Kern- und Teilchenphysik SS2012
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Kern- und Teilchenphysik SS2012 Vorlesung-Website Johannes Blümer KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und KT2012 Johannes Blümer nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft 1 IKP in KCETA www.kit.edu v16 19. Juni 2012 e+e–-Kollisionen cont’d; Symmetrien und Erhaltungssätze e+e–-Streuung QZ der Quarks WQ und Referenzprozess Quarkfarben Erinnerung an v15 qg-WW, Gluonjets Resonanzen als q-anti_q-Systeme W, Z-Bosonen Multiplizitäten Bemerkungen zum WQ u. a., Hinweise auf NEUES Symmetrien und Erhaltungssätze Einführung Diskrete Symmetrieoperationen: C, P, CP, CPT ausführlicher: Sturz der Parität, Zeitumkehr, CP-Verletzung CPT-Theorem Symmetrieeigenschaften der 3 Wechselwirkungen 2 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA -2 10 WQ in e+e– Kollisionen ω -3 10 σ [mb] J/ψ ψ(2S) -4 10 Wirkungsquerschnitt... ▶ φ Υ ρ! ρ Z -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 1 auf rein leptonischen Referenzprozess mit Myonen normiert...: Evidenz für “farbige Quarks”, nc = 3 10 10 R 10 10 2 Υ 3 J/ψ ψ(2S) Z 2 φ ω 10 ρ! 1 ρ 10 R= 3 (e+ e ! Hadronen) = + + (e e ! µ µ ) KT2012 Johannes Blümer P -1 1 f + (e e ! qf q̄f ) (e+ e ! µ+ µ ) = nc X zf2 √ 10 10 2 s [GeV] f IKP in KCETA Anzahl von geladenen Teilchen pro Kollision Multiplizität■geladener Teilchen ste ... steigt ungefähr logarithmisch an... Schwerpunktsenergi 4 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA e+e–-Wirkungsquerschnitt 5 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA e+e–-Wirkungsquerschnitt (e+ e ! µ+ µ ) = 21.7 (Enbarn 2 /GeV2 ) 5 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA e+e–-Wirkungsquerschnitt Bemerkungen zu: • 1/E2 - Verhalten des WQ • Bhabha-Streuung http://www.physics.usu.edu/Wheeler/QFT/PicsII/QFT10Mar05Bhabha.pdf • Luminosität von Kollidern http://hepunx.rl.ac.uk/~adye/thesis/html/node9.html • Leptonuniversalität • Größe der Leptonen < 10–18 m • Hinweise auf NEUES? (e+ e ! µ+ µ ) = 21.7 (Enbarn 2 /GeV2 ) 5 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e+e– PETRA, Wu et al. 1984 [Perkins 6.8] √ QED ok 6 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA +e– Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e WQ und Interferenzen DESY PETRA PETRA, Wu etauf al. 1984 [Perkins 6.8] Erste Hinweise "elektroschwache" Interferenz: dσ ∝ 1+ cos 2 θ für ɣ – Austausch dΩ + AFB · cosθ Vorwärts – Rückwärts – Asymmetrie σ tot 2 4 πα = ( hc ) 2 3s 3s Z0 QEDErwartung Lepton – Universalität: σ(√s) gleich groß für µ und τ punktförmig reiner ɣ – Austausch √ QED ok ɣ + 2 Z Asymmetrie durch ɣZ – Interferenz – Term (|Z|2 vernachlässigbar) 6 6 KT2012 00.00.0000 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 9 Johannes Blümer KIT-IEKP IKP in KCETA +e– Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e WQ und Interferenzen PETRA, Wu etauf al. 1984 [Perkins 6.8] Erste Hinweise "elektroschwache" Interferenz: