V-Teilchen: Die Nebelkammer

Florian Steyer
Seminar zu Kern- und Teilchenphysik
WS 2014/15
18.11.2014
Die ersten Mesonen und
Hyperonen
Übersicht
• Was sind Hadronen?
• Die starke Kernkraft
• Das Pion
• V-Teilchen
• Die Nebelkammer
• Das Kaon
• Hyperonen
• Gesamtüberblick 1950er
• Literatur
• Abbildungsverzeichnis
Was sind Hadronen?
• Aus Quarks und Antiquarks
zusammengesetzte Teilchen
• Unterteilung in Mesonen und Baryonen
• Können stark wechselwirken
Mesonen(mittelschwere Teilchen): QuarkAntiquark-Paare mit Baryonenzahl 0 und Spin
von 0 oder 1.
Beispiel: Pion, Kaon
Was sind Hadronen?
Baryonen(schwere Teilchen): Bestehen aus 3
Quarks/Antiquarks mit Baryonenzahl ungleich
0 und halbzahligen Spin. Baryonenzahl, Spin
und Ladung ergibt sich aus den Quarks
Beispiel: Proton, Neutron, Λ-Hyperon
Baryonen unterteilen sich in Nuklide und
Hyperonen
Die Starke Kernkraft
Problem in 1930er Jahren:
• Kraft die Proton und Neutron im Kern
zusammenhält
• Kraft wirkt nur innerhalb vom Atomkern
=> Sehr kurze Reichweite von ca. 2,5fm
• Kraft wirkt auf Neutron und Proton
gleichermaßen
=> nicht elektromagnetische Kraft
Die Starke Kernkraft
1935: Idee nach Yukawa
• Kernkraft wird durch ein Teilchen
vermittelt
• Das Teilchen wurde Pi-Meson (Pion)
genannt
• Abschätzung des Teilchens auf eine
Masse von ca. 150 MeV
• Proton emittiert ein Pion und verletzt
kurze Zeit die Energieerhaltung
( Heisenb. Unschärferel.)
• Nobelpreis 1949
Die Starke Kernkraft
Beispiel:
Das Pion
Wechselwirkungen zwischen Nukleonen:

• Proton strahlt  ab und wird zum
Neutron

• Proton absorbiert Pion  und wird zum
Neutron
0
• Proton bleibt unverändert und erzeugt 
Das Pion
1937: Anderson (1932 Positron)
• Untersuchung kosmischer Strahlung
• Unbekanntes Teilchen mit Masse 106
MeV ließ zunächst auf Pion schließen
Im Widerspruch hierzu:
• Keine Wechselwirkung mit Atomkernen der ganzen Erdatmosphäre
6
• Lebensdauer von 2 10 s
=> Physiker nannten es Myon (ein Lepton)
Das Pion
Pionen entstehen in der oberen Atmosphäre
Das Pion
Pionen entstehen in der oberen Atmosphäre
1947 Powell, Lattes und Occhialini:
• Experimente auf Bergen usw. (bis 5600m
hoch) um Weg der Pionen zu verringern


• geladene Pionen  und  konnten mit
fotografischen Platten nachgewiesen werden
• Masse von 140 MeV entspricht ungefähr
Yukawas Schätzung
Das Pion
Fotoplattendetektor:
• Lichtempfindliche Platte
• Geladene Teilchen
ionisieren
Chemische Reaktion an
der Platte
Teilchenbahn wird
sichtbar
Das Pion
1950: Experimente im Teilchen-Beschleuniger
0
• Nachweisen des 
Schwierigkeit hierbei:
Ungeladene Teilchen kaum zu detektieren, aber
0
•  zerfällt unter anderem in zwei Photonen
• Durch Photonen entstand Paarbildung
Nachweis von Elektron-Positron-Paaren
•  ist sein eigenes Antiteilchen
0
Das Pion (Isospin)
• Starke Kraft wirkt auf Pionen und Nukleonen
gleich obwohl Ladungsunterschied vorhanden
1932: Heisenberg
• Vorschlag in einem "abstrakten Ladungsraum die
Einstellungen der dritten Komponente eines imaginaren
Isospins als mathematische Beschreibung der Ladungszustande
innerhalb einer Teilchenfamilie" [Coughlan, S.71] zu betrachten
• Es folgt für die Ladung Q:
1
Q  ( I 3  B)
2
=> Pion: Q=+e , 0, -e mit B=0 und I=+1 ,0 , -1
V-Teilchen
1947: Rochester und Butler
• Beobachtung von kosmischer Strahlung in
Nebelkammern
• Teilchen hinterließen V-förmige Linien
• Man unterschied zwischen:
- Hyperonen : Zerfallsprodukt enthält Proton
- K-Mesonen : Zerfallsprodukt nur Mesonen
V-Teilchen: Die
Nebelkammer
1911: Wilson
• Entstehung von sichtbaren
"Wassertröpfchen" in der Nähe von
ionisierten Atomen
• Pfade von Strahlungen und Teilchen
wurden sichtbar
• Nobelpreis 1927
V-Teilchen: Die Nebelkammer
V-Teilchen: Die Nebelkammer
V-Teilchen: Die Nebelkammer
V-Teilchen: Die Nebelkammer
Zerfall von Pion
wird Sichtbar;
Schema einer
Auswertung
Die (Blasen-)Nebelkammer
• Abgelöse durch Blasenkammer
1952 Glaser:
• Funktioniert auch bei sehr schwach
ionisierenden Teilchen
• Durch Kolben wird Druck gesenkt und
benötigte Siedetemperatur sinkt
• An Ionen bilden sich Blasen welche
fotografiert werden können
• Nobelpreis 1960
• Ablöse der Blasen- durch Drahtkammer
Die (Blasen-)Nebelkammer
V-Teilchen
Problem:
23
• erwartete Lebensdauer ca. 10 s (als
Ursache für starke WW)
10
• Durch Fotoplattenexperimente: 10 s
(schwache WW)
=> V-Teilchen wurden auch seltsame Teilchen
(strange particles) genannt, woraus später die
Bezeichnung s-Quark, der 2. Generation von
Quarks, entstand
V-Teilchen
1952: Pais
• These: Seltsame Teilchen werden paarweise
erzeugt
• Ein Jahr später wurde dies nachgewiesen
1953: Gell-Mann und Nishijama
• Einführung der Quantenzahl S "Seltsamkeit"
(Strangeness)
• S nimmt Werte in den ganzen Zahlen an
• Bei starker WW ist S Erhaltungsgröße:
S(Anfangzustand)=S(Endzustand)
V-Teilchen
Bsp.:    p
S: (0)  (0)
0  K 0
(1)  (1)
Bezug auf das vorherige Problem:


