
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Blick auf den Zweiarmdetektor
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Besonderheiten bei diesem Experiment:
1. Die Magnetfelder sind so ausgerichtet, dass die
Zähler das Target nicht direkt sehen. Dadurch
verkraftet der Detektor einen hohen Protonenfluss.
2. Die Proportionalkammern mit Massenaktzeptanz
von 2 GeV (grosser Bereich zur Suche) und Auflösung
± 5 MeV (geringe Resonanzbreiten)
3. Die zwei Cherenkov Zähler C0 , Ce ermöglichen zusammen mit dem Schauerzähler S einen Abweisung von 108 gegen stark wechselwirkende Partikel
4. Ein weitere Cherenkov Zähler in der Nähe des
Targets, der auf π sensitiv ist, ermöglicht die Kontrolle des π0 → γe+ e− Hintergrundes.
5. Cherenkov Zähler mit Wasserstoffgas gefüllt, um
durch π bedingte Knock-on Elektronen zu reduzieren, dazu dienen auch die starken Magnetfelder
zwischen den zwei Zählern.
6. Target: Mehrere Platten aus dünnem Beryllium
auf die Protonenstrahl auftrifft.
7. Schutz vor Strahlung: 10 000t Beton, 100t Blei,
5t Uran und 5t Seife (Neutronen)
8. 6 Physiker nötig um Detektor zu betreiben
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Detektoren
• Cherenkov Zähler:
Durchquert ein hochenergetisches Teilchen mit
der Geschwindigkeit βc ein Dielektrikum mit Brechungsindex n, werden Photonen unter dem Winkel θ abgestrahlt, wenn:
β>
1
n
cos θ =
1
βn
(β = v/c)
Durch Messung von θ lässt sich so die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen. Durch geeignete Wahl von n kann man Teilchen mit gleichem
Impuls aber verschiedener Masse unterscheiden.
(z.B. π und Elektronen)
• Proportional Kammer:
Dünne Drähte (20 µm) sind im Abstand von 2mm
unter Hochspannung (keV)in einem Gasvolumen.
Geladene Teilchen ionisieren beim Durchgang entlang ihrer Spur. In der Nähe der Drähte ist eine
hohe Feldstärke, so dass die ausgelösten Elektronen wiederum ionisieren. Es entsteht eine Ladungslawine, die einen Spannungspuls im Draht
erzeugt. Zur Erhöhung der Ortsauflösung verwendet man mehrere Ebenen, die man unterschiedlich anordnet.
• Schauer Zähler:
Wenn das Elektron auf ein Material w.z.B Bleiglas trifft kann seine ganze Energie von diesem
Material aufgenommen und gemessen werden.
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Details zu Detektoren
Detail Proportionalkammer
Detail Cherenkov Zähler
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Ergebnis des Experiments
Nachdem im Bereich von 4-5 GeV fast keine Ereignisse auftreten, findet man im Bereich von 2.5- 4.0
GeV einen deutlichen Peak. Dieser Peak befindet
sich bei ungefähr 3.1 GeV (heutiger Wert laut PDG
3.096.87±0.04 GeV) Erstaunlich ist besonders die kleine Halbwertsbreite, die kleiner als 5 MeV ist. (heutiger
Wert laut PDG 87 ± 5 keV)
Folgende Checks werden zur Verifikation durchgeführt:
• Messung bei einer anderen Magnetfeldstärke.(d.h.
ein anderer Teil des Detektors wird angesprochen)
• Zwei verschiedene Programme und Gruppen zur
Auswertung.
• Verschiede Messungen, um Untergrundeffekte auszuschliessen.
• Eine Verdopplung der Targetdicke führt zu einem
doppelt so hohen Peak. (keine Erzeugung in einem zweistufigen Prozess)
• Umbau des Detektors, um R (Verhältnis Hadronen/zu Leptonen-Produktion) zu bestimmen
Schliesslich wird Ergebnis im November 1974 publiziert.
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Massenspektrum und Halbwertsbreite
Massenspektrum
Halbwertsbreite
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Schluss
Wahrscheinlichkeit für J/Ψ
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Burton Richter
• geb. 22.3.1931 in New York
• 1952 am MIT erste Erfahrungen mit Beschleunigern
• 1956 PH.D Interesse für QED
• 1957 erster Entwurf eines e+ e− Colliders
• 1970 Bau von SPEAR (e+ e− Collider)
• 1973 Beginn der Experimente und 74 Entdeckung
des J/Ψ
• 1976 Nobelpreis und im CERN (LEP)
• 1982- Direktor des SLAC
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Experiment am SPEAR
Messung des Hadronen/Muon-Paar Verhätnisses R bei
e+ e− Prozessen
R=
σ(e+ e− →Hadronen)
σ(e+ e− →µ+ µ− )
Beschreibung von e+ e− (nach Burton):
Teilchen und Antiteilchen treffen aufeinander, dabei
addieren sich alle Eigenschaften zu null, für kurze
Zeit entsteht ein kleiner Feuerball mit einer gewaltigen Energiedichte und der Quantenzahl J P C = 1−− .