DESY PETRA dσ ∝ 1+ cos 2 θ für ɣ – Austausch dΩ + AFB · cosθ Vorwärts – Rückwärts – Asymmetrie ɣZ – Interferenz σ = 4πα (hc) 2 tot 2 3s 3s Z0 ■ σtot : QEDQED (Quantenelektrodynamik) gibt sehr gute Beschreibung gleiches Verhalten für e, µ, τ Erwartung : "alle Leptonen sind gleich" Lepton(außer – Universalität: in Masse, Lebensdauer) : Lepton - Universalität σ(√s) gleich groß für µ und τ dσ punktförmig : QED beschreibt Daten dΩ reiner ɣ – Austausch √ QED ok ■ ɣ Z nicht sehr gut. Es gibt eine Vorwärts–Rückwärts–Asymmetrie: (massives Spin-1 – Hinweis auf Beitrag von Asymmetrie Z0 – Austausch durch ɣZ – Interferenz – Term (|Z|2 vernachlässigbar) Teilchen mit m = 91 GeV) 6 00.00.0000 ɣ KT2012 KIT-IEKP Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 9 2 6 + 2 + Johannes Blümer Z Erklärung: schweres Austauschteilchen der Schwachen WW macht sich bemerkbar; Schw. WW ist paritätsverletzend... + + = QED – WQ ɣZ – Interferenz Z0 – WQ kein Beitrag zum totalen WQ (sehr sehrklein) klein Asymmetrie bei 35 GeV IKP in KCETA Symmetrien und Erhaltungssätze nach H. Weyl, R.P.Feynman: „… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“ 7 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Symmetrien und Erhaltungssätze nach H. Weyl, R.P.Feynman: Transformation Objekt, Naturgesetz „… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“ Invarianz 7 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Symmetrien und Erhaltungssätze nach H. Weyl, R.P.Feynman: Transformation Objekt, Naturgesetz „… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“ Invarianz t + Δt X 7 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Symmetrien und Erhaltungssätze nach H. Weyl, R.P.Feynman: Transformation Objekt, Naturgesetz „… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“ Invarianz Ordnungsprinzipien Vorhersagen Zusammenhang mit unbeobachtbaren Größen Erhaltungssätze Struktur der Wechselwirkungen Noether-Theorem 7 KT2012 Johannes Blümer t + Δt X IKP in KCETA Rotationssymmetrie 60° Rotationssymmetrie einer Schneeflocke 8 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Rotationssymmetrie 60° Rotationssymmetrie einer Schneeflocke völlige Rotationssymmetrie: es gibt keine ausgezeichnete Richtung 8 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Objekte mit “Händigkeit” 9 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Symmetrien ↔ Erhaltungsgrößen Symmetrieoperationen unbeobachtbar Erhaltungsgröße Translationen im Raum Drehung im Raum absoluter Ort absolute Richtung Impuls Drehimpuls Translation in der Zeit absolute Zeit Energie Klassische kontinuierliche Beispiele Eichtransformation (QM) Phase der Wellenfunktion el. Ladung QM Raumspiegelung Materie – Antimaterie Zeitumkehr absolute Händigkeit Materieart absolute Zeitrichtung Parität P C-Parität T-Parität Diskrete Operationen 10 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Symmetrien Symmetrien ↔ ↔ Erhaltungsgrößen E r h a l t u n g s g r ö ß Symmetrieoperationen