Zerfall

p

S(Anfang) =\= S(Ende)
Erfolgt nicht über starke WW

10
Lebendsdauer des  ca. 10 s
=> Zerfall erfolgt über schwache WW
V-Teilchen
• Durch die Seltsamkeit wird Anpassung der
Ladungsformel benötigt:
1
1
Q  e(I 3  B  S )
2
2
Das Kaon


0
K
,
K
und
K
• Kaonen:
mit Massen von
494 MeV und 498 MeV ≈3 m(π)
• K 0 bzw. K  haben S=1 , sodass mit K 
S=-1
• Im Unterschied zum Pion haben die
Kaonen S =\= 0 und das K 0 kann somit
nicht sein eigenes Antiteilchen sein.
Das Kaon
• Mesonen lassen sich in Multipletts
einordnen
• Kaon:
Isospindubletts
• Pionen:
Isospintripletts
Hyperonen
• Zerfallsprodukt enthält Proton
• Baryonenzahl B=1
Lambda-Hyperon Λ :
• Masse von 1115 MeV
• Isospin von 0 und Strangeness von -1
Es ex. Nur 
Sigma-Hyperon Σ:
• Masse von 1190 MeV
• Isospin von 1 und Strangeness von -1
=>  , - und 0
Hyperonen
Xi-Hyperon Ξ:
• Masse von 1320 MeV
• Isospin von 1/2 und S von -2
•   und 0
• Auch Kaskadenteilchen genannt, da
sich die Strangeness nur um 1 ändern
kann bei Zerfall (also 2 Zerfälle
notwendig um nicht seltsames Teilchen
zu erhalten)
Gesamtüberblick 1950er
BILD S.77 alle Teilchen erwähnen
Literatur
• Povh, B., Rith, K., Scholz, C., Zesche, F. (2006): Teilchen
und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen
Konzepte. Berlin: Springer
• Coughlan, G., Dodd, J. (1991):Elementarteilchen: Eine
Einführung für Naturwissenschaftler. Cambridge
University Press
• Amsler, C. (2007) :Kern- und Teilchenphysik. Zürich: vdf
Hochschulverlag
• http://slideplayer.de/slide/665909/
•http://de.wikibooks.org/wiki/Teilchenphysik:_Experimen
telle_Teilchenphysik#Fotoemulsionen
Abbildungsverzeichnis
•http://physik-begreifenzeuthen.desy.de/sites2009/site_PhyBegZ/content/e2198/e2451/e657
0/e83816/e117284/column-objekt117285/img/Kosmische_TeilchenDKopie_ger.jpg
•[Dodd, S.77]
•[Dodd, S.75]
•[Dodd, S.7]
•http://scienceblogs.de/astrodicticumsimplex/files/2014/10/DESYNebelkammer.jpg
•http://slideplayer.de/slide/665909/
•http://astro.uni-wuppertal.de/~kampert/HE-Astro/pi-mu-zerfall.gif
•http://de.wikipedia.org/wiki/Blasenkammer#mediaviewer/File:Blas
enkammer.svg
• http://www.holgerullmann.de/Muscheln/Fraktale/Bilder/subatomare_Partikel.jpg
• http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1539047
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!