Diese Energie kann sich nun in jede mögliche Kombination von Teilchen verwandeln, die folgende Kriterien
erfüllt:
• Die Gesamtmasse muss kleiner gleich der Energie
des Feuerballs sein.
• Die Quantenzahlen müssen übereinstimmen
Einige Daten zu SPEAR:
• Speicherring wird durch 3km langen LINAC mit
Elektronen und Positronen gefüllt
• eine Füllung dauert 15-30 Min
• Danach kann 2 h gemessen werden.
• Für eine lange Halbwertszeit herrscht ein Druck
von 5 · 10−9 torr
• CM- Energie im Bereich von 2.6 GeV- 8 GeV
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Bilder zu SPEAR
Aussenansicht SPEAR
Aufsicht SPEAR
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Mark I Detektor
Einige Daten zu dem verwendeten Detektor:
• Verwendet 3 Meter lange mit 3 Meter Durchmesser Solenoid Magnetspule
• 3 Lagen von Detektoren:
– Funkenkammern um den Ort und die Trajektorien zu bestimmen
– Scintillationszähler zur Flugzeit Messung
– Schauerzähler (Energiemessung)
– Ganz aussen µ Kammern
• Trigger-Locic, so dass stets mehrere Zähler ansprechen müssen
• Muonen und Elektronen kann man anhand der
Pulshöhe in den Schauerkammern unterscheiden.
• π, K, p anhand der Flugzeitmessung
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Bilder zu MARK I
Schnittzeichnung MARK I
Querschnitt MARK I
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Ergebnis des Experiments
Es werden zwei Resonanzen im Bereich von 2-5 GEV
entdeckt. Eine Resonanz bei 3.095 GeV, die man als
Ψ bezeichnet und eine zweite Resonanz bei 3.685 GeV
(Ψ )
Geringe Halbwertsbreiten, die man jeweils nach entsprechenden Strahlungskorrekturen mit ΓΨ = 69 ± 13
keV bzw. ΓΨ = 225 ± 56 keV bestimmt.
Wie erwartet haben die Resonanzen die Quantenzahl
J P C = 1−− .
beobachtete Zerfallsmodi:
e+ e− → γ → Ψ → hadrons
(1)
e+ e− → γ → Ψ → γ → hadrons
(2)
e+ e− → γ → Ψ → γ → µ+ µ−
(3)
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Ergebnisse SPEAR
Übersicht
Detail Wirkungsquerschnitt
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Wirkungsquerschnittsverhältnis R
Definition von R:
σ(e+ e− → qq̄)
R=
σ(e+ e− → µ+µ− )
σ(e+ e− → qq̄) = 3zf2σ(e+ e− → µ+ µ− )
+ −
f σ(e e → qq̄)
R=
σ(e+ e− → µ+ µ−)
zf2
R=3
(4)
(5)
(6)
(7)
f
Somit lassen sich durch Messung von R QCD Aussagen wie Farbladung, Anzahl der Quarks, gebrochene Ladungen usw. verifizieren. Mit höherer Energie
können immer mehr Quarksorten erzeugt werden, dies
ergibt diesen stufenartigen Aufbau:
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Termschemata
Positronium
Charmonium
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Charmonium-Positronium
Vergleicht man die beiden Energieniveaus von Positronium (e+ e− ) und Charmonium (cc̄), ergeben sich
Übereinstimmungen bei n=1 und n=2. Allerdings unterscheiden sich die beiden Energieschemata um die
Grössenordnung 108. Bei höherliegenden Niveaus gibt
es jedoch keine Übereinstimmung mehr.
• Bei kleinen Abständen ein Coulomb-ähnliches Potential.
• Magnetische Dipolübergänge möglich (∆L = 0
und ∆S = 1, gleiche Parität, bzw Spinflip)
Ein möglicher Ansatz für das Bindungspotential der
Quarks:
4 αs (r)s h̄c
V =−
+ kr
3
r
αs hängt von r ab und nimmt mit kleinem r ab. Die
Quarks können deshalb bei kleinen Abständen als quasifreie Teilchen betrachtet werden. Bei grossen Abständen
nimmt die Kraft jedoch linear zu. Deshalb werden
auch keine freien Quarks beobachtet.
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Halbwertsbreite/Zerfallskanäle
• Durch Abstrahlung eines Photons:
Xc1 → J/Ψ + γ
• Durch Annihilation von Quark und Antiquark:
J/Ψ → ggg → Hadronen(strong)
J/Ψ → γ → Hadronen(em)
J/Ψ → γ → Leptonen(em)
(8)
(9)
(10)
• Anlagerung von qq̄ Paaren:
Ψ(3770) → D0 + D̄0
• schwacher Zerfall eines Quarks:
J/Ψ → Ds− + e+ + νe
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Vorgänge beim J/Ψ
• Der schwache Zerfall ist stark unterdrückt.
• Zerfall zu 30 % elektromagnetisch und zu
70 % stark
• starker Zerfall nur mit 3 Gluonen (α3
s)
• Zweigregel unterdrückt Annihilation.
• Masse unter Mesonenschwelle (3770 GeV)
→ geringe Halbwertsbreite
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Peking
Jüngste genaueste Messungen in Peking am BEPC
zur indirekten Higgsmassenbestimmung , dabei Verwendung von MARK III.
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