unbeobachtbar Symmetrieoperationen unbeobachtbar T r a n s l a t i o n e im Raum n e n Erhaltungsgröße Erhaltungsgröße absoluter Ort Impuls K Translationen Drehung im Raum im Raum absoluter Ort absolute Richtung Drehung Translation in im derRaum Zeit a Translation in der Zeit b s o Impuls Drehimpuls absolute Richtung l u t e Z e i Drehimpuls Energie t absolute Zeit Eichtransformation (QM) Energie Phase der Wellenfunktion el. Ladung Phase der Eichtransformation (QM) Wellenfunktion Raumspiegelung absolute Händigkeit el. Ladung Materieart absolute Händigkeit C-Parität Parität P Zeitumkehr Materie – Antimaterie absolute Zeitrichtung Materieart P: C: T: 03.01.2012 10 ; r r p → −p Q → −Q t → −t ; ; B → −B r r r → r Michael Feindt , Moderne Physik III, Vorlesung 11 KT2012 T-Parität C-Parität absolute Zeitrichtung r r r → −r Johannes Blümer ; ; a s s i s c h e kontinuierliche Klassische Beispiele kontinuierliche Beispiele QM QM Parität P Materie – Antimaterie Raumspiegelung Zeitumkehr l T-Parität Diskrete Operationen Diskrete Operationen S → −S r r p → −p KIT-IEKP IKP in KCETA Symmetrien Symmetrien ↔ ↔ Erhaltungsgrößen E r h a l t u n g s g r ö ß Symmetrieoperationen unbeobachtbar Symmetrieoperationen unbeobachtbar T r a n s l a t i o n e im Raum n e n Erhaltungsgröße Erhaltungsgröße absoluter Ort Impuls K Translationen Drehung im Raum im Raum absoluter Ort absolute Richtung Drehung Translation in im derRaum Zeit a Translation in der Zeit b s o Impuls Drehimpuls absolute Richtung l u t e Z e i Drehimpuls Energie t absolute Zeit Eichtransformation (QM) Energie Phase der Wellenfunktion el. Ladung Phase der Eichtransformation (QM) Wellenfunktion Raumspiegelung absolute Händigkeit el. Ladung Materieart absolute Händigkeit C-Parität Parität P Zeitumkehr Materie – Antimaterie absolute Zeitrichtung Materieart P: C: T: T-Parität C-Parität absolute Zeitrichtung r r r → −r ; r r p → −p Q → −Q t → −t ; ; B → −B r r r → r ; ; a s s i s c h e kontinuierliche Klassische Beispiele kontinuierliche Beispiele QM QM Parität P Materie – Antimaterie Raumspiegelung Zeitumkehr l T-Parität Diskrete Operationen Diskrete Operationen S → −S r r p → −p Bis ~1957 wurden die Naturgesetze für symmetrisch unter P gehalten... 03.01.2012 10 Michael Feindt , Moderne Physik III, Vorlesung 11 KT2012 Johannes Blümer KIT-IEKP IKP in KCETA Das θ-τ-Puzzle Paritätseigenwerte von Teilchen? 11 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Das θ-τ-Puzzle 2 e+e– Paare Pb γγ π+ K+ K 12 + KT2012 + + !⇡ ⇡ ⇡ Johannes Blümer gleiche Masse, Lebensdauer... verschiedene Paritäten im Endzustand? K + ! ⇡+ ⇡0 IKP in KCETA Paritätsverhalten phys. Größen Parität verschiedener Größen Parität verschiedener Größen Impuls (Polarvektor) Impuls (Polarvektor) 1- Vektor 1- Vektor r rr r ˆ ˆ P x = −Pxx = − x r rr r ˆ ˆ P p = −Ppp = − p r r r r r r Drehimpuls (Axialvektor) L = r × p Drehimpuls (Axialvektor) L r = r×p r rL r ˆ + P L = 1 Axialvektor ˆ + P L = L 1 Axialvektor r r r r r r r