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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation
• Hadronen fliegen in nahezu gleiche Richtung
wie Quarks
• Je höher die Kollisionsenergie, desto genauer
die Auflösung der Jets!
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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
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Jet-Ereignisse in e+e-Annihilation
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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!!!
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Experimenteller Nachweis
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Experimenteller Nachweis
DESY (Deutsches Elektron-Synchrotron) in Hamburg
4 Wechselwirkungspunkte am Petraring des DESY
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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
-
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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
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TASSO Two Arm Spectrometer Solenoid
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TASSO Two Arm Spectrometer Solenoid
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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
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Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis
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Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis
√s=30GeV
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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
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5. Zusammenfassung
Gluonen, die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, lassen sich per
Gluonenbremsstrahlung in 3-Jet-Ereignissen direkt nachweisen
Nachweis des Gluonenspin
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6. Ausblick
Erzeugung des Higgs durch Gluon-Gluon-Fusion
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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
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