„Struktur der Materie I: Teilchen- und Kernphysik“ , M.Kobel

Institut für Kern- und Teilchenphysik

Vorlesung Struktur der Materie, 15.6.09(in Vertretung: Michael Kobel)

Überblick/WH: Prinzipien der WechselwirkungenEntdeckung der BotenteilchenErkenntnisse aus e+e- Vernichtung

Zahl der Farbladungen der QuarksEigenschaften des Z-Bosons

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1.) Prinzipien von Wechselwirkungen

Zu jeder Wechselwirkung gehört eine LadungNur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren WechselwirkungWechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

AbstoßendAnziehend

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Was ist eigentlich eine Ladung?

Eine Fundamentale Eigenschaft eines TeilchensLadungen sind Additiv:Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vorLadung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren

Mathematisch: Ladungen sind die Eigenwerte der „Generatoren“ von „lokalen Eichsymmetrien“

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Die elektromagnetische Wechselwirkung

Ladung: elektrische Ladung QArten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativBotenteilchen: PhotonEigenschaften: elektrisch neutral: Q=0

masselos : m=0Teilchen Up Down Neutrino ElektronLadung +2/3 -1/3 O -1Besonderheiten:

Unendliche ReichweiteMakroskopisch beobachtbarGrundlage für (fast) alle makroskopischen Phänomene im Alltag(alle Lebensprozesse, Chemie, Reibung, Druck, Licht, Technik…)

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Die starke Kraft

Ladung: starke Ladung λArten: 3 Ladungswerte: „Farbladung“,

(für Antiquarks jew. Antifarbe)Botenteilchen: 8 GluonenEigenschaften: tragen je 1 Farbe und Antifarbe

masselos : m=0Teilchen Up Down Neutrino ElektronLadung r, b, g r, b, g - -Besonderheiten:

Endliche Reichweite ca 1 fmGluonen binden Quarks in Hadronen (Baryonen, Mesonen)Confinement: Keine freien Quarks, alle Hadronen farbneutralMeson-Austausch beschreibt Kernkräfte zwischen NukleonenBindungsenergien erklären radioaktiven α-Zerfall

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Potenzial der starken Kraft

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Confinement

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Jet-Bildung durch “Fragmentation” als Feynman Diagramm

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Folge: Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets• e-p Kollisionen bei HERA am DESY

30 GeV e ¯→ ← p 800 GeV

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Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3)Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“Botenteilchen: W-, Z0, W+

Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3 = -1, 0, 1Masse : m = 80 – 90 GeV

Teilchen Up Down Neutrino ElektronI3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2

Besonderheiten:Endliche Reichweite ca 0.0025 fmMakroskopisch nicht beobachtbar, außer

Brennen der SonneRadioaktive Umwandlung („Zerfall“) des Neutrons

Analog: „Zerfall“ des Myonsµ eνν

Die schwache Kraft

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Übersicht: Bausteinteilchen und Wechselwirkungen Bestimmt durch jeweilige Ladungen

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1979: Die Entdeckung des Gluons (PETRA Ring, DESY)

2) Entdeckung der Botenteilchen

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W-Entdeckung: Super-Antiproton-Proton Synchrotron (S⎯ppS), CERN, 1982Erstes Ereignis ⎯pp W + … μν + …Myon als (fast) gerade Spur ekennbar (roter Pfeil)Neutrino durch fehlenden Transversalimpuls (Summe aller Spuren!) indirekt nachgewiesen

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Resultat derEntdeckung:

Aus 4 eν Ereignissen:mW= (81 +- 5) GeV

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Die Entdeckung des Z0 am UA1-Experiment, S⎯ppS, CERN, 1983Das Z wird über den Zerfall in μμ (weiße Spuren) oder ee u ihre invariante Masse rekonstruiert

Entdeckung (1983, links):mZ = (94 +-3) GeV

Volle Datensätze (1984, unten)

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3) e+e- VernichtungHadronischer Endzustand übere+e- γ/Z ⎯qq Hadronen oder e+e- W+W- ⎯qq⎯qq

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e+e- Vernichtung in Myonen e+e- γ/Z μ+μ−

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3a) Evidenz für 3 Farbladungen der Quarks

E2CM

ECM

3b) Eigenschaften des Z-Bosons

• Das Z Teilchen ist nicht stabil• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um

Z0

e+e-

μ+μ-

τ+τ- qq

νν

Zeit

Z0 Z0

e+

e-

Modell für Zerfallskanäle

• Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“• Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht

vorhersagbarFür einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar

• Entleerungsdauer absolute Größe der LöcherZerfallsdauer Stärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach!

• Verhältnis der Austrittsmengen Größenvergleich der Löcher

Verhältnis der ZerfallswahrscheinlichkeitenGrößenvergleich der Kopplungen

Z0

e+e-

μ+μ-

τ+τ- qq

νν

Aufgabe für Übungen!Doonerstag, PC Pool, Willersbau 119

Ergebnisse hochaktuell• Veröffentlicht in

Physics Reports,Mai 2006

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit• Zwiebelschalenartiger

Aufbau verschiedener Komponenten

• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

• feststellbareTeilcheneigenschaften:

– aus Quarks („Hadronen“)

– elektr. geladen / ungeladen

– leicht / schwer

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Wechselwirkungen im Detektor Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen- schwächere Wechselwirkung

Schnitt durch einen Sektor des CMS DetektorsTeilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen

Press “escape” to exit

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Methodik der MessgrößenAnteil der jeweiligen Zerfälle (Branching Ratios) Bi

Verhältnisse der Anteile (Ratios of BRs) Ri

WirkungsquerschnittMasse und Breite des Z

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