Pˆ (r × p ) ˆ= r(− rr) × (− p) r= r × pr = Lr r r P ( r × p ) = ( − r ) × (− p ) = r × p = L Energie (Skalar) Energie (Skalar) 0+ Skalar Pˆ ( E ) = E Pˆ ( E ) = E 0+ Skalar Helizität (Pseudoskalar) Helizität (Pseudoskalar) - 0 Pseudoskalar 0- Pseudoskalar 13 KT2012 Johannes Blümer r r λ = s⋅p r r= λ ˆ P (λ ) = P ( s ⋅ p ) ˆ = P−(λλ ) = r r r r s⋅pr r = P s ⋅ P p = s ⋅ (− p) r r r r r r P ( s ⋅ p) = P s ⋅ P p = s ⋅ (− p) = −λ IKP in KCETA Sturz der Parität 1956: T.D. Lee & C.N. Yang schlagen experimentelle Tests vor, ob die Parität P durch die schwache Wechselwirkung verletzt wird “In strong interactions, ... there were indeed many experiments that established parity conservation to a high degree of accuracy..." “to decide unequivocally whether parity is conserved in weak interactions, one must perform an experiment to determine whether weak interactions differentiate the right from the left” Question of Parity Conservation in Weak Interactions T. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104 (1956) 254 "for their penetrating investigation of the so-called parity laws which has led to important discoveries regarding the elementary particles" 14 KT2012 Johannes Blümer Nobelpreis 1957 李政道 杨振宁 Tsung-Dao Lee Chen Ning Yang IKP in KCETA Wu-Experiment zur Paritätsverletzung Co (5 ) Ni * (4 ) e e 60 60 techn. Herausforderung: Ausrichtung der 60Co-Kerne bei sehr tiefen Temperaturen: Prinzip der „adiabatischen Entmagnetisierung“ Chien-Shiung Wu 吴健雄 (1912-1997) 15 KT2012 Johannes Blümer ß-Elektronen Spiegel C.S. Wu et al. untersuchen den Kern-ß-Zerfall von 60Co zum Test der Erhaltung der Parität in der schwachen Wechselwirkung Fragestellung: gibt es eine Vorzugsrichtung der beim ß-Zerfall emittierten Elektronen relativ zum Spin des 60Co Kerns? ja: Parität ist verletzt, nein: Parität ist erhalten Co-60 Kern ß-Elektronen Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105 (1957) 1413 gespiegelte Welt IKP in KCETA Wu-Experiment Lichtleiter Spule B-Feld Magnet 60Co- Probe mit Salz PMT Vakuumverbindung Anthracen Zähler Magnet Ce-MgSalz flüssig Helium flüssig Stickstoff 16 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Wu-Experiment Spule B-Feld Magnet 60Co- Probe mit Salz PMT e- e- Kernspin J 60Co Vakuumverbindung 60Co Kernspin J Anthracen Zähler Magnet Ce-MgSalz flüssig Helium flüssig Stickstoff e- B Magnetfeld 1.20 relative Zählrate Lichtleiter B Magnetfeld B 1.10 1.00 e- Erwärmung Probe voll depolarisiert 0.90 B 0.80 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Zeit t [Minuten] 16 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 18 µ+ -Zerfall Sµ _ µ RH RH e 17 Se LH KT2012 erlaubt erlaubt Johannes Blümer pe e+ IKP in KCETA µ+ -Zerfall Sµ _ µ Se RH RH e LH erlaubt erlaubt pe e+ verboten Se pe Sµ LH + e 17 KT2012 Johannes Blümer _ µ e RH LH IKP in KCETA µ+ -Zerfall Sµ _ µ RH RH e LH N Se erlaubt erlaubt e+ aus µ+-Zerfall pe e+ 0 10 20 30 40 50 Energie [MeV] verboten Se pe Sµ LH + e 17 KT2012 Johannes