Gluone, Jets und Quarks
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Die Entdeckung des Gluons VORTRAG 27.01.2015 FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Lehrstuhl für Experimentalphysik I Referent: Andreas Nitsch Gliederung 1. 2. 3. 4. 5. 6. Was sind Gluonen? Erkenntnisse Anfang der 1970’er Jahre Jet-Ereignisse in e+e- Annihilation Experimenteller Nachweis des Gluons Zusammenfassung Ausblick 2 1. Was sind Gluonen? • Gluon g (engl. glue = Klebstoff) • Austauschteilchen der starken Wechselwirkung • Ladung der QCD: Farbe + Antifarbe •Die Kombination der Farbladungen gibt die Art des Gluons vor 3 Was sind Gluonen? • 8 verschiedene Gluonen, die zwischen Quarks ausgetauscht werden • masselos, Spin 1 • Gluonen tragen ebenfalls die Ladung der Farbe und koppeln auch untereinander (Gegensatz QED: Photon elektrisch neutral) • Träger von Farbladungen kommen nur in gebundenen, farbneutralen Zuständen vor 4 2. Erkenntnisse Anfang der 1970’er Jahre • Nur das Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung bekannt (QED) • Experimente (Inelastische Streuung) am CERN bestätigen, dass nur ca. 50% des NukleonenImpulses den Quarks zugeschrieben werden kann 5 Erkenntnisse Anfang der 1970’er Jahre • Punktförmige Annahme des Hadrons kann nicht richtig sein • Theoretisches Verhältnis von R* (R=2/3) stimmt mit experimentellen Messdaten (R=1-3) nicht überein • weitere Teilchen involviert? (punktförmig) (Farbladung) *Verhältnis R Wirkungsquerschnitt der Hadronen, normiert auf denen der Myonen als Funktion von √s 6 3. Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation • Was sind Jets? • Auslöschung von Positron und Elektron in Hadronen • führt über ein Photon oder Z-Boson zu einem Quark-Antiquark-Paar, das in zwei Hadronenstrahlen zerfällt 7 Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation Genauere Betrachtung: • Erzeugung von Quark-Antiquark-Paaren mittels e+e-Annihilation • Primäre Quarks fliegen mit hohem Impuls in entgegengesetzte Richtungen 8 Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation Bei hoher Energie entstehen bei Auseinanderziehen der Quark-Antiquark-Paare „aus dem Nichts“ ein neues Quark-Antiquark-Paar, welches die neuen Enden des Kraftfeldes bilden (Confinement: keine freien Quarks) 9 Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation • Das Quark entsendet dabei ein „soft Gluon“ • Das Gluon wiederum lässt Quark-AntiquarkPaare entstehen, die neue Gluonen aussenden • Bei diesem Prozess entstehen aus den Quarks und Antiquarks auch farblose Hadronen (Hadronisierung) 10 Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation • Hadronen fliegen in nahezu gleiche Richtung wie Quarks • Je höher die Kollisionsenergie, desto genauer die Auflösung der Jets! 11 Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation • Hadronen besitzen einen Impuls von 0,5 – 1 GeV • Der Impuls der entstehenden Hadronen ist etwas kleiner als der des Gluons, welches sie geformt hat • √s=30GeV kleiner Öffnungswinkel • √s<10GeV großer Öffnungswinkel (unscharf) • Quarks können nicht beobachtet werden, nur indirekt über Energie, Impuls der Hadronen 12 Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation 13 4. Experimenteller Nachweis des Gluons • Sehr selten entsenden Quarks „harte Gluonen“ (mit großem Impuls), die ähnlich wie die Quarks zum Hadronisieren anregen und in einem eigenen dritten Jet sichtbar werden • Selten bedeutet: √s=30-100GeV in 10% aller Fälle tritt ein 3-Jet auf • ABER: Direkter Nachweis für Gluonen!!! 14 Experimenteller Nachweis 15 Experimenteller Nachweis DESY (Deutsches Elektron-Synchrotron) in Hamburg 4 Wechselwirkungspunkte am Petraring des DESY 16 PETRA Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage (Positron-Elektron Speicherring) • 1978 fertiggestellt, 2 Jahre eher als PEP in Stanford, erste Jetereignisse 13-17GeV • Länge: 2304m • 12-46 GeV • zur Untersuchung von Hadronenzerfällen •Bis 1986 experimentiert, danach PETRA III als Vorbeschleuniger von HERA - 17 PETRA • Ringförmig (8 geraden Strecken, 8 Kreissegmente) • Speicherung zweier entgegen gerichtete Teilchenstrahlen • Magnete halten die Teilchen auf ihrer Bahn • Hohes Vakuum im Inneren (10-9 mbar) • Kollision in einem Detektor • 4 Detektoren liefern Nachweis: TASSO, JADE, PLUTO (später CELLO), MARK J 18 TASSO Two Arm Spectrometer Solenoid 19 TASSO Two Arm Spectrometer Solenoid 20 TASSO 4π-Detektor: • eingebettet in Solenoidspule • Nachweis für geladene Teilchen in Vertexdetektor und Driftkammern • 15 Drahtlagen, 2340 Driftzellen, Ethan-Argon-Gemisch • 3-dim. Spurrekonstruktion durch Anordnung der Drähte • aus Krümmung dieser Spur im Magnetfeld, lässt sich der Impuls bestimmen • Myonen durchdringen den Detektor und werden im äußeren Szintillator nachgewiesen 21 Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis 22 Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis √s=30GeV 23 Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis Dazu teilt man jedem der drei Jets seine eigene Energie zu niederenergetischer Jet ist Gluonenjet Die Winkel zwischen Jet1 und Jet2 sowie Jet3 werden berechnet Bewegungsrichtung des Gluonenjets gegenüber dem Schwerpunktsystem der Jets 1+2 Hinweise auf den Gluonenspin: Scalar: Spin0 Parität 1 Vector: Spin 1 Parität-1 24 5. Zusammenfassung Gluonen, die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, lassen sich per Gluonenbremsstrahlung in 3-Jet-Ereignissen direkt nachweisen Nachweis des Gluonenspin 25 6. Ausblick Erzeugung des Higgs durch Gluon-Gluon-Fusion 26 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 27