Blümer _ µ e RH Spektrum: “e+ geht bevorzugt mit max. Energie entgegen den Neutrinos weg” LH IKP in KCETA Pionzerfall le für Paritätsverletzung all en − − Γ(π → e ν e ) 1 = − − Γ(π → µ ν µ ) 8000 µ − π RH: m=0 RH + LH: m≠0 1-βµ = 0.72 µ − π νµ RH obwohl Phasenraum viel größer − e ist für ν e e − π RH: m=0 RH + LH: m≠0 LH: m=0 LH RH + LH: m≠0 verboten, LH ν µ RH 1-βe = 3·10-5 erlaubt, aber unterdrückt erlaubt νµ νe e − π νe LH: m=0 LH RH + LH: m≠0 verboten, LH ν e =0 nicht definiert : 50 % LH, 50%RH 18 KT2012 Johannes Blümer =c erhalten: (es gibt keinen Lorentz-Frame, in dem das Teilchen IKP in KCETA Pionzerfall 2) Pionzerfall le für all en − Γ(π → e ν e ) 1 Paritätsverletzung = − − Γ(π → µ ν µ ) 8000 − − Γ(π → e ν e ) 1 = − − Γ(πCMS → µder ν µPionen ) 8000 Spin 0 µ − − 1-βµ = 0.72 − π obwohl Phasenraum viel größer −π ist für e ν e ν RH e µ RH: m=0 − RH + LH: m≠0 e νµ π RH: m=0 RH + LH: m≠0 µ − obwoh ist für RH π νe − RH + m=0 erlaubt RH 1-βµRH: = 0.72 RH + LH: m≠0 π erlaubt − µ − 1-βe = 3·10-5 erlaubt, aber − ν µ unterdrückt e πLH LH: m=0 e νe RH + LH: m≠0 RH + LH: m=0 LH LH: m=0 LH verboten, LH ν µ RH + LH: m≠0 RH + LH: m≠0 verboten, LH ν µ verboten, LH ν e Helizität: für v=0 nicht definiert : 50 % LH, 50%RH =0 nicht definiert : 50für % v=c LH, 50%RH erhalten: (es gibt keinen Lorentz-Fram µ 18 KT2012 =c erhalten: νµ (es gibt keinen Lorentz-Frame, in dem das Teilchen IKP in KCETA Johannes Blümer Ladungskonjugation Ladungskonjugation C (C-Parität) : diskrete Symmetrie multiplikative → →→ →→ → Quantenzahl, C angewandt auf Felder/Kräfte: B → - B, E → -E, F → F Teilchen-Antiteilchen Transformation mit der Änderung von allen ladungsartigen Quantenzahlen: +Q ↔ -Q, +µ ↔ -µ, +B ↔ -B, +S ↔ -S, … alle Teilchen mit B, S, Q ≠ 0 sind keine Eigenzustände von C selbst-konjugierte Zustände neutrale Teilchen (Q = B = S = L = 0) sind Eigenzustände von C mit der Eigenparität +1, -1 da C2 |> = |> Photon : C |> = - |> JPC () = 1 -- KT2012 → da Potenziale ( → – , A → –A) bei +Q → -Q neutrales 0: C |0> = + | 0 > JPC (0) = 0 - + 19 → da 0 → (kein 0 → b.r. < 3 ∙ 10-8) Johannes Blümer IKP in KCETA Ladungskonjugation C-Parität von Teilchen - Antiteilchenpaaren : _ in Teilchenreaktionen werden oft Teilchen-Antiteilchen-Paare TT erzeugt, diese sind selbstkonjugiert und Eigenzustände von C C (TT ) (1) s 0 1 2 uu 1 dd uu 2 20 KT2012 relativer Bahndrehimpuls ℓ, Spin s dd pseudoskalares Pion mit s = 0, ℓ = 0 C = (-1)0 = +1 -Vektormeson mit s = 1, ℓ = 0 C = (-1)1 = -1 Johannes Blümer IKP in KCETA Zeitumkehr (1): in e.m. und starker WW erhalten eilung entlang der Spinachse µ zeichnete Achse im Kern es Teilchens muss bei [Perkins] risches d P pin!) T , ist T verletzt m Elektron, Myon, Neutron nz) an ultrakalten Neutronen = 10 32 e ∙ cm ein elektrisches Dipolmoment (EDM) eines kugelsymmetrischen Teilchens wäre Tverletzend, Limit für Neutronen < 3e–26 e cm 21 KT2012 Johannes Blümer T-verletzende-Amplitude < 0.3% der T-erhaltenden Amplitude IKP in KCETA
